高功率半導(dǎo)體激光器的過去與未來

隨著效率和功率的不斷提高，激光二極管將繼續(xù)取代傳統(tǒng)技術(shù)，改變現(xiàn)有事物的處理方式，同時(shí)促生新事物的誕生。

傳統(tǒng)上，經(jīng)濟(jì)學(xué)家認(rèn)為技術(shù)進(jìn)步是一個(gè)漸進(jìn)的過程。最近，行業(yè)更多焦點(diǎn)集中在了能引起不連續(xù)性的顛覆性創(chuàng)新領(lǐng)域。這些創(chuàng)新被稱為通用技術(shù)（GPTs），是“可能對經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域許多方面產(chǎn)生重要影響的深刻的新思想或新技術(shù)”。通用技術(shù)通常需要幾十年的發(fā)展，甚至是更長時(shí)間才能帶來生產(chǎn)率的提高。一開始它們并沒有被很好地理解，即使在技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化之后，生產(chǎn)采用也有一個(gè)長期的滯后。集成電路就是一個(gè)很好的案例。晶體管在20世紀(jì)初期實(shí)現(xiàn)首次展示，但是其廣泛商用直到很晚的后期才實(shí)現(xiàn)。

摩爾定律的創(chuàng)始人之一摩爾（Gordon Moore）在1965年曾預(yù)言，半導(dǎo)體將會以較快的速度發(fā)展，從而“帶來電子學(xué)的普及，并將這一科學(xué)推向許多新的領(lǐng)域”。盡管他做出了大膽而出人意料的準(zhǔn)確預(yù)測，但在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力提高和經(jīng)濟(jì)增長之前，卻經(jīng)過了幾十年的持續(xù)改進(jìn)。

同樣，對高功率半導(dǎo)體激光器戲劇性發(fā)展的認(rèn)識也是有限的。1962年業(yè)界首次演示了電子轉(zhuǎn)換為激光，隨后出現(xiàn)了大量進(jìn)展，這些進(jìn)展都促使電子轉(zhuǎn)換成高產(chǎn)率激光過程的顯著改進(jìn)。這些改進(jìn)能支持一系列重要應(yīng)用，包括光存儲、光網(wǎng)絡(luò)以及廣泛的工業(yè)應(yīng)用等。

回顧這些進(jìn)展以及帶來的眾多改善，都突出強(qiáng)調(diào)了其對于經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域許多方面帶來更大、更普遍影響的可能性。事實(shí)上，隨著高功率半導(dǎo)體激光器的不斷改進(jìn)，重要應(yīng)用的范圍將會加大并對經(jīng)濟(jì)增長帶來深遠(yuǎn)影響。

高功率半導(dǎo)體激光器歷史

1962年9月16日，通用電氣公司的羅伯特·霍爾 （Robert Hall）帶領(lǐng)的研究小組展示了砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體的紅外發(fā)射，這種半導(dǎo)體具有“奇怪的”干涉圖形，意味著相干激光 - 首個(gè)半導(dǎo)體激光器的誕生。霍爾最初認(rèn)為半導(dǎo)體激光器是一個(gè)“遠(yuǎn)射”，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的發(fā)光二極管效率非常低。同時(shí)他對此也持有懷疑態(tài)度，因?yàn)楫?dāng)時(shí)兩年前才被證實(shí)、已經(jīng)存在的激光器，需要“精美的鏡子”。

1962年夏天，霍爾表示，對于麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的效率更高的砷化鎵發(fā)光二極管，他感到相當(dāng)震驚。隨后，他表示很幸運(yùn)能通過一些高質(zhì)量的GaAs材料進(jìn)行測試，并利用他作為一個(gè)業(yè)余天文學(xué)家的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出了一種方法來拋光GaAs芯片邊緣，形成一個(gè)腔體。

