自1962年世界上第一台半导体激光器发明问世以来,半导体激光器发生了巨大的变化,极大地推动了其他科学技术的发展,被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。近十几年来,半导体激光器的发展更为迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域,已成为当今光电子科学的核心技术。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制以及价格较低廉等优点,使得它目前在光电子领域中应用非常广泛,已受到世界各国的高度重视。

一、半导体激光器

半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的 Pn 结或 Pin 结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光工作物质有几十种,目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化镉、碲化镉、硒化铅、碲化铅、铝镓砷、铟磷砷等。半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式 、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入,即给 Pn 结加正向电压,以使在结平面区域产生受激发射 ,也就是说是个正向偏置的二极管 。因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说,由于电子是在各能带之间进行跃迁 ,而不是在分立的能级之间跃迁,所以跃迁能量不是个确定值, 这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在0.3～34μm之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙 ,最常见的是AlGaAs双异质结激光器,其输出波长为750～890nm。

半导体激光器制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE), 气相外延法(VPE),分子束外延法(MBE),MOCVD 方法(金属有机化合物汽相淀积),化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺。半导体激光器最大的缺点是:激光性能受温度影响大,光束的发散角较大(一般在几度到20度之间),所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展, 半导体激光器的研究正向纵深方向推进 ,半导体激光器的性能在不断地提高。以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在 21 世纪的信息社会中将取得更大的进展, 发挥更大的作用。

二、半导体激光器的工作原理

半导体激光器是一种相干辐射光源,要使它能产生激光,必须具备三个基本条件 :

1、增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布,在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带 ,因此在半导体中要实现粒子数反转,必须在两个能带区域之间 ,处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多,这靠给同质结或异质结加正向偏压,向有源层内注入必要的载流子来实现, 将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去 。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时 ,便产生受激发射作用。

2、要实际获得相干受激辐射 ,必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡,激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的,通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜,而出光面镀上减反膜。对F—p 腔(法布里—珀罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与 p-n结平面相垂直的自然解理面构成F-p腔。

3、为了形成稳定振荡,激光媒质必须能提供足够大的增益,以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗,不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入,即有足够的粒子数反转,粒子数反转程度越高,得到的增益就越大,即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值时,具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大,最后形成激光而连续地输出。可见在半导体激光器中,电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。对于新型半导体激光器而言,人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力。量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪,科学家们已尝试用自组织结构在各种材料中制作量子点,而GaInN 量子点已用于半导体激光器。

三、半导体激光器的发展历史

20 世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器,它是在一种材料上制作的 pn 结二极管。在正向大电流注入下电子不断地向 p区注入,空穴不断地向n区注入。于是 ,在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转, 由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快, 在有源区发生辐射、复合,发射出荧光,在一定的条件下发生激光 ,这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器, 它是由两种不同带隙的半导体材料薄层 ,如GaAs, GaAlAs 所组成, 最先出现的是单异质结构激光器(1969 年)。单异质结注入型激光器(SHLD)GaAsP -N 结的 p 区之内 ,以此来降低阀值电流密度, 其数值比同质结激光器降低了一个数量级, 但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作 。

从20世纪70年代末开始,半导体激光器明显向着两个方向发展 , 一类是以传递信息为目的的信息型激光器,另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器 。在泵浦固体激光器等应用的推动下,高功率半导体激光器(连续输出功率在100mw以上,脉冲输出功率在 5W 以上,均可称之谓高功率半导体激光器)。

在 20 世纪90年代取得了突破性进展,其标志是半导体激光器的输出功率显著增加,国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化,国内样品器件输出已达到 600W。如果从激光波段的被扩展的角度来看,先是红外半导体激光器,接着是 670nm 红光半导体激光器大量进入应用,接着,波长为650nm、635nm的问世 ,蓝绿光、蓝光半导体激光器也相继研制成功,10mW 量级的紫光乃至紫外光半导体激光器,也在加紧研制中。20世纪90年代末,面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展,且已考虑了在超并行光电子学中的多种应用。980nm、850nm和780nm的器件在光学系统中已经实用化。目前,垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络。

三、半导体激光器的应用

半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器 ,由于它的波长范围宽, 制作简单、成本低、易于大量生产,并且由于体积小 、重量轻、寿命长,因此,品种发展快,应用范围广,目前已超过300种 。

