紫宸半導體激光器在焊接產業的發展及應用

半導體激光器俗稱激光二極管，因為其用半導體材料作為工作物質的特性所以被稱為半導體激光器。半導體激光器的體積小、重量輕、成本低、波長可選擇，其應用遍布臨床、加工制造、激光焊接、軍事，其中尤以大功率半導體激光器方面取得的進展較為突出。

一、半導體激光器簡介

半導體激光器俗稱激光二極管，因為其用半導體材料作為工作物質的特性所以被稱為半導體激光器。半導體激光器由光纖耦合半導體激光器模塊、合束器件、激光傳能光纜、電源系統、控制系統及機械結構等構成，在電源系統和控制系統的驅動和監控下實現激光輸出。半導體激光器的常用工作物質主要有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦（InP）、硫化鋅（ZnS）等。根據不同的工作物質主要有三種激勵方式：電注入，pump式和高能電子束激勵。

（1）電注入是半導體激光器，一般由GaAS、CdS、InP、ZnS等工作物質作為主要材料，制成半導體面結型二極管，在受到電注入時，沿著正向偏壓注入的電流，對工作物質進行激勵，從而在節平面區域產生受激發射。

（2）Punp式激光器，一般由晶體中摻入受主雜的的以空穴為載流子的鍺單晶（P型半導體單晶）或以電子為載流子的鍺單晶（N型半導體單晶）作為工作物質，并通過其他激光器發出的激光作pump激勵，從而實現種群反演。

（3）高能電子束激勵式半導體激光器，一般在工作物質的選擇上與pump式激光器相似，也是選用半導體鍺單晶，但值得注意的問題是，在P型半導體單晶的選擇上高能電子束激勵式半導體激光器主要以PbS。CbS和ZnO為主。

半導體激光器種類較多，根據其芯片參數、封裝方式的不同，有多種分類方式。其中，光纖輸出的半導體激光器分類方式主要有以下幾種：

半導體激光器分類

二、半導體激光器技術發展情況

自1962年發明了世界上**臺半導體激光器以來，半導體激光器發生了巨大的變化，極大地推動了其他科學技術的發展。

近年來用于信息技術領域的小功率半導體激光器發展極快。如用于光纖通信的DFB和動態單模的激光二極管以及在光盤處理中大量應用的可見光波長的激光二極管，甚至是超短脈沖的激光二極管都得到了大幅度的革新性進步。

小功率激光二極管其自身還擁有這高集成、高速率以及可調諧的發展特征。大型高功率半導體激光器的發展速度也不斷加快。

在上世紀八十年代，獨立的激光二極管的輸出功率已經在100mW以上，并達到了39％的轉化效率。等到了90年代，美國人又一次將指標提高一個新的水平，達到了45％的轉化效率，就輸出功率來看，也從W到了KW級的轉變。

目前各國在研制項目的支持下，半導體激光器的芯片結構、外延生長和器件封裝等激光器技術均有了長足發展，單元器件的性能也實現了重大突破：電光轉換效率達70％以上，很低的光束發散角，單巴條連續輸出功率超過千瓦，采用碳納米（CN）熱沉使激光器的冷卻效率比傳統的半導體巴條安裝技術可提高30％。100μm條寬單管輸出功率達到24．6W，大功率連續工作壽命長達數萬小時。

高效能大功率的半導體激光器也迅速發展為全固化激光器，從而使得LDP固體激光器獲得了全新的發展機遇和前景。

三、半導體激光器市場規模

半導體激光器具有體積小、重量輕、壽命長、運轉可靠性高、能耗低、電光轉換效率高、易于大規模生產以及價格較低廉等優點，在CD激光唱片機、光纖通信、光存儲器、激光打印機等獲得大量應用，范圍覆蓋了整個光電子學領域。

隨著技術的不斷發展和突破，半導體激光器正向發射波長更短、發射功率更大、超小型、長壽命的方向發展，以滿足各種應用的需要，產品種類日益豐富。在激光加工、3D打印、激光雷達、激光測距、軍事、醫療和生命科學等方面也得到了大量應用。另外，通過耦合進光纖進行傳輸，大功率直接半導體激光器在切割和焊接領域得到了大量應用。