霍爾成功的演示是基于輻射在交界面上來回反彈，而不是垂直反彈的設(shè)計(jì)。他謙虛地表示，此前沒有人“碰巧提出這個(gè)想法?！睂?shí)際上，霍爾的設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)幸運(yùn)的巧合，即形成波導(dǎo)的半導(dǎo)體材料也具有同時(shí)限制雙極載流子的性質(zhì)。否則就不可能實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器。通過使用不相似的半導(dǎo)體材料，可以形成平板波導(dǎo)以使光子與載流子重疊。

在通用電氣公司進(jìn)行的這些初步演示是一項(xiàng)重大突破。然而，這些激光器遠(yuǎn)不是實(shí)用的器件，為了促使高功率半導(dǎo)體激光器的誕生，必須實(shí)現(xiàn)不同技術(shù)的融合。關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新始于對直接帶隙半導(dǎo)體材料和晶體生長技術(shù)的理解。

后來的發(fā)展包括雙異質(zhì)結(jié)激光器的發(fā)明和量子阱激光器的后續(xù)發(fā)展。進(jìn)一步增強(qiáng)這些核心技術(shù)的關(guān)鍵在于效率的提高以及腔面鈍化、散熱和封裝技術(shù)的發(fā)展。

亮度

過去幾十年的創(chuàng)新帶來了激動人心的改進(jìn)。特別是，亮度方面的改進(jìn)非常出色。 1985年，當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的高功率半導(dǎo)體激光器可以將105毫瓦的功率耦合到105微米的芯徑光纖中。最先進(jìn)的高功率半導(dǎo)體激光器現(xiàn)在可以產(chǎn)生超過250瓦、擁有單一波長的105微米光纖 - 每八年增長10倍。

摩爾構(gòu)思“將更多元件固定在集成電路上”-隨后，每個(gè)芯片晶體管的數(shù)量每7年增加10倍。巧合的是，高功率半導(dǎo)體激光器以類似的指數(shù)速率將更多的光子融入光纖。

大功率半導(dǎo)體激光器亮度的改進(jìn)促進(jìn)了各種不可預(yù)見技術(shù)的發(fā)展。雖然這一趨勢的延續(xù)還需要更多創(chuàng)新，但有理由相信半導(dǎo)體激光技術(shù)的創(chuàng)新還遠(yuǎn)未完成。人們所熟知的物理學(xué)可以通過持續(xù)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)一步提高半導(dǎo)體激光器的性能。

例如，相比當(dāng)前的量子阱器件而言，量子點(diǎn)增益介質(zhì)可以顯著提高效率。慢軸亮度提供了另一個(gè)數(shù)量級的改進(jìn)潛力。具有改進(jìn)的散熱和擴(kuò)展匹配的新型包裝材料將提供持續(xù)功耗調(diào)整和簡化熱管理所需的增強(qiáng)功能。這些關(guān)鍵發(fā)展將為未來幾十年高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展提供路線圖。

二極管泵浦固態(tài)和光纖激光器

高功率半導(dǎo)體激光器的改進(jìn)使下游激光器技術(shù)的發(fā)展成為可能；在下游激光器技術(shù)領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器被用于激發(fā)（泵浦）摻雜晶體（二極管泵浦固態(tài)激光器）或摻雜光纖（光纖激光器）。

雖然半導(dǎo)體激光器提供高效率，低成本的激光能源，但有其有兩個(gè)關(guān)鍵限制：它們不儲存能量、亮度也有限。基本上這兩種激光器需要用于許多應(yīng)用：其中一個(gè)用于將電轉(zhuǎn)換成激光發(fā)射，另外一個(gè)則用來增強(qiáng)該激光發(fā)射的亮度。

二極管泵浦固體激光器。在二十世紀(jì)八十年代后期，用半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器的應(yīng)用開始在商業(yè)應(yīng)用中逐漸普及。二極管泵浦固體激光器（DPSSL）極大地縮小了熱管理系統(tǒng)（主要是循環(huán)冷卻器）的尺寸和復(fù)雜性，并且獲得了歷來結(jié)合了弧光燈用于泵浦固態(tài)激光晶體的模塊。

