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高功率半導體激光器的過去與未來

導讀: 隨著效率和功率的不斷提高,激光二極管將繼續取代傳統技術,改變現有事物的處理方式,同時促生新事物的誕生。

? ? ? ? 隨著效率和功率的不斷提高,激光二極管將繼續取代傳統技術,改變現有事物的處理方式,同時促生新事物的誕生。

高功率半導體激光器的過去與未來

? ? ? ? 傳統上,經濟學家認為技術進步是一個漸進的過程。最近,行業更多焦點集中在了能引起不連續性的顛覆性創新領域。這些創新被稱為通用技術(GPTs),是“可能對經濟領域許多方面產生重要影響的深刻的新思想或新技術”。通用技術通常需要幾十年的發展,甚至是更長時間才能帶來生產率的提高。一開始它們并沒有被很好地理解,即使在技術實現商業化之后,生產采用也有一個長期的滯后。集成電路就是一個很好的案例。晶體管在20世紀初期實現首次展示,但是其廣泛商用直到很晚的后期才實現。

? ? ? ? 摩爾定律的創始人之一摩爾(Gordon Moore)在1965年曾預言,半導體將會以較快的速度發展,從而“帶來電子學的普及,并將這一科學推向許多新的領域”。盡管他做出了大膽而出人意料的準確預測,但在實現生產力提高和經濟增長之前,卻經過了幾十年的持續改進。

? ? ? ? 同樣,對高功率半導體激光器戲劇性發展的認識也是有限的。1962年業界首次演示了電子轉換為激光,隨后出現了大量進展,這些進展都促使電子轉換成高產率激光過程的顯著改進。這些改進能支持一系列重要應用,包括光存儲、光網絡以及廣泛的工業應用等。

? ? ? ? 回顧這些進展以及帶來的眾多改善,都突出強調了其對于經濟領域許多方面帶來更大、更普遍影響的可能性。事實上,隨著高功率半導體激光器的不斷改進,重要應用的范圍將會加大并對經濟增長帶來深遠影響。

高功率半導體激光器歷史

1962年9月16日,通用電氣公司的羅伯特·霍爾 (Robert Hall)帶領的研究小組展示了砷化鎵(GaAs)半導體的紅外發射,這種半導體具有“奇怪的”干涉圖形,意味著相干激光 - 首個半導體激光器的誕生。霍爾最初認為半導體激光器是一個“遠射”,因為當時的發光二極管效率非常低。同時他對此也持有懷疑態度,因為當時兩年前才被證實、已經存在的激光器,需要“精美的鏡子”。

? ? ? ? 1962年夏天,霍爾表示,對于麻省理工學院林肯實驗室研發的效率更高的砷化鎵發光二極管,他感到相當震驚。隨后,他表示很幸運能通過一些高質量的GaAs材料進行測試,并利用他作為一個業余天文學家的經驗,開發出了一種方法來拋光GaAs芯片邊緣,形成一個腔體。

? ? ? ? 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計。他謙虛地表示,此前沒有人“碰巧提出這個想法。”實際上,霍爾的設計本質上是一個幸運的巧合,即形成波導的半導體材料也具有同時限制雙極載流子的性質。否則就不可能實現半導體激光器。通過使用不相似的半導體材料,可以形成平板波導以使光子與載流子重疊。

? ? ? ? 在通用電氣公司進行的這些初步演示是一項重大突破。然而,這些激光器遠不是實用的器件,為了促使高功率半導體激光器的誕生,必須實現不同技術的融合。關鍵技術創新始于對直接帶隙半導體材料和晶體生長技術的理解。

? ? ? ? 后來的發展包括雙異質結激光器的發明和量子阱激光器的后續發展。進一步增強這些核心技術的關鍵在于效率的提高以及腔面鈍化、散熱和封裝技術的發展。

亮度

? ? ? ? 過去幾十年的創新帶來了激動人心的改進。特別是,亮度方面的改進非常出色。 1985年,當時最先進的高功率半導體激光器可以將105毫瓦的功率耦合到105微米的芯徑光纖中。最先進的高功率半導體激光器現在可以產生超過250瓦、擁有單一波長的105微米光纖 - 每八年增長10倍。

? ? ? ? 摩爾構思“將更多元件固定在集成電路上”-隨后,每個芯片晶體管的數量每7年增加10倍。巧合的是,高功率半導體激光器以類似的指數速率將更多的光子融入光纖(見圖1)。

高功率半導體激光器的過去與未來

圖1. 大功率半導體激光器亮度以及和摩爾定律比較

? ? ? ? ?大功率半導體激光器亮度的改進促進了各種不可預見技術的發展。雖然這一趨勢的延續還需要更多創新,但有理由相信半導體激光技術的創新還遠未完成。人們所熟知的物理學可以通過持續的技術發展進一步提高半導體激光器的性能。

