文/Manoj Kanskar，Scott Keeney，Robert Martinsen

隨著效率和功率的不斷提升，激光二極管將繼續(xù)取代傳統(tǒng)技術(shù)，從而改變事物的制造方式并促成新事物的發(fā)展。

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，人們將更多的重點(diǎn)放在了一些顛覆性創(chuàng)新的作用上。這些創(chuàng)新被稱為通用技術(shù)（GPT），指的是“具有對(duì)許多經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響潛力的深刻的新思想或新技術(shù)”。^[1]GPT的清晰范例是蒸汽機(jī)、電力和集成電路。

通用技術(shù)通常需要幾十年的發(fā)展，甚至更長(zhǎng)時(shí)間才能帶來(lái)生產(chǎn)力的提升。這些技術(shù)一開始通常不會(huì)被很好地理解，即使在技術(shù)商業(yè)化之后，生產(chǎn)應(yīng)用仍然存在長(zhǎng)期滯后。 集成電路是一個(gè)很好的研究案例。雖然晶體管在20世紀(jì)早期就被首次展示，但是其廣泛的商業(yè)化出現(xiàn)得更晚。

摩爾在1965年的短文中預(yù)言，半導(dǎo)體將快速發(fā)展，這將帶來(lái)“電子技術(shù)的普及，并將這項(xiàng)科學(xué)推向許多新的領(lǐng)域。”^[2]盡管摩爾的預(yù)測(cè)大膽且出人意料的準(zhǔn)確，但是半導(dǎo)體技術(shù)在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力提升和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之前，依然耗費(fèi)了幾十年的時(shí)間進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

同樣，人們對(duì)于高功率半導(dǎo)體激光器的顯著改進(jìn)的理解也是有限的。通過半導(dǎo)體將電子轉(zhuǎn)換成激光首先在1962年得以展示，隨后出現(xiàn)了各種各樣的補(bǔ)充性進(jìn)展，這些進(jìn)步推動(dòng)了電子轉(zhuǎn)化為高生產(chǎn)率激光的巨大進(jìn)步。這些進(jìn)展已經(jīng)支持了從光存儲(chǔ)到光網(wǎng)絡(luò)、再到廣泛的工業(yè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用。

回顧這些進(jìn)步及積累的進(jìn)展，突出顯示了許多經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域可能產(chǎn)生甚至更大、更普遍的影響。事實(shí)上，隨著高功率半導(dǎo)體激光器的不斷改進(jìn)，它的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)��?huì)加速擴(kuò)展，并且會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。

高功率半導(dǎo)體激光器的歷史

1962年9月16日星期日上午，通用電氣研究實(shí)驗(yàn)室的Robert Hall團(tuán)隊(duì)展示了砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體的紅外發(fā)射，這種半導(dǎo)體具有表明相干激光的“奇怪”干涉圖案，首個(gè)半導(dǎo)體激光器誕生。^[3]Hall最初認(rèn)為半導(dǎo)體激光“成功的希望不大”，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的發(fā)光二極管效率非常低。他持懷疑態(tài)度也是因?yàn)橐延械膬赡昵安耪故镜募す馄餍枰?ldquo;復(fù)雜的鏡子”。^[2]

1962年夏天，Hall說他被一篇論文“震撼”了，該論文顯示了麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的效率高得多的砷化鎵發(fā)光二極管。^[3]他回到通用電氣公司，想起來(lái)他幸好擁有一些質(zhì)量好的砷化鎵材料來(lái)進(jìn)行測(cè)試，并利用他作為業(yè)余天文學(xué)家的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出了一種方法來(lái)拋光GaAs芯片的邊緣，以形成諧振腔。^[4]

Hall的成功演示是基于他的設(shè)計(jì)，使輻射在結(jié)平面內(nèi)來(lái)回反射，而不是垂直于它。他謙虛地表示，沒有人“以前偶然發(fā)現(xiàn)過這個(gè)想法。”事實(shí)上，Hall的設(shè)計(jì)本質(zhì)上是幸運(yùn)的巧合，即形成波導(dǎo)的半導(dǎo)體材料也具有同時(shí)限制雙極載流子的特性。否則，半導(dǎo)體激光將不可能實(shí)現(xiàn)。通過使用不相似的半導(dǎo)體材料，可以形成平板波導(dǎo)以使光子與載流子交疊。

