未来十年国内激光器产业前景如何？

激光具有高相干性、方向性、高强度的特质，很容易获得很高的光通量密度，将强的激光束聚焦到介质上，利用激光束与物质相互作用的过程来改变物质的性质，这就是激光加工。

激光加工技术随着光、机电、材料、计算机、控制技术的发展已经逐步发展成为一项新的加工技术。激光加工具有加工对象广、变形小、精度高、节省能源、公害小、远距离加工、自动化加工等显著优点，对提高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、消除污染、减少材料消耗等的作用愈来愈重要。

激光加工主要应用在电子、汽车、机械制造、钢铁冶金、石油、轻工、医疗器械、包装、礼品工业、钟表、民爆、服装、化妆品、烟草、航空航天等行业，而且应用范围越来越扩大，在激光打孔、激光毛化、激光切割、激光焊接、激光热处理、激光打标、激光雕刻、激光测量测距、激光金属探伤等方面已得到广泛应用。

1999年世界激光产品销售约49亿美元, 约合人民币400亿元，并以每年11%以上的速率增长。

1996年至2000年，全球激光加工系统的销售额以年均13%的增长率增长，2001年以来，每年也有12%以上的增长率，而半导体激光器、全固化固体激光器、准分子激光器加工系统增长更快，达23％，这反映出微电子工业、通讯工业及微光机电一体化系统的发展需要非常崭新的加工手段来满足制造上的需求。

从激光加工系统应用来看，以1999年的应用为例：销售额的30％用于激光切割、29％用于激光标记、15％用于激光微加工，13％用于激光焊接、其它应用占9%。

目前，用于激光加工的工业激光器主要有两大类：固体激光器和气体激光器。其中，固体激光器以Nd:YAG 激光器为代表；而气体激光器则以 CO2 激光器为代表。随着激光技术的发展，目前人们也开始在某些加工应用场合使用大功率光纤激光器和大功率半导体激光器。

成都激光加工厂研发制造的 Nd:YAG 激光器的激光工作物质为固态的 Nd:YAG 棒，其激光波长为 1.06μm。由于该种激光器的激光转换效率较低，同时受到 YAG 棒体积和导热率的限制，其激光输出平均功率不高。

但由于 Nd:YAG 激光器可以通过 Q 开关压缩激光输出的脉冲宽度，在以脉冲方式工作时可获得很高的峰值功率（108W），适用于需要高峰值功率的激光加工应用；其另一大优点是可以通过光纤传输，避免了复杂传输光路的设计制作，在三维加工中非常有用。

此外，还可以通过三倍频技术将激光波长转换为 355nm（紫外），激光器和计算机连接，在激光立体扫描、造形技术中得到很好地应用。

CO2 激光器的激光工作物质为 CO2 混合气体，其主要应用的激光波长为 10.6μm。由于该种激光器的激光转换效率较高，同时激光器工作产生的热量可以通过对流或扩散迅速传递到激光增益区之外，其激光输出平均功率可以做到很高的水平（万瓦以上），满足大功率激光加工的要求。

激光加工是未来材料加工应用发展的趋势之一，而 CO2 激光加工一直占激光材料加工中最主要的地位，世界激光市场也以 CO2 激光机器为主力，约占全部的七成左右，每年以百分之十左右的速度增长。近几年来，随着国际和国内整体产业环境的改变，在产业水准提升、专业人员缺乏、自动化需求增加、产品附加价值和加工质量有待提高的压力下，激光加工应用已逐渐被国内产业界接受并采用。

由于我国激光器的研发和制造起步较晚，市场拥有量较低，应用领域越来越广，短期内可维持较高的激光市场增长率，加工应用的市场潜力也很大。

但产业界和工业 CO2 激光的使用者，仍然有许多问题需要去解决，尤其在相关技术人员的养成训练和新的加工应用领域开拓这两方面，更须下大力气。激光激光的前景是广阔的，激光加工手段的不断进步必将带来材料加工领域的一次革命。

半导体激光器的结构和工作原理分析

现以砷化镓(GaAs)激光器为例，介绍注入式同质结激光器的工作原理。

1.注入式同质结激光器的振荡原理。由于半导体材料本身具有特殊晶体结构和电子结构，故形成激光的机理有其特殊性。

(1)半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带(对应较低能量)。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。

(2)掺杂半导体与p-n结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。

有施主能级的半导体称为n型半导体有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n型半导体主要由导带中的电子导电p型半导体主要由价带中的空穴导电。

半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，n型杂质原子数一般为(2-5)× 1018cm-1p型为(1-3)×1019cm-1。

在一块半导体材料中，从p型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。其交界面处将形成一空间电荷区。n型半导体带中电子要向p区扩散，而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散。这样一来，结构附近的n型区由于是施主而带正电，结区附近的p型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由n区指向p区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散。

(3)p-n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。

要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大(如30000A/cm2)。这样在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。

2.半导体激光器结构。其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的p区与n区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于1mm2。

半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-n结平面相垂直的自然解理面(110面)构成，它有35的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95%以上的反射率。

一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合。

半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单，因此，特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。目前已广泛应用于激光通信、测距、雷达、模拟、警戒、引燃引爆和自动控制等方面。

---