高功率半导体激光器的过去与未来
时间:2024-07-04
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随着效率和功率的不断提高，激光二极管将继续取代传统技术，改变事物的处理方式，并刺激新事物的诞生。
传统上，经济学家认为技术进步是一个渐进的过程。最近，该行业更加关注可能导致不连续性的颠覆性创新。这些创新被称为通用技术（GPT），是“可能对经济的许多方面产生重大影响的深刻的新想法或技术”。通用技术通常需要几十年的发展时间，甚至更长的时间将提高生产力。起初，人们并没有很好地理解它们。即使在该技术商业化之后，在生产采用方面也存在长期滞后。集成电路就是一个很好的例子。晶体管最早出现在20世纪初，但一直被广泛使用到深夜。
摩尔定律的创始人之一戈登·摩尔在1965年预测，半导体将以更快的速度发展，“将电子技术的普及推向许多新的领域。”尽管他做出了大胆而出乎意料的准确预测，但在实现生产力和经济增长之前，他已经经历了几十年的不断进步。
同样，对高功率半导体激光器的巨大发展的理解也是有限的。1962年，该行业首次证明了电子转化为激光，随后取得了一系列进展，使电子转化为高产量激光工艺的情况得到了显著改善。这些改进可以支持一系列重要应用，包括光存储、光网络和广泛的工业应用。
回顾这些事态发展及其所带来的众多改善，突显出对经济的许多方面产生更大、更广泛影响的可能性。事实上，随着高功率半导体激光器的不断改进，其重要应用范围将扩大，并对经济增长产生深远影响。
高功率半导体激光器历史
1962年9月16日，由通用电气公司的Robert Hall领导的一个团队演示了砷化镓（GaAs）半导体的红外发射，这种半导体具有“奇怪”的干涉图案，意思是相干激光——第一个半导体激光器的诞生。霍尔最初认为，半导体激光器是一个“长机会”，因为当时的发光二极管效率非常低。与此同时，他也对此持怀疑态度，因为两年前被证实并已经存在的激光需要一个“精细的镜子”1962年夏天，Halle说他对麻省理工学院林肯实验室开发的更高效的GaAs发光二极管感到震惊。随后，他说他很幸运能够用一些高质量的GaAs材料进行测试，并利用业余天文学家的经验开发了一种抛光GaAs芯片边缘以形成空腔的方法。
霍尔的成功演示是基于辐射在界面上来回反弹的设计，而不是垂直反弹。他谦虚地说，没有人“碰巧想出这个主意”。事实上，霍尔的设计本质上是一个幸运的巧合，形成波导的半导体材料同时也具有限制双极载流子的特性。否则，就不可能实现半导体激光器。通过使用不同的半导体材料，可以形成平板波导，使光子与载流子重叠。
通用电气的这些初步演示是一个重大突破然而，这些激光器远非实用设备。为了推动大功率半导体激光器的诞生，必须实现不同技术的融合。关键技术创新始于对直接带隙半导体材料和晶体生长技术的理解。
后来的发展包括双异质结激光器的发明和随后量子阱激光器的发展。进一步增强这些核心技术的关键在于效率的提高以及腔钝化、散热和封装技术的发展。
亮度
过去几十年的创新带来了令人兴奋的进步。特别地，亮度的提高是极好的。1985年，最先进的高功率半导体激光器能够将105毫瓦的功率耦合到105微米的芯光纤中。最先进的高功率半导体激光器现在可以生产超过250瓦的105微米光纤单波长-每八年增长10倍。
摩尔设想“将更多的组件固定到集成电路上”——然后，每个芯片的晶体管数量每7年增加10倍。巧合的是，高功率半导体激光器以类似的指数速率将更多的光子引入光纤（见图1）。
图1。大功率半导体激光器的亮度及其与摩尔定律的比较
高功率半导体激光器亮度的提高促进了各种意想不到的技术的发展。尽管这一趋势的延续需要更多的创新，但有理由相信半导体激光技术的创新远未完成。众所周知的物理学可以通过不断的技术发展进一步提高半导体激光器的性能。
例如，与当前的量子阱器件相比，量子点增益介质可以显著提高效率。慢轴亮度提供了另一个数量级的改进潜力。具有改进的热匹配和膨胀匹配的新型包装材料将提供持续功率调整和简化热管理所需的增强功能。这些关键发展将为未来几十年高功率半导体激光器的发展提供路线图。
二极管泵浦的固态和光纤激光器
高功率半导体激光器的改进使下游激光技术的发展成为可能；在下游激光技术中，半导体激光器用于激发（泵浦）掺杂晶体（二极管泵浦的固态激光器）或掺杂光纤（光纤激光器）。
尽管半导体激光器提供高效、低成本的激光能量，但有两个关键限制：它们不储存能量，亮度有限。基本上，这两种激光器需要用于许多应用：一种用于将电转换为激光发射，另一种用于提高激光发射的亮度。二极管泵浦的固态激光器。在20世纪80年代末，使用半导体激光器泵浦固态激光器开始在商业应用中流行起来。二极管泵浦固态激光器（DPSSL）大大降低了热管理系统（主要是再循环冷却器）的尺寸和复杂性，并获得了历史上组合弧光灯用于泵浦固态激光晶体的模块。
半导体激光器的波长是基于它们与固态激光增益介质的光谱吸收特性的重叠来选择的；与弧光灯的宽带发射光谱相比，热负荷大大降低。由于1064nm锗基激光器的普及，808nm泵浦波长已成为半导体激光器中最大的波长20多年。
