高功率半導體激光器的過去和未來

時間:2019-03-19 14:31來源:光粒網作者:yeyan 點擊:
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摘要:隨著效率和功率的不斷提升,激光二極管將繼續取代傳統技術,從而改變事物的制造方式并促成新事物的發展。

關鍵字:激光,激光技術,半導體激光器

  隨著效率和功率的不斷提升,激光二極管將繼續取代傳統技術,從而改變事物的制造方式并促成新事物的發展。
 
  傳統上,經濟學家認為技術進步是一個漸進的過程。最近,人們將更多的重點放在了一些顛覆性創新的作用上。這些創新被稱為通用技術(GPT),指的是“具有對許多經濟領域產生重要影響潛力的深刻的新思想或新技術”。GPT的清晰范例是蒸汽機、電力和集成電路。
 
  通用技術通常需要幾十年的發展,甚至更長時間才能帶來生產力的提升。這些技術一開始通常不會被很好地理解,即使在技術商業化之后,生產應用仍然存在長期滯后。 集成電路是一個很好的研究案例。雖然晶體管在20世紀早期就被首次展示,但是其廣泛的商業化出現得更晚。
 
  摩爾在1965年的短文中預言,半導體將快速發展,這將帶來“電子技術的普及,并將這項科學推向許多新的領域。”盡管摩爾的預測大膽且出人意料的準確,但是半導體技術在實現生產力提升和經濟增長之前,依然耗費了幾十年的時間進行持續改進。
 
  同樣,人們對于高功率半導體激光器的顯著改進的理解也是有限的。通過半導體將電子轉換成激光首先在1962年得以展示,隨后出現了各種各樣的補充性進展,這些進步推動了電子轉化為高生產率激光的巨大進步。這些進展已經支持了從光存儲到光網絡、再到廣泛的工業領域的重要應用。
 
  回顧這些進步及積累的進展,突出顯示了許多經濟領域可能產生甚至更大、更普遍的影響。事實上,隨著高功率半導體激光器的不斷改進,它的應用領域將會加速擴展,并且會對經濟增長帶來深遠影響。
 
  高功率半導體激光器的歷史
 
  1962年9月16日星期日上午,通用電氣研究實驗室的Robert Hall團隊展示了砷化鎵(GaAs)半導體的紅外發射,這種半導體具有表明相干激光的“奇怪”干涉圖案,首個半導體激光器誕生。[3]Hall最初認為半導體激光“成功的希望不大”,因為當時的發光二極管效率非常低。他持懷疑態度也是因為已有的兩年前才展示的激光器需要“復雜的鏡子”。
 
  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院林肯實驗室的效率高得多的砷化鎵發光二極管。[3]他回到通用電氣公司,想起來他幸好擁有一些質量好的砷化鎵材料來進行測試,并利用他作為業余天文學家的經驗,開發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計,使輻射在結平面內來回反射,而不是垂直于它。他謙虛地表示,沒有人“以前偶然發現過這個想法。”事實上,Hall的設計本質上是幸運的巧合,即形成波導的半導體材料也具有同時限制雙極載流子的特性。否則,半導體激光將不可能實現。通過使用不相似的半導體材料,可以形成平板波導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重大突破。然而,這些激光器還遠不是實用的器件,為了實現高功率半導體激光器的前景,必須實現不同技術的融合。關鍵技術創新始于對直接帶隙半導體材料和晶體生長技術理解方面的進步。
 
  之后的發展包括雙異質結激光器的發明,以及量子阱激光器的后續發展。進一步加強這些核心技術的關鍵,在于效率的提升以及面鈍化、散熱和封裝技術的發展。
 
  半導體激光器的輝煌
 
  過去幾十年來的這些創新,帶來了令人驚訝的累積改進。特別是亮度的改進尤其突出。[6]1985年,當時最先進的高功率半導體激光器可以將僅100mW的功率耦合進芯徑105μm的光纖中。現在,最先進的高功率半導體激光器,可以產生超過250W的功率、并耦合進芯徑105μm的光纖中,相當于每八年功率增長10倍。
 