目前，全球半導體激光器市場規模較大，從2012年的35．4億美元增加值至2017年的53．1億美元，年復合增長率為8．4％。

四、半導體激光器的應用

1、半導體激光器在光電子領域的應用

（1）光纖通信。半導體激光器是光纖通信系統的**實用化光源，光纖通信已成為當代通信技術的主流。

（2）光盤存取。半導體激光已經用于光盤存儲器，其較大優點是存儲的聲音、文字和圖象信息量很大。采用藍、綠激光能夠較大提高光盤的存儲密。

（3）光譜分析。遠紅外可調諧半導體激光器已經用于環境氣體分析，監測大氣污染、汽車尾氣等。在工業上可用來監測氣相淀積的工藝過程。

（4）光信息處理。半導體激光器已經用于光信息理系統。表面發射半導體激光器二維陣列是光并行處理系統的理想光源，將用于計算機和光神經網絡。5）激光微細工。借助于Q開關半導體激光器產生的高能量超短光沖，可對集成電路進行切割、打孔等。

（5）激光報警器。半導體激光報警器用途甚廣，包括防盜報警、水位報警、車距報警等。

（6）激光打印機。高功率半導體激光器已經用于激光打印機。采用藍、綠激光能夠較大提高打印速度和分辨率。

（7）激光條碼掃描器。半導體激光條碼掃描器已經大量用于商品的銷售，以及圖書和檔案的管理。

8）高清晰度激光電視。不久的將來，沒有陰極射線管的半導體激光電視機可以投放市場，它利用紅、藍、綠三色激光，估計其耗電量比現有的電視機低20％。

2、半導體激光器在材料加工上的應用

半導體激光器在材料加工上多用于材料的切割和電路板的加工。由于激光器的高穩定性和高效能，從而使得其可以輕易的對工業材料進行精確的切割，并且在高頻電路板的加工上，低波長的紫外激光也有不錯的應用。

（1）光纖激光器和固體激光器的泵浦源

目前，半導體激光器的較大應用是作為光纖激光器和固體激光器的泵浦源。作為光纖激光器泵源的半導體激光器，提高單元功率能夠從根本上簡化泵浦系統的結構或提高泵浦功率水平。隨著光纖激光器和固體激光器輸出功率越來越高，對半導體泵浦源的功率也提出了更高的要求。

（2）金屬切割

由于光束質量的限制，傳統半導體激光器難以直接用于金屬切割。近年來，隨著半導體耦合技術的提高以及新型合束技術的逐漸成熟，部分千瓦級以上的光纖輸出的半導體激光器可以滿足切割對光束質量的要求。另外，由于半導體激光器波長的多樣性，短波長的半導體激光器的波長十分接近鋁的波長吸收較大值，在汽車工業中，大功率半導體激光非常適用于車身的鋁材的焊接。激光輸出功率為2KW至6KW的半導體激光器在汽車工業生產過程中已大量應用。

（3）塑料焊接

使用中小功率的半導體激光器的激光焊接完善了熱塑性塑料焊接的傳統方法，例如，通過超聲波焊接的方式，可使連接區域在壓緊前直接塑化。激光可以實現光穿透式的激光焊接，在連接區域形成均勻的熔體，避免因摩擦產生的起毛現象。半導體激光塑料焊接大量使用于汽車行業的傳感器或塑料箱體的密封焊接，也可應用于木制產品包邊或者加工纖維強化的合成材料。

（4）激光熔覆

激光熔覆又稱為激光包覆或激光熔敷，是一種表面改性技術，通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成與其為冶金結合的添料熔覆層。半導體激光器可用于熔覆工藝，實現減少粉末與集體材料的混合以及更少的熱量輸入，進一步提高熔覆工藝的經濟效益。

（5）激光錫焊

錫焊是利用低熔點的金屬焊料加熱熔化后，滲入并充填金屬件連接處間隙的焊接方法，焊料常為錫基合金。目前，輸出功率為100W的半導體激光器已在錫焊中的推廣應用。隨著半導體激光器價格的進一步降低、人工成本的不斷提高及智能制造、精密制造的推進，預計激光錫焊未來將逐步替換傳統的烙鐵焊接，得到大量的應用。

3、半導體激光器在軍事上的應用

小功率的半導體激光器由于自身體積小，壽命長且易于調制的特點，被大量應用與激光制導和激光測距等領域。簡單易行，并且取得了不錯的效果。現在大功率半導體激光器的發展，也使其與軍事領域大放異彩，激光雷達和激光模擬以及深海光通信，都得到了極大的發展。

半導體激光器在軍事上的應用主要包括：高能激光武器泵源，大功率半導體激光器合束直接應用；激光制導，使導彈在激光射束中飛行直至摧毀目標，半導體激光制導多用于地－空導彈、空－空導彈、地－地導彈等；激光測距，主要用于反坦克武器以及航空、航天等領域；激光雷達，用于監測目標，對來襲目標精確定位以及對直升飛機和巡航導彈的地形跟蹤等。制導和測距等應用以大功率脈沖半導體激光器為主，波長集中在904nm波長附近，近年來基于人眼安全考慮，有向長波長發展的趨勢。