随着2000年年中多模半导体激光器亮度的提高以及利用体积布拉格光栅（VBG）稳定窄发射极线宽的能力，实现了第二代改进的二极管泵浦效率。880nm附近较弱且光谱窄的吸收特征已成为高亮度泵浦二极管的热点。这些二极管可以实现光谱稳定性。这些更高性能的激光器可以直接激发硅中的激光器的上能级4F3/2，减少量子缺陷，从而改善更高平均基本模的提取，否则这些基本模将受到热透镜的限制。
到2010年初，我们已经见证了在可见光和紫外波段工作的单交叉模式1064nm激光器和相关系列变频激光器的高功率缩放趋势。由于Nd:YAG和Nd:YVO4的高能态寿命更长，这些DPSSL Q开关操作提供了高脉冲能量和峰值功率，使其成为烧蚀材料处理和高精度微机械应用的理想选择。光纤激光器。光纤激光器提供了一种更有效的方式来转换高功率半导体激光器的亮度。尽管波长复用光学器件可以将相对低亮度的半导体激光器转换为更亮的半导体激光器，但这是以增加光谱宽度和光学机械复杂性为代价的。光纤激光器已被证明在光度转换中特别有效。
20世纪90年代引入的双包层光纤使用被多模包层包围的单模光纤，使更高功率、更低成本的多模半导体泵浦激光器能够有效地注入光纤，创造了一种更经济的方式将高功率半导体激光器转换为更亮的激光器。对于掺镱（Yb）光纤，泵浦激发以915nm为中心的宽吸收或976nm附近的窄带特征。当泵浦波长接近光纤激光器的激光波长时，所谓的量子缺陷减少，从而最大化效率并最小化散热量。
光纤激光器和二极管泵浦的固态激光器都依赖于二极管激光器亮度的提高。一般来说，随着二极管激光器的亮度不断提高，它们泵浦的激光功率的比例也在增加。半导体激光器的增加的亮度便于更有效的亮度转换。
正如我们所预期的，空间和光谱亮度将是未来系统所必需的，这将使固态激光器中具有窄吸收特性的低量子缺陷泵浦和直接半导体激光器应用的密集波长复用成为可能。这个计划成为可能。
市场与应用
高功率半导体激光器的发展使许多重要的应用成为可能。这些激光器已经取代了许多传统技术，并实现了新的产品类别。随着成本和性能每十年增长10倍，高功率半导体激光器以不可预测的方式扰乱了市场的正常运作。尽管很难准确预测未来的应用，但回顾过去三十年的发展历史并为未来十年的发展提供框架可能性是非常重要的（见图2）。
图2:高功率半导体激光亮度燃料应用（每瓦亮度的标准化成本）
20世纪80年代：光学存储和最初的利基应用。光存储是半导体激光行业的第一个大规模应用。霍尔首次展示红外半导体激光器后不久，通用电气公司的尼克·霍洛尼亚克也展示了第一台可见红色半导体激光器。20年后，光盘（CD）被引入市场，随后是光盘存储市场。
半导体激光技术的不断创新导致了数字多功能光盘（DVD）和蓝光光盘（BD）等光学存储技术的发展。这是半导体激光器的第一个大市场，但通常功率水平适中，将其他应用限制在相对较小的利基市场，如热打印、医疗应用以及选定的航空航天和国防应用。20世纪90年代：光纤网络盛行。在20世纪90年代，半导体激光器成为通信网络的关键。半导体激光器用于通过光纤网络传输信号，但用于光放大器的更高功率单模泵浦激光器对于实现光网络的规模和真正支持互联网数据的增长至关重要。
它所带来的电信业繁荣是深远的，以高功率半导体激光行业的首批先驱之一的光谱二极管实验室（SDL）为例。SDL成立于1983年，是纽波特集团旗下激光品牌Spectra Physics和Xerox的合资企业。它于1995年推出，市值约为1亿美元。五年后，在电信行业的高峰期，SDL以超过400亿美元的价格卖给了JDSU，在电信业高峰期，这是历史上最大的技术收购之一，价值超过400亿美元。不久之后，电信泡沫破裂，摧毁了数万亿美元的资本，现在被视为历史上最大的泡沫。
2000年代：激光成为一种工具。尽管电信市场泡沫的破灭极具破坏性，但对大功率半导体激光器的巨额投资为更广泛的应用奠定了基础。随着性能和成本的提高，这些激光器开始在各种工艺中取代传统的气体激光器或其他能量转换源。
半导体激光器已经成为一种广泛使用的工具。工业应用范围从传统制造工艺（如切割和焊接）到新的先进制造技术（如3D打印金属零件的增材制造）。微制造应用更加多样化，因为智能手机等关键产品已经用这些激光器实现了商业化。航空航天和国防应用涉及广泛的关键任务应用，未来可能包括下一代定向能系统。
总结
50多年前，摩尔并没有提出新的物理基本定律，而是对十年前首次研究的集成电路进行了巨大的改进。他的预言持续了几十年，并带来了一系列颠覆性的创新，这些创新在1965年是不可想象的。它引发了一场技术革命。正如摩尔定律一样，没有人能够预测通过大量创新实现的高强度半导体激光器随后将经历的高速发展。
物理学中没有控制这些技术进步的基本规则，但持续的技术进步可能会在亮度方面推动激光器的发展。这一趋势将继续取代传统技术，从而进一步改变事物的发展方式。对经济增长更重要的是，大功率半导体激光器也将推动新事物的诞生。
霍尔在50多年前展示半导体激光器时，
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