  摩爾推測“集成電路板上將容納更多的電子元件”。隨后,每個芯片的晶體管數量每7年增加10倍。巧合的是,高功率半導體激光器已經以類似的指數速率,將更多的光子耦合進光纖中(見圖1)。
 

高功率半導體激光器的過去和未來
  圖1:高功率半導體激光器的亮度和摩爾定律的比較。
 
  高功率半導體激光器亮度的提升,是各種無法預料的技術進步的結果。雖然需要新的創新來延續這一趨勢,但有理由相信半導體激光技術的創新還遠未走到盡頭。隨著工程的不斷發展,人們所熟知的物理學可以進一步提升半導體激光器的性能。
 
  例如,量子點增益介質有望在當前的量子阱器件上顯著提高效率。慢軸亮度提供了另一個數量級的改進潛力。具有改進的散熱和膨脹匹配的新型封裝材料,將提供持續功率提升和簡化熱管理所需的增強功能。這些關鍵的發展將支持未來幾十年高功率半導體激光器的發展路線圖。
 
  二極管泵浦的固態激光器和光纖激光器
 
  高功率半導體激光器的進步,也使下游激光器技術得到了發展,其中作為典型的是半導體激光器用于激發(泵浦)摻雜晶體(二極管泵浦固態激光器)或摻雜光纖(光纖激光器)。
 
  雖然半導體激光器提供高效、小型、低成本的激光能量,但是它也存在兩個關鍵限制:它們不儲存能量并且其亮度受限?;舊閑磯嚶τ瞇枰杏玫牧街旨す餛?一種用于將電力轉換為激光發射,另一種用于增強該發射的亮度。
 
  二極管泵浦的固態激光器。在二十世紀八十年代晚期,使用半導體激光器泵浦固態激光器開始在商業領域贏得了極大興趣。 二極管泵浦固態激光器(DPSSL)極大地減少了熱管理系統(主要是循環冷卻器)和增益??櫚某嘰綰透叢有?,歷史上增益??樵褂沒」獾評幢悶止燙す餼?。
 
  基于與固態激光器增益介質的光譜吸收特征的交疊,來選擇半導體激光器的波長,這與弧光燈的寬帶發射光譜相比,能顯著降低熱負荷??悸塹椒⑸?064nm波長的釹摻雜激光器的普及,808nm的半導體激光器長成為20多年來半導體激光器生產中產量最大的產品。
 
  隨著多模半導體激光器亮度的提高,以及在本世紀第一個十年中期使用體布拉格光柵(VBG)穩定窄發射線寬的能力成為可能,第二代改進的二極管泵浦效率得以實現。880nm左右的較弱和光譜窄吸收特性,引起了人們對光譜穩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的基模提取,否則將受到熱透鏡的限制。
 
  到本世紀第二個十年早期,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換激光器的顯著功率提升趨勢。鑒于Nd:YAG和Nd:YVO4較長的上能態壽命,這些DPSSL的調Q運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用。
 
  光纖激光器。光纖激光器提供高性價比的方式來轉換高功率半導體激光器的亮度。盡管波長復用光學器件可以將相對低亮度的半導體激光器轉換為更亮的激光器,但這是以增加光譜寬度和光機械復雜性為代價的。光纖激光器已證明在亮度轉換中特別有效。
 
  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的光束質量),相當于0.55W/(mm-mrad)的泵浦亮度。該泵浦光由光纖激光器轉換為~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>20,000倍,或者超過四個數量級!
 