通用電氣公司的這些初步演示是一項(xiàng)重大突破。然而，這些激光器還遠(yuǎn)不是實(shí)用的器件，為了實(shí)現(xiàn)高功率半導(dǎo)體激光器的前景，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(duì)直接帶隙半導(dǎo)體材料和晶體生長(zhǎng)技術(shù)理解方面的進(jìn)步。

之后的發(fā)展包括雙異質(zhì)結(jié)激光器的發(fā)明，以及量子阱激光器的后續(xù)發(fā)展。進(jìn)一步加強(qiáng)這些核心技術(shù)的關(guān)鍵，在于效率的提升以及面鈍化、散熱和封裝技術(shù)的發(fā)展。^[5]

 半導(dǎo)體激光器的輝煌

 過去幾十年來(lái)的這些創(chuàng)新，帶來(lái)了令人驚訝的累積改進(jìn)。特別是亮度的改進(jìn)尤其突出。^[6]1985年，當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的高功率半導(dǎo)體激光器可以將僅100mW的功率耦合進(jìn)芯徑105μm的光纖中�，F(xiàn)在，最先進(jìn)的高功率半導(dǎo)體激光器，可以產(chǎn)生超過250W的功率、并耦合進(jìn)芯徑105μm的光纖中，相當(dāng)于每八年功率增長(zhǎng)10倍。

摩爾推測(cè)“集成電路板上將容納更多的電子元件”。隨后，每個(gè)芯片的晶體管數(shù)量每7年增加10倍。巧合的是，高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)以類似的指數(shù)速率，將更多的光子耦合進(jìn)光纖中（見圖1）。

圖1：高功率半導(dǎo)體激光器的亮度和摩爾定律的比較。

高功率半導(dǎo)體激光器亮度的提升，是各種無(wú)法預(yù)料的技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。雖然需要新的創(chuàng)新來(lái)延續(xù)這一趨勢(shì)，但有理由相信半導(dǎo)體激光技術(shù)的創(chuàng)新還遠(yuǎn)未走到盡頭。隨著工程的不斷發(fā)展，人們所熟知的物理學(xué)可以進(jìn)一步提升半導(dǎo)體激光器的性能。

例如，量子點(diǎn)增益介質(zhì)有望在當(dāng)前的量子阱器件上顯著提高效率。慢軸亮度提供了另一個(gè)數(shù)量級(jí)的改進(jìn)潛力。具有改進(jìn)的散熱和膨脹匹配的新型封裝材料，將提供持續(xù)功率提升和簡(jiǎn)化熱管理所需的增強(qiáng)功能。這些關(guān)鍵的發(fā)展將支持未來(lái)幾十年高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展路線圖。

二極管泵浦的固態(tài)激光器和光纖激光器

高功率半導(dǎo)體激光器的進(jìn)步，也使下游激光器技術(shù)得到了發(fā)展，其中作為典型的是半導(dǎo)體激光器用于激發(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、小型、低成本的激光能量，但是它也存在兩個(gè)關(guān)鍵限制：它們不儲(chǔ)存能量并且其亮度受限�；�本上許多應(yīng)用需要有用的兩種激光器；一種用于將電力轉(zhuǎn)換為激光發(fā)射，另一種用于增強(qiáng)該發(fā)射的亮度。

二極管泵浦的固態(tài)激光器。在二十世紀(jì)八十年代晚期，使用半導(dǎo)體激光器泵浦固態(tài)激光器開始在商業(yè)領(lǐng)域贏得了極大興趣。 二極管泵浦固態(tài)激光器（DPSSL）極大地減少了熱管理系統(tǒng)（主要是循環(huán)冷卻器）和增益模塊的尺寸和復(fù)雜性，歷史上增益模塊曾使用弧光燈來(lái)泵浦固態(tài)激光晶體。

基于與固態(tài)激光器增益介質(zhì)的光譜吸收特征的交疊，來(lái)選擇半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)，這與弧光燈的寬帶發(fā)射光譜相比，能顯著降低熱負(fù)荷。考慮到發(fā)射1064nm波長(zhǎng)的釹摻雜激光器的普及，808nm的半導(dǎo)體激光器長(zhǎng)成為20多年來(lái)半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品。

