2022年半導(dǎo)體激光芯片行業(yè)研究報(bào)告

年半導(dǎo)體激光芯片行業(yè)研究報(bào)告激光原理概述激光原理：激光技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代，與原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)并稱20世紀(jì)新四大發(fā)明之一。激光英文全稱是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(LASER)，意為“通過受激輻射光擴(kuò)大”，簡(jiǎn)稱“激光”。激光的原理早在1916年就已被愛因斯坦發(fā)現(xiàn)：原子中的電子吸收能量后從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，再?gòu)母吣芗?jí)回落到低能級(jí)的時(shí)候，所釋放的能量以光子的形式放出。被“引誘”(激發(fā))出來的光子束(激光)，其中的光子光學(xué)特性高度一致。相比由多種顏色、波長(zhǎng)混合的自然光，激光有具有方向性好、亮度高、單色性好及高能量密度等特點(diǎn)，因此也被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”。激光發(fā)展歷史：1916年，愛因斯坦提出了光的受激發(fā)射理論，人類對(duì)激光開始有了認(rèn)知。1958年，美國(guó)科學(xué)家肖洛和湯斯發(fā)現(xiàn)了一種神奇的現(xiàn)象，當(dāng)他們將內(nèi)光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時(shí)，晶體的分子會(huì)發(fā)出鮮艷的、始終會(huì)聚在一起的強(qiáng)光。肖洛和湯斯的研究成果發(fā)表之后，各國(guó)科學(xué)家紛紛提出各種實(shí)驗(yàn)方案，但都未獲成功。1960年5月15日，美國(guó)加利福尼亞州休斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家梅曼宣布獲得了波長(zhǎng)為0.6943微米的激光，這是人類有史以來獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上第一個(gè)將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)家。1960年7月7日，梅曼宣布了世界上第一臺(tái)激光器的誕生，梅曼的方案的是，利用一個(gè)高強(qiáng)閃光燈管來刺激在紅寶石色水晶里的鉻原子，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時(shí)，可使其達(dá)到很高的溫度。前蘇聯(lián)科學(xué)家尼古拉·巴索夫于1960年發(fā)明了半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)通常由P層、N層和形成雙異質(zhì)結(jié)的有源層構(gòu)成，其特點(diǎn)是：尺寸小、耦合效率高、響應(yīng)速度快、波長(zhǎng)和尺寸與光纖尺寸適配、可直接調(diào)制、相干性好。激光器結(jié)構(gòu)激光器一般包括增益介質(zhì)、泵浦源和諧振腔三個(gè)部分。激光器是激光的發(fā)生裝置，主要由激勵(lì)源和具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作介質(zhì)組成。激勵(lì)源為實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生躍遷輻射創(chuàng)造條件，激勵(lì)方式有光學(xué)激勵(lì)、電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)和核能激勵(lì)等。具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作介質(zhì)使受激輻射占主導(dǎo)地位，從而實(shí)現(xiàn)光放大。激光器中常見的組成部分還有諧振腔，諧振腔為關(guān)鍵的組成部分，可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率、相位和運(yùn)行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性，而且諧振腔可以很好地縮短工作物質(zhì)的長(zhǎng)度，還能通過改變諧振腔長(zhǎng)度來調(diào)節(jié)所產(chǎn)生激光的模式。簡(jiǎn)單來說：泵浦源為激光器提供光源，增益介質(zhì)(也稱為工作物質(zhì))吸收泵浦源提供的能量后將光放大，諧振腔為泵浦光源與增益介質(zhì)之間的回路，振腔振蕩選模輸出激光。1)激光工作介質(zhì):增益介質(zhì)用來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系，也被稱為激光增益媒質(zhì)，常用的有紅寶石、鈹玻璃、氖氣、半導(dǎo)體、有機(jī)染料等。在增益介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(高能狀態(tài)的電子增加到對(duì)低能量狀態(tài)電子具有壓倒性優(yōu)勢(shì)的密度)，以制造獲得激光的必要條件。2)激勵(lì)源：泵浦源為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵(lì)原子體系，使處于上能級(jí)的粒子數(shù)增加。一般可以用電流注入或氣體放電的辦法驅(qū)使具有動(dòng)能的電子激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵(lì)；也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵(lì)；還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激勵(lì)方式被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)；為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級(jí)的粒子數(shù)比下能級(jí)多。

3)諧振腔有了合適的工作物質(zhì)和激勵(lì)源后，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強(qiáng)度很弱，無法實(shí)際應(yīng)用。人們就想到了用光學(xué)諧振腔進(jìn)行放大。所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際是在激光器兩端，面對(duì)面裝上兩塊反射率很高的鏡片：一塊幾乎全反射，一塊使大分光反射、少量光透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質(zhì)的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，從部分反射鏡子一端輸出。

激光器分類

激光器可按泵浦方式、增益介質(zhì)、運(yùn)轉(zhuǎn)方式、輸出功率和輸出波長(zhǎng)進(jìn)行分類。

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，根據(jù)《2021年中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》，2020年全球激光器銷售額為160.1億美元。結(jié)構(gòu)上來看，材料加工與光刻、通訊與光存儲(chǔ)、科研和軍事、醫(yī)療和美容、儀器與傳感器及娛樂、顯示與打印占比分別為39.6%、24.5%、13.8%、5.7%、12.6%及3.8%。據(jù)報(bào)告預(yù)測(cè)，2021年全球激光器的總市場(chǎng)規(guī)模為185億美金，市場(chǎng)增長(zhǎng)率為15%，其中半導(dǎo)體激光器(作為固體激光器和光纖激光器等其他激光器的核心泵浦光源或作為直接激光器)，其市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)為79.5億美金(占比43%)，市場(chǎng)增速為18%。我國(guó)激光器行業(yè)發(fā)展迅速、競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)明顯，在全球激光器市場(chǎng)中所占的比重也持續(xù)提升，根據(jù)LaserFocusWorld發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020年，我國(guó)激光器市場(chǎng)規(guī)模為109.1億美元，占全球激光器市場(chǎng)66.12%的份額。

近年來全球工業(yè)激光器市場(chǎng)規(guī)模呈波動(dòng)走勢(shì)，根據(jù)LaserFocusWorld測(cè)算，2020全球工業(yè)激光器市場(chǎng)規(guī)模約為51.57億美元，同比增長(zhǎng)2.4%。從結(jié)構(gòu)上，市場(chǎng)份額最大的是光纖