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高功率半导体激光器的过去与未来

导读: 随着效率和功率的不断提高,激光二极管将继续取代传统技术,改变现有事物的处理方式,同时促生新事物的诞生。

随着效率和功率的不断提高,激光二极管将继续取代传统技术,改变现有事物的处理方式,同时促生新事物的诞生。

高功率半导体激光器的过去与未来

传统上,经济学家认为技术进步是一个渐进的过程。最近,行业更多焦点集中在了能引起不连续性的颠覆性创新领域。这些创新被称为通用技术(GPTs),是“可能对经济领域许多方面产生重要影响的深刻的新思想或新技术”。通用技术通常需要几十年的发展,甚至是更长时间才能带来生产率的提高。一开始它们并没有被很好地理解,即使在技术实现商业化之后,生产采用也有一个长期的滞后。集成电路就是一个很好的案例。晶体管在20世纪初期实现首次展示,但是其广泛商用直到很晚的后期才实现。

摩尔定律的创始人之一摩尔(Gordon Moore)在1965年曾预言,半导体将会以较快的速度发展,从而“带来电子学的普及,并将这一科学推向许多新的领域”。尽管他做出了大胆而出人意料的准确预测,但在实现生产力提高和经济增长之前,却经过了几十年的持续改进。

同样,对高功率半导体激光器戏剧性发展的认识也是有限的。1962年业界首次演示了电子转换为激光,随后出现了大量进展,这些进展都促使电子转换成高产率激光过程的显著改进。这些改进能支持一系列重要应用,包括光存储、光网络以及广泛的工业应用等。

回顾这些进展以及带来的众多改善,都突出强调了其对于经济领域许多方面带来更大、更普遍影响的可能性。事实上,随着高功率半导体激光器的不断改进,重要应用的范围将会加大并对经济增长带来深远影响。

高功率半导体激光器历史

1962年9月16日,通用电气公司的罗伯特·霍尔 (Robert Hall)带领的研究小组展示了砷化镓(GaAs)半导体的红外发射,这种半导体具有“奇怪的”干涉图形,意味着相干激光 - 首个半导体激光器的诞生。霍尔最初认为半导体激光器是一个“远射”,因为当时的发光二极管效率非常低。同时他对此也持有怀疑态度,因为当时两年前才被证实、已经存在的激光器,需要“精美的镜子”。

1962年夏天,霍尔表示,对于麻省理工学院林肯实验室研发的效率更高的砷化镓发光二极管,他感到相当震惊。随后,他表示很幸运能通过一些高质量的GaAs材料进行测试,并利用他作为一个业余天文学家的经验,开发出了一种方法来抛光GaAs芯片边缘,形成一个腔体。

霍尔成功的演示是基于辐射在交界面上来回反弹,而不是垂直反弹的设计。他谦虚地表示,此前没有人“碰巧提出这个想法。”实际上,霍尔的设计本质上是一个幸运的巧合,即形成波导的半导体材料也具有同时限制双极载流子的性质。否则就不可能实现半导体激光器。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重叠。

在通用电气公司进行的这些初步演示是一项重大突破。然而,这些激光器远不是实用的器件,为了促使高功率半导体激光器的诞生,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的理解。

后来的发展包括双异质结激光器的发明和量子阱激光器的后续发展。进一步增强这些核心技术的关键在于效率的提高以及腔面钝化、散热和封装技术的发展。

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