隨著多模半導(dǎo)體激光器亮度的提高，以及在本世紀(jì)第一個(gè)十年中期使用體布拉格光柵（VBG）穩(wěn)定窄發(fā)射線寬的能力成為可能，第二代改進(jìn)的二極管泵浦效率得以實(shí)現(xiàn)。880nm左右的較弱和光譜窄吸收特性，引起了人們對(duì)光譜穩(wěn)定的高亮度泵浦二極管的極大興趣。這些更高性能的激光器使直接泵浦釹的上激光能級(jí)⁴F_3/2成為可能，能夠減少量子虧損，從而改善平均功率更高時(shí)的基模提取，否則將受到熱透鏡的限制。

到本世紀(jì)第二個(gè)十年早期，我們目睹了單橫模1064nm激光器，以及在可見光和紫外波段工作的其頻率轉(zhuǎn)換激光器的顯著功率提升趨勢(shì)。鑒于Nd：YAG和Nd：YVO₄較長(zhǎng)的上能態(tài)壽命，這些DPSSL的調(diào)Q運(yùn)行提供高脈沖能量和高峰值功率，非常適合燒蝕材料加工和高精度微加工應(yīng)用。

光纖激光器。光纖激光器提供高性價(jià)比的方式來(lái)轉(zhuǎn)換高功率半導(dǎo)體激光器的亮度。盡管波長(zhǎng)復(fù)用光學(xué)器件可以將相對(duì)低亮度的半導(dǎo)體激光器轉(zhuǎn)換為更亮的激光器，但這是以增加光譜寬度和光機(jī)械復(fù)雜性為代價(jià)的。光纖激光器已證明在亮度轉(zhuǎn)換中特別有效。

舉例來(lái)說，比較以下最佳的激光器：其中~5kW的976nm泵浦功率來(lái)自于400μm和0.46NA的光纖（95mm-mrad的光束質(zhì)量），相當(dāng)于0.55W/(mm-mrad)的泵浦亮度。該泵浦光由光纖激光器轉(zhuǎn)換為~4kW的1064nm光束，從20μm和0.06NA的光纖輸出，其亮度為11,098W/(mm-mrad)。光纖激光器提供的亮度增強(qiáng)>20,000倍，或者超過四個(gè)數(shù)量級(jí)！

20世紀(jì)90年代推出的雙包層光纖，使用被多模包層包圍的單模纖芯，可以有效地將更高功率、更低成本的多模半導(dǎo)體泵浦激光器導(dǎo)入到光纖中，從而創(chuàng)造出一種更經(jīng)濟(jì)的方法，將高功率半導(dǎo)體激光器轉(zhuǎn)換為更亮的光源。對(duì)于摻鐿（Yb）光纖，泵浦激發(fā)以915nm為中心的寬吸收帶，或在976nm附近的較窄吸收帶。隨著泵浦波長(zhǎng)接近光纖激光器的激射波長(zhǎng)，所謂的量子虧損得以減少，從而使效率最大化并且使需要耗散的廢熱量最小化。

光纖激光器和二極管泵浦固態(tài)激光器，都依賴于二極管激光器亮度的提升。一般來(lái)說，隨著二極管激光器的亮度不斷進(jìn)步，它們泵浦的激光器的功率也隨之提升。半導(dǎo)體激光器的亮度改進(jìn)傾向于促進(jìn)更高效的亮度轉(zhuǎn)換。

正如我們期待的那樣，空間和光譜亮度對(duì)于未來(lái)的系統(tǒng)來(lái)說將非常必要，這將使固態(tài)激光器中窄吸收特征的低量子虧損泵浦、以及用于直接半導(dǎo)體激光器應(yīng)用的密集波長(zhǎng)復(fù)用方案成為可能。

市場(chǎng)和應(yīng)用

 高功率半導(dǎo)體激光器的進(jìn)步，已使得許多重要的應(yīng)用成為可能。由于高功率半導(dǎo)體激光器的每亮度瓦成本已以指數(shù)級(jí)降低，這些激光器既取代了舊技術(shù)，又使新的產(chǎn)品類別成為可能。

隨著成本和性能每十年改善10倍以上，高功率半導(dǎo)體激光器以無(wú)法預(yù)料的方式擾動(dòng)了市場(chǎng)。雖然很難精確地預(yù)測(cè)未來(lái)的應(yīng)用，但是通過回顧過去三十年來(lái)構(gòu)思未來(lái)十年的可能性（見圖2），也會(huì)帶來(lái)很多啟發(fā)。