  20世紀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體泵浦激光器導入到光纖中,從而創造出一種更經濟的方法,將高功率半導體激光器轉換為更亮的光源。對于摻鐿(Yb)光纖,泵浦激發以915nm為中心的寬吸收帶,或在976nm附近的較窄吸收帶。隨著泵浦波長接近光纖激光器的激射波長,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步,它們泵浦的激光器的功率也隨之提升。半導體激光器的亮度改進傾向于促進更高效的亮度轉換。
 
  正如我們期待的那樣,空間和光譜亮度對于未來的系統來說將非常必要,這將使固態激光器中窄吸收特征的低量子虧損泵浦、以及用于直接半導體激光器應用的密集波長復用方案成為可能。
 
  市場和應用
 
  高功率半導體激光器的進步,已使得許多重要的應用成為可能。由于高功率半導體激光器的每亮度瓦成本已以指數級降低,這些激光器既取代了舊技術,又使新的產品類別成為可能。
 
  隨著成本和性能每十年改善10倍以上,高功率半導體激光器以無法預料的方式擾動了市場。雖然很難精確地預測未來的應用,但是通過回顧過去三十年來構思未來十年的可能性(見圖2),也會帶來很多啟發。
 

高功率半導體激光器的過去和未來
  圖2:高功率半導體激光亮度的提升,使得應用得以拓展。
 
  20世紀80年代:光存儲和最初的小眾應用。光存儲是半導體激光器的首個大規模應用。Hall最初展示紅外半導體激光器后不久,通用電氣公司的Nick Holonyak就展示了首款可見紅光半導體激光器。在這之后二十年,光盤(CD)進入市場,并啟動了光存儲市場。
 
  半導體激光技術的持續創新帶來了光存儲的發展,如數字多功能光盤(DVD),然后是藍光光盤(BD)。這是半導體激光器的第一大市場,但通常中等的功率水平,使得一些其他應用僅限于相對較小的利基市場,如熱敏打印、醫療應用以及精選的航空和國防應用。
 
  20世紀90年代:光網絡繁榮。在20世紀90年代,半導體激光器成為通信網絡的關鍵。半導體激光器被用于通過光纖網絡傳輸信號,但是用于光學放大器的更高功率的單模泵浦激光器,對于使光網絡經濟地擴展、并真正支持因特網上的數據增長至關重要。
 
  高功率半導體激光器最初的先驅之一Spectra Diode Labs(SDL)是所電信泡沫淹沒的一個例子。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在電信業爆發的高峰期間被JDSU以超過400億美元的價格收購,這是歷史上最大的技術收購之一。 不久之后,電信業破滅,毀掉了數萬億美元的資本,現在看來,這可能是歷史上最大的泡沫。
 
  21世紀:激光作為一種工具。盡管電信業蕭條非常具有破壞性,但高功率半導體激光器的大規模投資,為其被更廣泛的采用奠定了基礎。隨著性能和成本的提升,這些激光器在各種各樣的加工領域,正越來越多地取代傳統的氣體激光器或其他能量轉換源。
 
  基于半導體的激光器已經成為廣泛應用中普遍使用的工具。其工業應用范圍從傳統制造工藝(如切割和焊接)到新的先進制造技術(如用于3D打印金屬部件的增材制造)。微制造應用甚至更加多樣化,因為智能手機等關鍵產品,已通過這些激光器的精確功率傳輸而在商業上變得可行。航空航天和國防應用涵蓋廣泛的關鍵任務應用,未來可能包括下一代定向能系統。
 
  半導體激光器的未來
 
  50多年前,摩爾沒有提出一個新的物理基本定律,而是指出了十多年前最初開始研究的集成電路的發展規律。他的預言持續了數十年,并實現了一系列顛覆性創新,這些在1965年是無法想象的。
 
  當Hall在50多年前展示半導體激光器時,他發起了一場技術革命。與摩爾定律一樣,沒有人能預測到隨后各式各樣的不同創新所帶來的高功率半導體激光器的輝煌成就。
 
  物理學并沒有基本的規律來統治這些改進,但持續的技術進步很可能在輝煌中維持這種指數級的發展。半導體激光器將繼續取代傳統技術,并將進一步改變事物的制造方式。對經濟增長更為重要的是,高功率半導體激光器也將改變可以制造的事物。
 
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