1、在产业和技术方面的应用

1)光纤通信。半导体激光器是光纤通信系统的唯一实用化光源,光纤通信已成为当代通信技术的主流。

2) 光盘存取。半导体激光已经用于光盘存储器,其最大优点是存储的声音、文字和图象信息量很大。采用蓝、绿激光能够大大提高光盘的存储密。

3) 光谱分析。远红外可调谐半导体激光器已经用于环境气体分析,监测大气污染、汽车尾气等。在工业上可用来 监测气相淀积的工艺过程。

4) 光信息处理。半导体激光器已经用于光信息理系统。表面发射半导体激光器 二 维阵列是光并行处理系统的理想光源,将用于计算机和光神经网络。

5) 激光微细工。借助于Q开关半导体激光器产生的高能量超短光冲,可对集成电路进行切 割、打孔等。

6) 激光报警器。半导体激光报警器用途 甚广,包括防盗报警、水位报警、车距 报警等。

7) 激光打印机。高功率半导体激光器已经用于激光打印机。采用蓝、绿激光 能 够大大提高打印速度和分辨 率。

8) 激光条码扫描器。半导体激光条码扫描器已经广泛用于商品的销售,以及 图书和档案的管理。

9) 泵浦固体激光器。这是高功率半导体激光器的一个重要应用,采用它来取代原来的氛灯,可以构成全固态激光系统。

10) 高清晰度激光电视。不久的将来,没有阴极射线管的半导体激光电视机可以 投放市场,它利用红、蓝、绿三色激光,估计其耗电量比现有的电视机低20%。

2、在医疗和生命科学研究方面的应用

1)激光手术治疗。半导体激光已经用于软组织切除,组织接合、凝固和汽化。普通外科、整形外科、皮肤科、泌尿科、妇产科等,均广泛地采用了这项技术。

2)激光动力学治疗。将对肿瘤有亲合性的光敏物质有选择地聚集于癌组织内,通过半导体激光照射,使癌组织产生活性氧,旨在使其坏死而对健康组织毫无 损害。

3)生命科学研究。使用半导体激光的“光镊”,可以扑捉活细胞或染色体并移至 任意位置,已经用于促进细胞合成,细胞相互作用等研究,还可以作为法医取证的诊断技术。

1、半导体激光产业的形成

我国的半导体激光器技术早期与国外发展同步，但是长期受制于产业发展滞后的影响，一直徘徊在科学研究的范畴。直到新世纪，随着我国经济的快速发展和产业的进步，作为高新技术产业的半导体激光器行业也得到了巨大提升。

我国半导体激光产业发展迅猛，部分国产半导体激光设备和光源技术已达国际先进水平，至2011年，我国半导体激光产业已初具规模。目前我国在LD外延材料、芯片制造、期间装封等方面均已掌握自主知识产品的单元技术，且部分核心技术具有原创性，初步形成了从上游材料、芯片制备、中游期间装疯及校友集成应用的比较完整的研发和产业体系。

2、半导体激光产业的分布格局

我国半导体激光加工产业可以分为四个比较大产业带，珠江三角洲、长江三角洲、华中地区和环渤海地区。这四个产业带侧重点不同，珠三角以中小功率激光加工机为主，长三角以大功率激光切割焊接设备为主，环渤海以大功率激光熔覆和全固态激光为主，以武汉为首的华中地区则覆盖了大、中、小激光加工设备。这四大产业带中，以华中地区尤其是武汉最具代表性，中国"光谷"的称号便是有力的证明。武汉地区可以说见证了中国激光加工产业从无到有、从弱到强的整个历程，是中国半导体激光产业发展的缩影。

资料来源：前瞻产业研究院整理

3、我国半导体激光产业优势

(1)产业区域发展集中，各产业带定位明确

我国激光企业具有群体聚集性，主要分布在五个产业带：珠三角、长三角、华中、环渤海地区，以及新兴的东北工业振兴区。另外，西部产业带也将成形。其中，特别值得一提的是东北工业区，不少激光企业发展势头良好。这五个产业带侧重点不同，珠三角以中小功率激光加工机为主，长三角以大功率激光切割焊接设备为主，环渤海以大功率激光熔覆和全固态激光为主，以武汉为首的华中地区则覆盖了大、中、小激光加工设备。

(2)半导体激光在我国得到了广泛应用

无应用无市场，据国际权威机构预测，21世纪进入以半导体激光器为代表的新型激光显示时代。以半导体激光器为核心的激光技术，在科学研究、工业制造、国防建设、生物医疗、信息产业、资源环境以及文化娱乐等领域获得了广泛的应用。

(3)下游市场需求日益增长

目前，激光加工制造技术目前呈现一个飞速发展的趋势，同时国内激光加工行业也面临着极好的机遇和挑战，这是因为激光加工应用市场的需求日益增长，国际竞争也存在新格局，激光加工技术亟需有一个大的突破与发展，如此机遇势不可当。

光电子产业是21世纪支柱产业之一，激光及激光器技术是光电子产业的基础技术之一。国家十二五规划纲要中将加快转变经济发展方式和调整经济结构作为十二五时期的主要目标和任务之一，并将战略性新兴产业定位为先导性、支柱性行业，这对电子元器件行业构成长期利好，产业环境有利于行业的发展。随着激光技术的进步和应用的拓展，与激光相关的元器件市场需求将不断增加。未来的激光应用对于激光器的功率、可靠性、能耗、使用便捷性等方面的要求将越来越高。

(4)政府支持力度较大

发展激光产业，政府的引导和支持不可缺少。从当今激光市场的发展和政府的引导情况可以看出，作为高新技术，"振兴制造业"给激光技术应用带来更大的发展机遇。我国将涉及国家安全、国防建设、高新技术的产业化和科技前沿发展的激光加工技术列为关键支撑技术，将给激光加工机的制造和升级带来很大的商机。