? ? ? ? 例如,相比當前的量子阱器件而言,量子點增益介質可以顯著提高效率。慢軸亮度提供了另一個數量級的改進潛力。具有改進的散熱和擴展匹配的新型包裝材料將提供持續功耗調整和簡化熱管理所需的增強功能。這些關鍵發展將為未來幾十年高功率半導體激光器的發展提供路線圖。

二極管泵浦固態和光纖激光器

? ? ? ? 高功率半導體激光器的改進使下游激光器技術的發展成為可能;在下游激光器技術領域,半導體激光器被用于激發(泵浦)摻雜晶體(二極管泵浦固態激光器)或摻雜光纖(光纖激光器)。

? ? ? ? 雖然半導體激光器提供高效率,低成本的激光能源,但有其有兩個關鍵限制: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用:其中一個用于將電轉換成激光發射,另外一個則用來增強該激光發射的亮度。

? ? ? ? 二極管泵浦固體激光器。在二十世紀八十年代后期,用半導體激光器泵浦固體激光器的應用開始在商業應用中逐漸普及。二極管泵浦固體激光器(DPSSL)極大地縮小了熱管理系統(主要是循環冷卻器)的尺寸和復雜性,并且獲得了歷來結合了弧光燈用于泵浦固態激光晶體的模塊。

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

? ? ? ? 隨著多模半導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)穩定窄發射線寬的能力,實現了第二代改進的二極管泵浦效率。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,這些二極管能實現光譜穩定。這些更高性能的激光器能夠直接激發釹中的激光上能級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激光器及相關系列頻率轉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較長的高能態壽命,這些DPSSL的Q開關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用。

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

? ? ? ? 在20世紀90年代引入的雙包層光纖使用由多模包層環繞的單模光纖,可以將更高功率,更低成本的多模半導體泵浦激光器高效地投入光纖,從而創造出一種更經濟的方式來將高功率半導體激光器到轉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。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。半導體激光器的亮度提升有利于促進更高效的亮度轉換。

? ? ? ? 正如我們所期待的那樣,空間和光譜亮度對未來的系統來說將是必要的,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體激光器應用的密集波長多路復用方案成為可能。

市場和應用

? ? ? ? 高功率半導體激光器的發展使得許多重要的應用成為可能。這些激光器已經取代了許多傳統技術,并實現了全新產品類別。

? ? ? ? 隨著每十年成本和性能10倍以上的提高,高功率半導體激光器以不可預知的方式破壞了市場的正常運行。雖然很難準確預測未來的應用情況,但回顧過去三十年的發展歷程,為下一個十年的發展提供框架可能性是非常有意義的(見圖2)。

高功率半導體激光器的過去與未來

圖2. 大功率半導體激光器亮度燃料應用(每瓦亮度標準化成本)

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

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

? ? ? ? 20世紀90年代:光網絡盛行。在20世紀90年代,半導體激光器成為通信網絡的關鍵。半導體激光器被用于通過光纖網絡傳輸信號,但是用于光放大器的較高功率的單模泵浦激光器對于實現光網絡的規模化以及真正支持互聯網數據的增長是至關重要的。

? ? ? ? 其帶來的電信行業繁榮影響深遠,以高功率半導體激光器行業最初的先驅之一的Spectra Diode Labs (SDL)為例。SDL成立于1983年,由美國Newport集團旗下的激光器品牌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在電信業高峰期間以超過400億美元的價格出售給JDSU,這也是歷史上最大的技術收購之一。不久之后,電信業泡沫破滅,摧毀了數萬億美元的資本,現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,但對大功率半導體激光器的巨額投資為更廣泛的采用奠定了基礎。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的氣體激光器或其他能量轉換源。

? ? ? ? 半導體激光器已經成為廣泛使用的工具。工業應用范圍從傳統的制造工藝(如切割和焊接)到新的先進制造技術(如3D打印金屬部件的增材制造)等。微型制造應用更加多樣化,因為諸如智能手機之類的關鍵產品已經通過這些激光器而實現了商業化。航空航天和國防應用涉及廣泛的關鍵任務應用,未來還可能將包括下一代定向能源系統。

總結

? ? ? ? 50多年前,摩爾并未提出一個新的物理基本定律,而是對十年前最初研究過的集成電路提出了極大改進。他的預言持續了數十年,并帶來了一系列顛覆性的創新,而這些創新在1965年是不可想象的。

? ? ? ? 當Hall在50多年前展示半導體激光器時,就引發了一場技術革命。與摩爾定律一樣,沒有人能夠預測大量創新所實現的高功率半導體激光器亮度隨后帶來的高速發展。

? ? ? ? 物理學中并沒有根本的法則來控制這些技術改進,但是持續的技術進展可能會推進激光器在亮度方面的提升。這種趨勢將會持續取代傳統技術,從而進一步改變事情的發展方式。對經濟增長更為重要的是,高功率半導體激光器還將促進新事物的誕生。

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