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高功率半导体激光器的过去和未来
录入时间:2018/3/9 10:41:48

/Manoj KanskarScott KeeneyRobert Martinsen

随着效率和功率的不断提升,激光二极管将继续取代传统技术,从而改变事物的制造方式并促成新事物的发展。

传统上,经济学家认为技术进步是一个渐进的过程。最近,人们将更多的重点放在了一些颠覆性创新的作用上。这些创新被称为通用技术(GPT),指的是“具有对许多经济领域产生重要影响潜力的深刻的新思想或新技术”。[1]GPT的清晰范例是蒸汽机、电力和集成电路。

通用技术通常需要几十年的发展,甚至更长时间才能带来生产力的提升。这些技术一开始通常不会被很好地理解,即使在技术商业化之后,生产应用仍然存在长期滞后。 集成电路是一个很好的研究案例。虽然晶体管在20世纪早期就被首次展示,但是其广泛的商业化出现得更晚。

摩尔在1965年的短文中预言,半导体将快速发展,这将带来“电子技术的普及,并将这项科学推向许多新的领域。”[2]尽管摩尔的预测大胆且出人意料的准确,但是半导体技术在实现生产力提升和经济增长之前,依然耗费了几十年的时间进行持续改进。

同样,人们对于高功率半导体激光器的显著改进的理解也是有限的。通过半导体将电子转换成激光首先在1962年得以展示,随后出现了各种各样的补充性进展,这些进步推动了电子转化为高生产率激光的巨大进步。这些进展已经支持了从光存储到光网络、再到广泛的工业领域的重要应用。

回顾这些进步及积累的进展,突出显示了许多经济领域可能产生甚至更大、更普遍的影响。事实上,随着高功率半导体激光器的不断改进,它的应用领域将会加速扩展,并且会对经济增长带来深远影响。

高功率半导体激光器的历史

1962年9月16日星期日上午,通用电气研究实验室的Robert Hall团队展示了砷化镓(GaAs)半导体的红外发射,这种半导体具有表明相干激光的“奇怪”干涉图案,首个半导体激光器诞生。[3]Hall最初认为半导体激光“成功的希望不大”,因为当时的发光二极管效率非常低。他持怀疑态度也是因为已有的两年前才展示的激光器需要“复杂的镜子”。[2]

1962年夏天,Hall说他被一篇论文“震撼”了,该论文显示了麻省理工学院林肯实验室的效率高得多的砷化镓发光二极管。[3]他回到通用电气公司,想起来他幸好拥有一些质量好的砷化镓材料来进行测试,并利用他作为业余天文学家的经验,开发出了一种方法来抛光GaAs芯片的边缘,以形成谐振腔。[4]

Hall的成功演示是基于他的设计,使辐射在结平面内来回反射,而不是垂直于它。他谦虚地表示,没有人“以前偶然发现过这个想法。”事实上,Hall的设计本质上是幸运的巧合,即形成波导的半导体材料也具有同时限制双极载流子的特性。否则,半导体激光将不可能实现。通过使用不相似的半导体材料,可以形成平板波导以使光子与载流子交叠。

通用电气公司的这些初步演示是一项重大突破。然而,这些激光器还远不是实用的器件,为了实现高功率半导体激光器的前景,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理解方面的进步。

之后的发展包括双异质结激光器的发明,以及量子阱激光器的后续发展。进一步加强这些核心技术的关键,在于效率的提升以及面钝化、散热和封装技术的发展。[5]

 半导体激光器的辉煌

 过去几十年来的这些创新,带来了令人惊讶的累积改进。特别是亮度的改进尤其突出。[6]1985年,当时最先进的高功率半导体激光器可以将仅100mW的功率耦合进芯径105μm的光纤中。现在,最先进的高功率半导体激光器,可以产生超过250W的功率、并耦合进芯径105μm的光纤中,相当于每八年功率增长10倍。

摩尔推测“集成电路板上将容纳更多的电子元件”。随后,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已经以类似的指数速率,将更多的光子耦合进光纤中(见图1)。


图1:高功率半导体激光器的亮度和摩尔定律的比较。


高功率半导体激光器亮度的提升,是各种无法预料的技术进步的结果。虽然需要新的创新来延续这一趋势,但有理由相信半导体激光技术的创新还远未走到尽头。随着工程的不断发展,人们所熟知的物理学可以进一步提升半导体激光器的性能。

