高功率半导体激光器的过去与未来

来源：中科院半导体所

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，改变现有事物的处理方式，同时促生新事物的诞生。

传统上，经济学家认为技术进步是一个渐进的过程。最近，行业更多焦点集中在了能引起不连续性的颠覆性创新领域。这些创新被称为通用技术（GPTs），是“可能对经济领域许多方面产生重要影响的深刻的新思想或新技术”。通用技术通常需要几十年的发展，甚至是更长时间才能带来生产率的提高。一开始它们并没有被很好地理解，即使在技术实现商业化之后，生产采用也有一个长期的滞后。集成电路就是一个很好的案例。晶体管在20世纪初期实现首次展示，但是其广泛商用直到很晚的后期才实现。

摩尔定律的创始人之一摩尔（Gordon Moore）在1965年曾预言，半导体将会以较快的速度发展，从而“带来电子学的普及，并将这一科学推向许多新的领域”。尽管他做出了大胆而出人意料的准确预测，但在实现生产力提高和经济增长之前，却经过了几十年的持续改进。

同样，对高功率半导体激光器戏剧性发展的认识也是有限的。1962年业界首次演示了电子转换为激光，随后出现了大量进展，这些进展都促使电子转换成高产率激光过程的显著改进。这些改进能支持一系列重要应用，包括光存储、光网络以及广泛的工业应用等。

回顾这些进展以及带来的众多改善，都突出强调了其对于经济领域许多方面带来更大、更普遍影响的可能性。事实上，随着高功率半导体激光器的不断改进，重要应用的范围将会加大并对经济增长带来深远影响。

1962年9月16日，通用电气公司的罗伯特·霍尔 （Robert Hall）带领的研究小组展示了砷化镓（GaAs）半导体的红外发射，这种半导体具有“奇怪的”干涉图形，意味着相干激光 - 首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“远射”，因为当时的发光二极管效率非常低。同时他对此也持有怀疑态度，因为当时两年前才被证实、已经存在的激光器，需要“精美的镜子”。

1962年夏天，霍尔表示，对于麻省理工学院林肯实验室研发的效率更高的砷化镓发光二极管，他感到相当震惊。随后，他表示很幸运能通过一些高质量的GaAs材料进行测试，并利用他作为一个业余天文学家的经验，开发出了一种方法来抛光GaAs芯片边缘，形成一个腔体。

霍尔成功的演示是基于辐射在交界面上来回反弹，而不是垂直反弹的设计。他谦虚地表示，此前没有人“碰巧提出这个想法。”实际上，霍尔的设计本质上是一个幸运的巧合，即形成波导的半导体材料也具有同时限制双极载流子的性质。否则就不可能实现半导体激光器。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重叠。

在通用电气公司进行的这些初步演示是一项重大突破。然而，这些激光器远不是实用的器件，为了促使高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量子阱激光器的后续发展。进一步增强这些核心技术的关键在于效率的提高以及腔面钝化、散热和封装技术的发展。

过去几十年的创新带来了激动人心的改进。特别是，亮度方面的改进非常出色。 1985年，当时最先进的高功率半导体激光器可以将105毫瓦的功率耦合到105微米的芯径光纤中。最先进的高功率半导体激光器现在可以产生超过250瓦、拥有单一波长的105微米光纤 - 每八年增长10倍。

摩尔构思“将更多元件固定在集成电路上”-随后，每个芯片晶体管的数量每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融入光纤（见图1）。

图1. 大功率半导体激光器亮度以及和摩尔定律比较

大功率半导体激光器亮度的改进促进了各种不可预见技术的发展。虽然这一趋势的延续还需要更多创新，但有理由相信半导体激光技术的创新还远未完成。人们所熟知的物理学可以通过持续的技术发展进一步提高半导体激光器的性能。

例如，相比当前的量子阱器件而言，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。具有改进的散热和扩展匹配的新型包装材料将提供持续功耗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。

高功率半导体激光器的改进使下游激光器技术的发展成为可能；在下游激光器技术领域，半导体激光器被用于激发（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率，低成本的激光能源，但有其有两个关键限制：它们不储存能量、亮度也有限。基本上这两种激光器需要用于许多应用：其中一个用于将电转换成激光发射，另外一个则用来增强该激光发射的亮度。

二极管泵浦固体激光器

在二十世纪八十年代后期，用半导体激光器泵浦固体激光器的应用开始在商业应用中逐渐普及。二极管泵浦固体激光器（DPSSL）极大地缩小了热管理系统（主要是循环冷却器）的尺寸和复杂性，并且获得了历来结合了弧光灯用于泵浦固态激光晶体的模块。

半导体激光器波长的选择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进行的；与弧光灯的宽带发射光谱相比，极大地降低了热负荷。由于1064nm钕基激光器的普及，20多年以来，808nm泵浦波长成为半导体激光器中数量最大的波长。

