高功率半导体激光器的过去与未来

　　二极管泵浦固态和光纤激光器

　　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。

　　市场和应用

　　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。

　　总结

　　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。