例如,量子点增益介质有望在当前的量子阱器件上显著提高效率。慢轴亮度提供了另一个数量级的改进潜力。具有改进的散热和膨胀匹配的新型封装材料,将提供持续功率提升和简化热管理所需的增强功能。这些关键的发展将支持未来几十年高功率半导体激光器的发展路线图。

二极管泵浦的固态激光器和光纤激光器

高功率半导体激光器的进步,也使下游激光器技术得到了发展,其中作为典型的是半导体激光器用于激发(泵浦)掺杂晶体(二极管泵浦固态激光器)或掺杂光纤(光纤激光器)。

虽然半导体激光器提供高效、小型、低成本的激光能量,但是它也存在两个关键限制:它们不储存能量并且其亮度受限。基本上许多应用需要有用的两种激光器;一种用于将电力转换为激光发射,另一种用于增强该发射的亮度。

二极管泵浦的固态激光器。在二十世纪八十年代晚期,使用半导体激光器泵浦固态激光器开始在商业领域赢得了极大兴趣。 二极管泵浦固态激光器(DPSSL)极大地减少了热管理系统(主要是循环冷却器)和增益模块的尺寸和复杂性,历史上增益模块曾使用弧光灯来泵浦固态激光晶体。

基于与固态激光器增益介质的光谱吸收特征的交叠,来选择半导体激光器的波长,这与弧光灯的宽带发射光谱相比,能显著降低热负荷。考虑到发射1064nm波长的钕掺杂激光器的普及,808nm的半导体激光器长成为20多年来半导体激光器生产中产量最大的产品。

随着多模半导体激光器亮度的提高,以及在本世纪第一个十年中期使用体布拉格光栅(VBG)稳定窄发射线宽的能力成为可能,第二代改进的二极管泵浦效率得以实现。880nm左右的较弱和光谱窄吸收特性,引起了人们对光谱稳定的高亮度泵浦二极管的极大兴趣。这些更高性能的激光器使直接泵浦钕的上激光能级4F3/2成为可能,能够减少量子亏损,从而改善平均功率更高时的基模提取,否则将受到热透镜的限制。

到本世纪第二个十年早期,我们目睹了单横模1064nm激光器,以及在可见光和紫外波段工作的其频率转换激光器的显著功率提升趋势。鉴于Nd:YAG和Nd:YVO4较长的上能态寿命,这些DPSSL的调Q运行提供高脉冲能量和高峰值功率,非常适合烧蚀材料加工和高精度微加工应用。

光纤激光器光纤激光器提供高性价比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激光器,但这是以增加光谱宽度和光机械复杂性为代价的。光纤激光器已证明在亮度转换中特别有效。

举例来说,比较以下最佳的激光器:其中~5kW的976nm泵浦功率来自于400μm和0.46NA的光纤(95mm-mrad的光束质量),相当于0.55W/(mm-mrad)的泵浦亮度。该泵浦光由光纤激光器转换为~4kW的1064nm光束,从20μm和0.06NA的光纤输出,其亮度为11,098W/(mm-mrad)。光纤激光器提供的亮度增强>20,000倍,或者超过四个数量级!

20世纪90年代推出的双包层光纤,使用被多模包层包围的单模纤芯,可以有效地将更高功率、更低成本的多模半导体泵浦激光器导入到光纤中,从而创造出一种更经济的方法,将高功率半导体激光器转换为更亮的光源。对于掺镱(Yb)光纤,泵浦激发以915nm为中心的宽吸收带,或在976nm附近的较窄吸收带。随着泵浦波长接近光纤激光器的激射波长,所谓的量子亏损得以减少,从而使效率最大化并且使需要耗散的废热量最小化。

光纤激光器和二极管泵浦固态激光器,都依赖于二极管激光器亮度的提升。一般来说,随着二极管激光器的亮度不断进步,它们泵浦的激光器的功率也随之提升。半导体激光器的亮度改进倾向于促进更高效的亮度转换。

正如我们期待的那样,空间和光谱亮度对于未来的系统来说将非常必要,这将使固态激光器中窄吸收特征的低量子亏损泵浦、以及用于直接半导体激光器应用的密集波长复用方案成为可能。


