文/Manoj Kanskar，Scott Keeney，Robert Martinsen

随着效率和功率的不断提升，激光二极管将继续取代传统技术，从而改变事物的制造方式并促成新事物的发展。

传统上，经济学家认为技术进步是一个渐进的过程。最近，人们将更多的重点放在了一些颠覆性创新的作用上。这些创新被称为通用技术（GPT），指的是“具有对许多经济领域产生重要影响潜力的深刻的新思想或新技术”。[1]GPT的清晰范例是蒸汽机、电力和集成电路。

通用技术通常需要几十年的发展，甚至更长时间才能带来生产力的提升。这些技术一开始通常不会被很好地理解，即使在技术商业化之后，生产应用仍然存在长期滞后。 集成电路是一个很好的研究案例。虽然晶体管在20世纪早期就被首次展示，但是其广泛的商业化出现得更晚。

摩尔在1965年的短文中预言，半导体将快速发展，这将带来“电子技术的普及，并将这项科学推向许多新的领域。”[2]尽管摩尔的预测大胆且出人意料的准确，但是半导体技术在实现生产力提升和经济增长之前，依然耗费了几十年的时间进行持续改进。

同样，人们对于高功率半导体激光器的显著改进的理解也是有限的。通过半导体将电子转换成激光首先在1962年得以展示，随后出现了各种各样的补充性进展，这些进步推动了电子转化为高生产率激光的巨大进步。这些进展已经支持了从光存储到光网络、再到广泛的工业领域的重要应用。

回顾这些进步及积累的进展，突出显示了许多经济领域可能产生甚至更大、更普遍的影响。事实上，随着高功率半导体激光器的不断改进，它的应用领域将会加速扩展，并且会对经济增长带来深远影响。

高功率半导体激光器的历史

1962年9月16日星期日上午，通用电气研究实验室的Robert Hall团队展示了砷化镓（GaAs）半导体的红外发射，这种半导体具有表明相干激光的“奇怪”干涉图案，首个半导体激光器诞生。[3]Hall最初认为半导体激光“成功的希望不大”，因为当时的发光二极管效率非常低。他持怀疑态度也是因为已有的两年前才展示的激光器需要“复杂的镜子”。[2]

1962年夏天，Hall说他被一篇论文“震撼”了，该论文显示了麻省理工学院林肯实验室的效率高得多的砷化镓发光二极管。[3]他回到通用电气公司，想起来他幸好拥有一些质量好的砷化镓材料来进行测试，并利用他作为业余天文学家的经验，开发出了一种方法来抛光GaAs芯片的边缘，以形成谐振腔。[4]

Hall的成功演示是基于他的设计，使辐射在结平面内来回反射，而不是垂直于它。他谦虚地表示，没有人“以前偶然发现过这个想法。”事实上，Hall的设计本质上是幸运的巧合，即形成波导的半导体材料也具有同时限制双极载流子的特性。否则，半导体激光将不可能实现。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交叠。

通用电气公司的这些初步演示是一项重大突破。然而，这些激光器还远不是实用的器件，为了实现高功率半导体激光器的前景，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理解方面的进步。

之后的发展包括双异质结激光器的发明，以及量子阱激光器的后续发展。进一步加强这些核心技术的关键，在于效率的提升以及面钝化、散热和封装技术的发展。[5]

半导体激光器的辉煌

过去几十年来的这些创新，带来了令人惊讶的累积改进。特别是亮度的改进尤其突出。[6]1985年，当时最先进的高功率半导体激光器可以将仅100mW的功率耦合进芯径105μm的光纤中。现在，最先进的高功率半导体激光器，可以产生超过250W的功率、并耦合进芯径105μm的光纤中，相当于每八年功率增长10倍。

摩尔推测“集成电路板上将容纳更多的电子元件”。随后，每个芯片的晶体管数量每7年增加10倍。巧合的是，高功率半导体激光器已经以类似的指数速率，将更多的光子耦合进光纤中（见图1）。

图1：高功率半导体激光器的亮度和摩尔定律的比较。

高功率半导体激光器亮度的提升，是各种无法预料的技术进步的结果。虽然需要新的创新来延续这一趋势，但有理由相信半导体激光技术的创新还远未走到尽头。随着工程的不断发展，人们所熟知的物理学可以进一步提升半导体激光器的性能。

例如，量子点增益介质有望在当前的量子阱器件上显著提高效率。慢轴亮度提供了另一个数量级的改进潜力。具有改进的散热和膨胀匹配的新型封装材料，将提供持续功率提升和简化热管理所需的增强功能。这些关键的发展将支持未来几十年高功率半导体激光器的发展路线图。

二极管泵浦的固态激光器和光纤激光器

高功率半导体激光器的进步，也使下游激光器技术得到了发展，其中作为典型的是半导体激光器用于激发（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、小型、低成本的激光能量，但是它也存在两个关键限制：它们不储存能量并且其亮度受限。基本上许多应用需要有用的两种激光器；一种用于将电力转换为激光发射，另一种用于增强该发射的亮度。

二极管泵浦的固态激光器。在二十世纪八十年代晚期，使用半导体激光器泵浦固态激光器开始在商业领域赢得了极大兴趣。 二极管泵浦固态激光器（DPSSL）极大地减少了热管理系统（主要是循环冷却器）和增益模块的尺寸和复杂性，历史上增益模块曾使用弧光灯来泵浦固态激光晶体。