一、激光器分類(lèi)——增益介質(zhì)、波長(cháng)、工作模式
一般激光器可以從增益介質(zhì)、波長(cháng)和工作模式等方面進(jìn)行分類(lèi)。
1.激光器根據增益介質(zhì)分類(lèi)
根據增益介質(zhì),可以將激光器分為液體激光器、氣體激光器、固體激光器、半導體激光器和光纖激光器5大類(lèi),每一大類(lèi)下還可細分諸多小類(lèi)。
激光器按照增益介質(zhì)分類(lèi)
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2.激光器按照波長(cháng)分類(lèi)
根據激光波長(cháng)可以將激光器分為紫外激光器(390nm-10nm)、紅外激光器(小于760nm)、可見(jiàn)光激光器(760nm-390nm)。不同結構的物質(zhì)可吸收的光波長(cháng)范圍不同,波長(cháng)越短,材料對激光的吸收率越高,穿透能力越強。例如由于金屬對于近紅外光吸收效率高,所以近紅外激光器比較適用于金屬材料加工。
光譜圖
3.激光器按照工作模式分類(lèi)
激光器的工作模式包括脈沖寬度、功率和運轉方式。
根據脈沖寬度的不同,激光器可以具體分為毫秒激光器、微秒激光器、納秒激光器、皮秒激光器和飛秒激光器,每一種激光器的光脈沖間隔是上一個(gè)的千分之一。目前已經(jīng)開(kāi)始向皮秒和飛秒發(fā)展。
根據功率不同可以分為低功率激光器、中功率激光器和高功率激光器。100W以下的稱(chēng)為低功率激光器,100萬(wàn)以上、1000W以下的稱(chēng)為中功率激光器。高功率激光器是功率在1000W以上的激光器。
工作運轉方式可以分為連續激光器和脈沖激光器,也可分為單模激光器和多模激光器。
激光器按照工作模式分類(lèi)
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綜上所述,以上三種分類(lèi)方式組合如下圖:
激光器分類(lèi)
數據來(lái)源:國金電子
二、激光產(chǎn)業(yè)鏈及半導體激光器
1.激光產(chǎn)業(yè)鏈
上游主要包括:泵浦源、增益介質(zhì)和諧振腔,中游主要是激光器和激光設備,下游主要是一些激光應用領(lǐng)域。
激光設備主要包含激光切割、激光焊接、激光打標、激光雕刻、激光鉆孔、醫療美容等10大領(lǐng)域。
下游應用主要集中在汽車(chē)通信和電子信息領(lǐng)域。
2.半導體激光器
從技術(shù)發(fā)展趨勢上看,光纖激光器和半導體激光器將是主流。半導體激光器可以是單獨的激光器,也可以是連續光纖激光的泵浦源,半導體激光器的體積更小,光電轉換效率更高。由于光束質(zhì)量的區別,半導體激光器在工業(yè)中的應用和光纖激光器存在某種程度的互補關(guān)系。
半導體激光器又被稱(chēng)為激光二極管或鐳射管,英文簡(jiǎn)稱(chēng)LD。
最常見(jiàn)的激光二極管實(shí)物圖及內部連接圖
激光二極管的發(fā)光原理:激光二極管中的P-N結由兩個(gè)摻雜的砷化鎵形成,有兩個(gè)平端結構,平行于一端鏡像(高度反射面)和一部分反射,要發(fā)射的光的波長(cháng)和連接處的長(cháng)度正相關(guān)。當P-N結與外部電壓源正向偏置時(shí),電子通過(guò)結移動(dòng),并像普通二極管一樣重新組合。當電子與空穴復合時(shí),光子被釋放。這些光子撞擊原子,導致更多的光子被釋放。隨著(zhù)正向偏置電流的增加,更多的電子進(jìn)入耗盡區并導致更多的光子被發(fā)射。最終,在耗盡區內隨機漂移的一些光子垂直照射反射表面,從而沿著(zhù)它們的原始路徑反射回去。反射的光子再次從結的另一端反射回來(lái)。光子從一端到另一端的這種運動(dòng)連續多次。在光子運動(dòng)過(guò)程中,由于雪崩效應,更多的原子會(huì )釋放更多的光子。這種反射和產(chǎn)生越來(lái)越多的光子的過(guò)程產(chǎn)生非常強烈的激光束。
LD的基本工作原理
在上面解釋的發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的每個(gè)光子與在能級、相位關(guān)系和頻率上的其他光子相同。因此,發(fā)射過(guò)程給出單一波長(cháng)的激光束。為了產(chǎn)生一束激光,必須使激光二極管的電流超過(guò)一定的閾值電平。低于閾值水平的電流迫使二極管表現為L(cháng)ED,發(fā)出非相干光。
激光二極管內部包括四部分:
1)激光發(fā)射部分(一般用LD表示),作用是發(fā)射激光;
2)光電二極管,是激光的接收反饋器(一般用PD表示),作用是接收和監測LD發(fā)出的激光,如果不需要監測LD的輸出,可以不裝置PD,PD和LD兩部分之間需要共用公共電極,因此激光二極管一般有三個(gè)電極;
3)玻璃蓋片做的鏡頭,其作用是防塵和充當諧振腔;
4)金屬外殼,主要有固定、屏蔽外界干擾信號和散熱的作用。
激光二極管構造
激光二極管根據P-N結的不同,可以分為同質(zhì)結、單異質(zhì)結(SH)、雙異質(zhì)結(DH)和量子阱(QW)激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低、輸出功率高的優(yōu)點(diǎn),是目前市場(chǎng)應用的主流產(chǎn)品。
QW結構類(lèi)似于三明治,中間為很薄的半導體膜,外側是兩個(gè)隔離層。用激光朝QW中掃一下,可以讓半導體膜產(chǎn)生電子和正點(diǎn)空穴,后期電子和空穴結合,釋放出光子。一般將QW做薄,厚度不足30埃米,使得中間層產(chǎn)生的電子和空穴結合時(shí),不以光子的形式釋放能量而以變化的電場(chǎng)的方式釋放能量。電池會(huì )讓附近的量子點(diǎn)形成新的電子和空穴,最終放出光子。
量子點(diǎn)、量子線(xiàn)、量子阱示意圖
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一般按照使用方式可以將半導體激光器分為泵浦源、直接半導體激光器。
按照功率可以分為100W以下的小功率激光器,100-1000瓦的中功率激光器,1kw以上的高功率激光器。
按照工作介質(zhì)可以分為硅基材料激光器、二四族激光器、三五族激光器。
按照波長(cháng)可以分為遠紅外長(cháng)波激光器、紅外長(cháng)波激光,可見(jiàn)光激光器,按照應用方向可以分為信息型激光器和功率型激光器。
半導體激光器分類(lèi)
根據長(cháng)城證券援引的lasermarket research的數據,2014年全球半導體激光器市場(chǎng)規模為42.12億美元,預計2018年為56.16億美元,CAGR為7.46%。
根據中商產(chǎn)業(yè)研究院數據庫數據,2017年我國直接半導體激光器市場(chǎng)規模達到?1.97?億元,增長(cháng)率為47.01%。目前因為半導體激光器受材料、成本和技術(shù)等因素限制,國內市場(chǎng)規模相對較小,但整體預計將持續擴大。預計?2018?年直接半導體激光器市場(chǎng)規模將突破?2.7?億元。
2014-2018年全球半導體激光器市場(chǎng)規模
2016-2020 年中國直接半導體激光器市場(chǎng)規模
中國直接半導體激光器市場(chǎng)規模是全球市場(chǎng)規模的七十分之一,但平均增速是全球半導體激光器的6倍左右。