圖2：高功率半導(dǎo)體激光亮度的提升，使得應(yīng)用得以拓展。

20世紀(jì)80年代：光存儲(chǔ)和最初的小眾應(yīng)用。光存儲(chǔ)是半導(dǎo)體激光器的首個(gè)大規(guī)模應(yīng)用。Hall最初展示紅外半導(dǎo)體激光器后不久，通用電氣公司的Nick Holonyak就展示了首款可見紅光半導(dǎo)體激光器。在這之后二十年，光盤（CD）進(jìn)入市場(chǎng)，并啟動(dòng)了光存儲(chǔ)市場(chǎng)。

半導(dǎo)體激光技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新帶來(lái)了光存儲(chǔ)的發(fā)展，如數(shù)字多功能光盤（DVD），然后是藍(lán)光光盤（BD）。這是半導(dǎo)體激光器的第一大市場(chǎng)，但通常中等的功率水平，使得一些其他應(yīng)用僅限于相對(duì)較小的利基市場(chǎng)，如熱敏打印、醫(yī)療應(yīng)用以及精選的航空和國(guó)防應(yīng)用。

20世紀(jì)90年代：光網(wǎng)絡(luò)繁榮。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(hào)，但是用于光學(xué)放大器的更高功率的單模泵浦激光器，對(duì)于使光網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)展、并真正支持因特網(wǎng)上的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)至關(guān)重要。^[7]

高功率半導(dǎo)體激光器最初的先驅(qū)之一Spectra Diode Labs（SDL）是所電信泡沫淹沒的一個(gè)例子。SDL于1983年成立，由Spectra-Physics和施樂公司合資組建，于1995年上市，市值約為1億美元。五年后，SDL在電信業(yè)爆發(fā)的高峰期間被JDSU以超過400億美元的價(jià)格收購(gòu)，這是歷史上最大的技術(shù)收購(gòu)之一。 不久之后，電信業(yè)破滅，毀掉了數(shù)萬(wàn)億美元的資本，現(xiàn)在看來(lái)，這可能是歷史上最大的泡沫。^[8]

21世紀(jì)：激光作為一種工具。盡管電信業(yè)蕭條非常具有破壞性，但高功率半導(dǎo)體激光器的大規(guī)模投資，為其被更廣泛的采用奠定了基礎(chǔ)。隨著性能和成本的提升，這些激光器在各種各樣的加工領(lǐng)域，正越來(lái)越多地取代傳統(tǒng)的氣體激光器或其他能量轉(zhuǎn)換源。

基于半導(dǎo)體的激光器已經(jīng)成為廣泛應(yīng)用中普遍使用的工具。其工業(yè)應(yīng)用范圍從傳統(tǒng)制造工藝（如切割和焊接）到新的先進(jìn)制造技術(shù)（如用于3D打印金屬部件的增材制造）。微制造應(yīng)用甚至更加多樣化，因?yàn)橹悄苁謾C(jī)等關(guān)鍵產(chǎn)品，已通過這些激光器的精確功率傳輸而在商業(yè)上變得可行。航空航天和國(guó)防應(yīng)用涵蓋廣泛的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，未來(lái)可能包括下一代定向能系統(tǒng)。

半導(dǎo)體激光器的未來(lái)

 50多年前，摩爾沒有提出一個(gè)新的物理基本定律，而是指出了十多年前最初開始研究的集成電路的發(fā)展規(guī)律。他的預(yù)言持續(xù)了數(shù)十年，并實(shí)現(xiàn)了一系列顛覆性創(chuàng)新，這些在1965年是無(wú)法想象的。

當(dāng)Hall在50多年前展示半導(dǎo)體激光器時(shí)，他發(fā)起了一場(chǎng)技術(shù)革命。與摩爾定律一樣，沒有人能預(yù)測(cè)到隨后各式各樣的不同創(chuàng)新所帶來(lái)的高功率半導(dǎo)體激光器的輝煌成就。

物理學(xué)并沒有基本的規(guī)律來(lái)統(tǒng)治這些改進(jìn)，但持續(xù)的技術(shù)進(jìn)步很可能在輝煌中維持這種指數(shù)級(jí)的發(fā)展。半導(dǎo)體激光器將繼續(xù)取代傳統(tǒng)技術(shù)，并將進(jìn)一步改變事物的制造方式。對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)更為重要的是，高功率半導(dǎo)體激光器也將改變可以制造的事物。

參考文獻(xiàn)

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.