半導(dǎo)體激光器波長的選擇是基于它們與固態(tài)激光增益介質(zhì)的光譜吸收特性的重疊來進(jìn)行的；與弧光燈的寬帶發(fā)射光譜相比，極大地降低了熱負(fù)荷。由于1064nm釹基激光器的普及，20多年以來，808nm泵浦波長成為半導(dǎo)體激光器中數(shù)量最大的波長。

隨著多模半導(dǎo)體激光器亮度的提高以及在2000年中期能夠用體布拉格光柵（VBGs）穩(wěn)定窄發(fā)射線寬的能力，實(shí)現(xiàn)了第二代改進(jìn)的二極管泵浦效率。880nm左右的較弱和光譜窄的吸收特征成為了高亮度泵浦二極管的研究熱點(diǎn)，這些二極管能實(shí)現(xiàn)光譜穩(wěn)定。這些更高性能的激光器能夠直接激發(fā)釹中的激光上能級4F3 / 2，減少了量子缺陷，從而改善了平均功率更高的基模提取，否則將會受到熱透鏡的限制。

到2010年初，我們目睹了單橫模1064nm激光器及相關(guān)系列頻率轉(zhuǎn)換激光器在可見光和紫外波段工作的大功率縮放趨勢。由于Nd：YAG和Nd：YVO4較長的高能態(tài)壽命，這些DPSSL的Q開關(guān)操作提供了高脈沖能量和峰值功率，非常適合于燒蝕材料加工和高精度微加工應(yīng)用。

光纖激光器。光纖激光器提供了一種轉(zhuǎn)換高功率半導(dǎo)體激光器亮度的更加有效的方式。盡管波長復(fù)用光學(xué)器件可以將亮度相對較低的半導(dǎo)體激光器轉(zhuǎn)換為較亮的半導(dǎo)體激光器，但這卻是以增加光譜寬度和光學(xué)機(jī)械復(fù)雜度為代價(jià)的。光纖激光器已被證明在光度轉(zhuǎn)換中特別有效。

在20世紀(jì)90年代引入的雙包層光纖使用由多模包層環(huán)繞的單模光纖，可以將更高功率，更低成本的多模半導(dǎo)體泵浦激光器高效地投入光纖，從而創(chuàng)造出一種更經(jīng)濟(jì)的方式來將高功率半導(dǎo)體激光器到轉(zhuǎn)換成更明亮的激光器。對于摻雜鐿（Yb）的光纖而言，該泵浦激發(fā)了以915 nm為中心的寬吸收或976 nm左右的較窄帶特征。隨著泵浦波長接近光纖激光器的激射波長，所謂的量子缺陷就會減少，從而效率最大化，余熱消散量最小化。

光纖激光器和二極管泵浦固體激光器都依賴于二極管激光亮度的改進(jìn)。一般來說，隨著二極管激光器亮度的不斷改善，它們泵浦的激光器功率比例也越來越大。半導(dǎo)體激光器的亮度提升有利于促進(jìn)更高效的亮度轉(zhuǎn)換。

正如我們所期待的那樣，空間和光譜亮度對未來的系統(tǒng)來說將是必要的，這將使固體激光器中具有窄吸收特征的低量子缺陷泵浦和直接半導(dǎo)體激光器應(yīng)用的密集波長多路復(fù)用方案成為可能。

市場和應(yīng)用

高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展使得許多重要的應(yīng)用成為可能。這些激光器已經(jīng)取代了許多傳統(tǒng)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了全新產(chǎn)品類別。

隨著每十年成本和性能10倍以上的提高，高功率半導(dǎo)體激光器以不可預(yù)知的方式破壞了市場的正常運(yùn)行。雖然很難準(zhǔn)確預(yù)測未來的應(yīng)用情況，但回顧過去三十年的發(fā)展歷程，為下一個(gè)十年的發(fā)展提供框架可能性是非常有意義的。