随着多模半导体激光器亮度的提高以及在2000年中期能够用体布拉格光栅（VBGs）稳定窄发射线宽的能力，实现了第二代改进的二极管泵浦效率。880nm左右的较弱和光谱窄的吸收特征成为了高亮度泵浦二极管的研究热点，这些二极管能实现光谱稳定。这些更高性能的激光器能够直接激发钕中的激光上能级4F3 / 2，减少了量子缺陷，从而改善了平均功率更高的基模提取，否则将会受到热透镜的限制。

到2010年初，我们目睹了单横模1064nm激光器及相关系列频率转换激光器在可见光和紫外波段工作的大功率缩放趋势。由于Nd：YAG和Nd：YVO4较长的高能态寿命，这些DPSSL的Q开关操作提供了高脉冲能量和峰值功率，非常适合于烧蚀材料加工和高精度微加工应用。

光纤激光器

光纤激光器提供了一种转换高功率半导体激光器亮度的更加有效的方式。尽管波长复用光学器件可以将亮度相对较低的半导体激光器转换为较亮的半导体激光器，但这却是以增加光谱宽度和光学机械复杂度为代价的。光纤激光器已被证明在光度转换中特别有效。

在20世纪90年代引入的双包层光纤使用由多模包层环绕的单模光纤，可以将更高功率，更低成本的多模半导体泵浦激光器高效地投入光纤，从而创造出一种更经济的方式来将高功率半导体激光器到转换成更明亮的激光器。对于掺杂镱（Yb）的光纤而言，该泵浦激发了以915 nm为中心的宽吸收或976 nm左右的较窄带特征。随着泵浦波长接近光纤激光器的激射波长，所谓的量子缺陷就会减少，从而效率最大化，余热消散量最小化。

光纤激光器和二极管泵浦固体激光器都依赖于二极管激光亮度的改进。一般来说，随着二极管激光器亮度的不断改善，它们泵浦的激光器功率比例也越来越大。半导体激光器的亮度提升有利于促进更高效的亮度转换。

正如我们所期待的那样，空间和光谱亮度对未来的系统来说将是必要的，这将使固体激光器中具有窄吸收特征的低量子缺陷泵浦和直接半导体激光器应用的密集波长多路复用方案成为可能。

高功率半导体激光器的发展使得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，并实现了全新产品类别。

随着每十年成本和性能10倍以上的提高，高功率半导体激光器以不可预知的方式破坏了市场的正常运行。虽然很难准确预测未来的应用情况，但回顾过去三十年的发展历程，为下一个十年的发展提供框架可能性是非常有意义的（见图2）。

图2. 大功率半导体激光器亮度燃料应用（每瓦亮度标准化成本）

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行业的第一个大型应用。就在霍尔最初展示了红外半导体激光器之后不久，通用电气公司的Nick Holonyak也展示了第一个可见红光半导体激光器。二十年后，光盘（CD）被推向市场，随后就出现了光存储市场。

半导体激光器技术的不断创新带来了注入数字多功能光盘（DVD）和蓝光光盘（BD）等光存储技术的发展。这是半导体激光器的第一个大市场，但是通常适度的功率水平将其他应用限制在了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等。

20世纪90年代：

光网络盛行。在20世纪90年代，半导体激光器成为通信网络的关键。半导体激光器被用于通过光纤网络传输信号，但是用于光放大器的较高功率的单模泵浦激光器对于实现光网络的规模化以及真正支持互联网数据的增长是至关重要的。

其带来的电信行业繁荣影响深远，以高功率半导体激光器行业最初的先驱之一的Spectra Diode Labs (SDL)为例。SDL成立于1983年，由美国Newport集团旗下的激光器品牌Spectra-Physics(光谱物理)和施乐(Xerox)合资组建，1995年上市，市值约1亿美元。五年后，SDL在电信业高峰期间以超过400亿美元的价格出售给JDSU，这也是历史上最大的技术收购之一。不久之后，电信业泡沫破灭，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。虽然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采用奠定了基础。随着性能和成本的提高，这些激光器在各种各样的工艺中开始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广泛使用的工具。工业应用范围从传统的制造工艺（如切割和焊接）到新的先进制造技术（如3D打印金属部件的增材制造）等。微型制造应用更加多样化，因为诸如智能手机之类的关键产品已经通过这些激光器而实现了商业化。航空航天和国防应用涉及广泛的关键任务应用，未来还可能将包括下一代定向能源系统。

50多年前，摩尔并未提出一个新的物理基本定律，而是对十年前最初研究过的集成电路提出了极大改进。他的预言持续了数十年，并带来了一系列颠覆性的创新，而这些创新在1965年是不可想象的。

当Hall在50多年前展示半导体激光器时，就引发了一场技术革命。与摩尔定律一样，没有人能够预测大量创新所实现的高功率半导体激光器亮度随后带来的高速发展。

物理学中并没有根本的法则来控制这些技术改进，但是持续的技术进展可能会推进激光器在亮度方面的提升。这种趋势将会持续取代传统技术，从而进一步改变事情的发展方式。对经济增长更为重要的是，高功率半导体激光器还将促进新事物的诞生。