如陕西省重点投资激光和3D打印，为了解决企业研发及成果转化的后顾之忧，为科技企业创新发展创造可靠的保障，陕西省率先建立科技保险风险补偿机制，由财政补贴资金，为投资风险埋单。科技保险补贴对象涵盖财产险类、责任险类、人身险类、出口信用多个产品，为企业创新产品研发、科技成果转让建立了保险保障机制。

4、我国半导体激光产业劣势

(1)技术实力与国外相比差距较大

经过近几年来的开发，我国高功率半导体激光器的研制和生产技术已有了一些基础和实力，但与国际迅猛发展的势头相比，我们还有一定的差距。要开发实用化的高功率半导体激光器，赶上国际先进水平，仍需要作出很大的努力，尤其是半导体激光芯片技术方面。

尽管半导体激光器已经比较成熟，得到了广泛的应用，但大功率半导体激光器性能有待进一步提高，如激光性能受温度影响大，光速的发散角较大，激光器的寿命与可靠性须进一步提高。国内半导体激光技术与日本、美国等先进国家相比有较大差距，特别是近几年发展起来的蓝光激光器更是如此。我国目前在激光产业方面，创新能力较差，高档次激光产品较少，智能化、自动化程度较低，不能提供性价比高的产品，缺乏市场竞争能力。

(2)关键材料和配件不能自给，依赖进口

在半导体激光器的核心部件-半导体激光芯片的研制和生产方面，一直受外延生长技术、腔面钝化技术以及器件制作工艺水平的限制，国产半导体激光器件的功率、寿命方面较之国外先进水平尚有较大差距。这导致国内实用化高功率、长寿命半导体激光芯片主要依赖于进口，直接导致我国半导体激光器系统的价格居高不下，严重影响了大功率半导体激光器在我国的推广应用，同时也限制了我国高功率光纤激光器的研制和开发。

半导体激光器作为该领域中的核心部件，国防经济建设需求明显增长，但是美国把大功率半导体激光器列为对华出口限制，严重影响我国该技术的发展，迫切需要解决半导体激光器用LD芯片的国产化，为我国的半导体激光产业提供强有力的支持。

(3)我国半导体激光器产业的产业结构还不是很合理

产业的中上游企业数量较少，产量和技术水平都要落后于欧美等地区的企业;国内封装和应用产品产业的发展迅速，成为世界LD应用的重要基地之一。外延和芯片产业是整个半导体激光器产业发展的最终支持力量，也是技术含量和投资密度都较大的产业，需要国家的大力支持和政策印度，突破核心技术的研发，形成自主知识产权，应对半导体激光器国际巨头的专利大棒。近几年国内有一定基础的LD外延和芯片制造厂家纷纷投资进行融资扩产，抢占产业和先机，关键技术研究有待进一步突破。

具体来说，我国半导体激光产业存在的问题如下图所示：

资料来源：前瞻产业研究院整理

(4)配套产业链不足，增加了企业经营成本

由于配套产业链不足，一些外地企业过来后，因为没有强大的产业需求，很多业务开展不了。而本地企业，因为受困于配套产业链的问题，很多时候不得不去外地找下家，无形中增加了经营成本。另外，本地企业受制于技术、设备、工艺的瓶颈，初期投入非常巨大，加上融资成本贵，存在资金难题。

(5)行业发展高端人才缺乏

面对企业最为头疼的人才问题，半导体激光产业属于高新技术产业，随着我国"十二五"规划的实施，将为激光加工产业带来巨大的发展机遇。国家产业政策在未来五年内将对激光行业提供强有力的支持，我国正成为全球最大的激光加工应用市场。国内地方政府都很重视激光产业的发展，如温州正在建设"中国激光产业集群"，辽宁省提出"倾全省之力，建辽宁鞍山激光产业园"，武汉将建设世界一流的"中国激光产业基地"。激光行业的迅速崛起，使得激光行业人才缺口巨大。

(6)应用研究相对滞后，阻碍了整个行业向高端发展

目前，我国激光产业应用研究相对滞后，使整个产业链不能形成正反馈，阻碍了整个行业的发展;另一方面，国家对应用研究的投入力度不够，造成了科研成果转化为生产力的能力较差买很多具有市场前景的成果仍停留在试验样机阶段;此外激光激光技术应用推广宣传不够，缺乏实践。

(7)激光产业管理有待加强

目前，我国激光产品缺少国家标准，激光产业没有归口主管部门，产品质量监督不够，市场处于无序竞争。

5、解决对策

针对我国半导体激光产业发展的优劣势，尤其是存在的问题。根据前瞻产业研究院发布的《2016-2021年中国激光产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》：我国半导体激光产业应该按照"激光加工为先导，激光应用是主体，国际合作促跨越，高端装备上水平"的基本思路推进激光产业园建设。坚持企业引进与研发机构建设并重，高端人才引进与人才本地化培养并举，促进产业集群高起点建设。坚持企业创新主体地位，加强激光应用项目与民营资本的结合，着力加强产学研合作，加快推进激光技术成果转化和产业化，提高激光产业的持续竞争力。实现激光产业与装备制造业等传统优势产业的有机结合，建设我国世界领先的激光产业基地。