市场和应用

 高功率半导体激光器的进步,已使得许多重要的应用成为可能。由于高功率半导体激光器的每亮度瓦成本已以指数级降低,这些激光器既取代了旧技术,又使新的产品类别成为可能。

随着成本和性能每十年改善10倍以上,高功率半导体激光器以无法预料的方式扰动了市场。虽然很难精确地预测未来的应用,但是通过回顾过去三十年来构思未来十年的可能性(见图2),也会带来很多启发。


图2:高功率半导体激光亮度的提升,使得应用得以拓展。


20世纪80年代:光存储和最初的小众应用。光存储是半导体激光器的首个大规模应用。Hall最初展示红外半导体激光器后不久,通用电气公司的Nick Holonyak就展示了首款可见红光半导体激光器。在这之后二十年,光盘(CD)进入市场,并启动了光存储市场。

半导体激光技术的持续创新带来了光存储的发展,如数字多功能光盘(DVD),然后是蓝光光盘(BD)。这是半导体激光器的第一大市场,但通常中等的功率水平,使得一些其他应用仅限于相对较小的利基市场,如热敏打印、医疗应用以及精选的航空和国防应用。

20世纪90年代:光网络繁荣。在20世纪90年代,半导体激光器成为通信网络的关键。半导体激光器被用于通过光纤网络传输信号,但是用于光学放大器的更高功率的单模泵浦激光器,对于使光网络经济地扩展、并真正支持因特网上的数据增长至关重要。[7]

高功率半导体激光器最初的先驱之一Spectra Diode Labs(SDL)是所电信泡沫淹没的一个例子。SDL于1983年成立,由Spectra-Physics和施乐公司合资组建,于1995年上市,市值约为1亿美元。五年后,SDL在电信业爆发的高峰期间被JDSU以超过400亿美元的价格收购,这是历史上最大的技术收购之一。 不久之后,电信业破灭,毁掉了数万亿美元的资本,现在看来,这可能是历史上最大的泡沫。[8]

21世纪:激光作为一种工具。尽管电信业萧条非常具有破坏性,但高功率半导体激光器的大规模投资,为其被更广泛的采用奠定了基础。随着性能和成本的提升,这些激光器在各种各样的加工领域,正越来越多地取代传统的气体激光器或其他能量转换源。

基于半导体的激光器已经成为广泛应用中普遍使用的工具。其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(如用于3D打印金属部件的增材制造)。微制造应用甚至更加多样化,因为智能手机等关键产品,已通过这些激光器的精确功率传输而在商业上变得可行。航空航天和国防应用涵盖广泛的关键任务应用,未来可能包括下一代定向能系统。


半导体激光器的未来

 50多年前,摩尔没有提出一个新的物理基本定律,而是指出了十多年前最初开始研究的集成电路的发展规律。他的预言持续了数十年,并实现了一系列颠覆性创新,这些在1965年是无法想象的。

当Hall在50多年前展示半导体激光器时,他发起了一场技术革命。与摩尔定律一样,没有人能预测到随后各式各样的不同创新所带来的高功率半导体激光器的辉煌成就。

物理学并没有基本的规律来统治这些改进,但持续的技术进步很可能在辉煌中维持这种指数级的发展。半导体激光器将继续取代传统技术,并将进一步改变事物的制造方式。对经济增长更为重要的是,高功率半导体激光器也将改变可以制造的事物。


参考文献

1. P. A. David and G. Wright, Gavin, "General purpose technologies and surges in productivity: historical reflections on the future of the ICT revolution," The Economic Future in Historical Perspective, edited by P. A. David and M. Thomas, Oxford University Press for the British Academy (2003).

2. G. Moore, "Cramming more components onto integrated circuits," Electronics, 38, 8, 114 (Apr. 19, 1965).

3. R. N. Hall, G. E. Fenner, J. Kingsley, T. J. Soltys, and R. O. Carlson, Phys. Rev. Lett., 9, 366 (1962).

4. See https://youtu.be/3B1P9ERCaxg.

5. D. F. Welch, IEEE J. select. Topics Quantum Electron., 6, 6 (Nov/Dec. 2000).

6. Brilliance or "Bright Watt," defined as (watt/cm2-sr) or watt/(mm-mrad)2.

7. See https://goo.gl/QmY88o.

8. "The great telecoms crash," The Economist (Jul. 18, 2002); see www.economist.com/node/1234886.




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