20世紀(jì)80年代：光存儲和最初的小眾應(yīng)用。光存儲是半導(dǎo)體激光器行業(yè)的第一個(gè)大型應(yīng)用。就在霍爾最初展示了紅外半導(dǎo)體激光器之后不久，通用電氣公司的Nick Holonyak也展示了第一個(gè)可見紅光半導(dǎo)體激光器。二十年后，光盤（CD）被推向市場，隨后就出現(xiàn)了光存儲市場。

半導(dǎo)體激光器技術(shù)的不斷創(chuàng)新帶來了注入數(shù)字多功能光盤（DVD）和藍(lán)光光盤（BD）等光存儲技術(shù)的發(fā)展。這是半導(dǎo)體激光器的第一個(gè)大市場，但是通常適度的功率水平將其他應(yīng)用限制在了相對較小的利基市場，如熱敏打印、醫(yī)療應(yīng)用以及精選的航空和國防應(yīng)用等。

20世紀(jì)90年代：光網(wǎng)絡(luò)盛行。在20世紀(jì)90年代，半導(dǎo)體激光器成為通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。半導(dǎo)體激光器被用于通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸信號，但是用于光放大器的較高功率的單模泵浦激光器對于實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；约罢嬲С只ヂ?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的增長是至關(guān)重要的。

其帶來的電信行業(yè)繁榮影響深遠(yuǎn)，以高功率半導(dǎo)體激光器行業(yè)最初的先驅(qū)之一的Spectra Diode Labs (SDL)為例。SDL成立于1983年，由美國Newport集團(tuán)旗下的激光器品牌Spectra-Physics(光譜物理)和施樂(Xerox)合資組建，1995年上市，市值約1億美元。五年后，SDL在電信業(yè)高峰期間以超過400億美元的價(jià)格出售給JDSU，這也是歷史上最大的技術(shù)收購之一。不久之后，電信業(yè)泡沫破滅，摧毀了數(shù)萬億美元的資本，現(xiàn)在被視為歷史上最大的泡沫。

2000年代：激光成為一種工具。雖然電信市場泡沫的破滅極具破壞性，但對大功率半導(dǎo)體激光器的巨額投資為更廣泛的采用奠定了基礎(chǔ)。隨著性能和成本的提高，這些激光器在各種各樣的工藝中開始取代傳統(tǒng)的氣體激光器或其他能量轉(zhuǎn)換源。

半導(dǎo)體激光器已經(jīng)成為廣泛使用的工具。工業(yè)應(yīng)用范圍從傳統(tǒng)的制造工藝（如切割和焊接）到新的先進(jìn)制造技術(shù)（如3D打印金屬部件的增材制造）等。微型制造應(yīng)用更加多樣化，因?yàn)橹T如智能手機(jī)之類的關(guān)鍵產(chǎn)品已經(jīng)通過這些激光器而實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。航空航天和國防應(yīng)用涉及廣泛的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，未來還可能將包括下一代定向能源系統(tǒng)。

總結(jié)

50多年前，摩爾并未提出一個(gè)新的物理基本定律，而是對十年前最初研究過的集成電路提出了極大改進(jìn)。他的預(yù)言持續(xù)了數(shù)十年，并帶來了一系列顛覆性的創(chuàng)新，而這些創(chuàng)新在1965年是不可想象的。

當(dāng)Hall在50多年前展示半導(dǎo)體激光器時(shí)，就引發(fā)了一場技術(shù)革命。與摩爾定律一樣，沒有人能夠預(yù)測大量創(chuàng)新所實(shí)現(xiàn)的高功率半導(dǎo)體激光器亮度隨后帶來的高速發(fā)展。

物理學(xué)中并沒有根本的法則來控制這些技術(shù)改進(jìn)，但是持續(xù)的技術(shù)進(jìn)展可能會推進(jìn)激光器在亮度方面的提升。這種趨勢將會持續(xù)取代傳統(tǒng)技術(shù)，從而進(jìn)一步改變事情的發(fā)展方式。對經(jīng)濟(jì)增長更為重要的是，高功率半導(dǎo)體激光器還將促進(jìn)新事物的誕生。