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)”。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“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。”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。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皬?fù)雜的鏡子”。

      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。他回到通用電氣公司，想起來他幸好擁有一些質(zhì)量好的砷化鎵材料來進(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)出了一種方法來拋光GaAs芯片的邊緣，以形成諧振腔。

      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。

半導(dǎo)體激光器的輝煌

      過去幾十年來的這些創(chuàng)新，帶來了令人驚訝的累積改進(jìn)。特別是亮度的改進(jìn)尤其突出。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。基本上許多應(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)4F3/2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。

       舉例來說，比較以下最佳的激光器：其中~5kW的976nm泵浦功率來自于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)于未來的系統(tǒng)來說將非常必要，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)未來的應(yīng)用，但是通過回顧過去三十年來構(gòu)思未來十年的可能性（見圖2），也會(huì)帶來很多啟發(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。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，這是歷史上最大的技術(shù)收購之一。不久之后，電信業(yè)破滅，毀掉了數(shù)萬億美元的資本，現(xiàn)在看來，這可能是歷史上最大的泡沫。

       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。航空航天和國防應(yīng)用涵蓋廣泛的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，未來可能包括下一代定向能系統(tǒng)。

半導(dǎo)體激光器的未來

       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。