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2007年激光光电子行业热点技术回顾

2008-04-01 17:43
铁马老言
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传统激光行业中的大部分主要厂商都在2007年宣布进军光纤激光器市场,有的甚至推出了具体产品,这堪称是2007年度行业内发生的一个重大事件。

作者:Hassaun A. Jones-Bey



光纤激光器技术的诞生,在很大程度上得益于电信时代的研发成果,它既是传统激光应用的一个竞争者,同时也是将激光技术向新的应用领域扩展的一种手段,它的出现也使整个行业内充满的挑战更具吸引力(见图1)。


图1. 光纤激光器正在向广泛多样的应用领域进军。
英国的Finanium公司为生物医学应用设计了一
台光纤激光器超连续谱光源,它集成了一个
声光可调谐滤波器和多波段射频器,
最多可允许八个独立的波长带被同时或顺序选择

光纤激光器并没有重新定义它所服务的市场,也不再强调传统上构成激光器开发与设计基础的光学方法,它以这种方式重新定义了“激光技术”。同时,有机发光器件、量子点以及硅光电子器件方面所取得的新进展,似乎也被认为是正在重新定义激光技术,而且光纤激光器似乎也可以用在传统的激光应用领域,因此对那些将重资投在利用传统方法满足传统应用的已有产业形成了极大的挑战。

不管目前光纤激光器技术迅速发展的最终结果如何,仅传统激光行业中大部分主要厂商都宣布了本年度的光纤激光器计划与产品这一事实,便可以作为2007年度行业内发生的一件大事来记录了。那么,光纤激光器对于整个激光行业的意义会像能源行业中从化石到可再生能源的转变那样重大吗?仅仅是单独的光纤激光器不会有如此重大的意义,但是2007年出现及改进的光源与探测器技术还包括量子点、硅光电子器件、有机发光器件和固态紫外光源,而以上技术的结合,将意味着21世纪末的激光产业将与20世纪末的情形大相径庭。言归正传,根据2007年的技术发展水平,目前激光技术已经能为很多实际问题提供解决方案了。

处处有光纤
2007年1月,Newport公司宣布在其光谱物理激光器分公司成立了一个新的光纤激光器企业集团。四个月后便发布了一款采用锁模激光器作为种子源的主振光纤功率放大(MOPFA)二极管泵浦固态激光器,其输出的355nm皮秒脉冲功率为12W、重复频率为80MHz。该设备主要针对精密切割、划片、雕刻以及消融等OEM加工市场,以满足微电子和工业制造市场中新涌现出的和现有的应用需求,如半导体、太阳能电池、汽车以及平板显示器等领域。

同样也是在2007年1月,英国光纤激光器制造商IPG Photonics公司在经过了它作为上市公司的第一个完整年度、实现了23%的年度收入增长后,推出了一套用于高速点焊和钻孔的工业扫描系统,它将光纤激光器技术和Reliant Technologies公司开发的加工技术结合起来,用于制造医疗设备。该工业用扫描器以高达5kHz的频率在程序预定的位置提供短暂的停留时间,并且可以通过编程将医学级热管理应用到计算机、消费电子以及航空产品的制造过程中。

此外,英国的光纤激光器制造商SPI Lasers公司在2007年宣布其进入了一个新的应用领域——钻石加工(见图2),该公司2007年的销售额与2006年同期相比增长了100%。

 


图2. 光纤激光器正在开拓新的应用领域, 如晶圆加工等。
与传统的激光加工相比,用光纤激光器加工所引起的边缘
破裂可以忽略。

光纤激光器
2007年6月在慕尼黑举办的Laser 2007国际激光年会,其最显著的一个特征就是:新型光纤激光器的引入,以及传统激光器制造商开始进军光纤激光器市场。在此次行业盛会上,各个主要厂商携带自己的光纤激光器产品悉数登场。

Newport公司展示了一个新型高功率光纤激光器平台,它最初由100W和200W的单模连续波光纤激光器组成,用于金属和非金属材料的激光切割、薄型金属的激光点焊和缝焊,以及塑料的焊接等高精密工业应用。其他潜在的应用还包括复印与印刷、功能性样机或小型产品运转的选择性金属烧结,同样也可用于工具和模具成型以及太阳能电池模拟、绝缘、融合和构造等光电制造业中的选择性金属烧结。

Newport公司光纤激光器企业集团高级主管Wolfgang Gries说:“我们相信,这个新的光纤激光器平台为很多先前曾使用传统灯泵和二极管泵浦固态(DPSS)激光器技术的工业应用的转移做出了示范,因为在很多应用领域,该平台在成本、运行效率、功率范围、可靠性以及光束质量等方面都具有一定的内在优势。”

SPI Lasers公司宣布了其获得美国专利的GTWave合成光纤技术,其中增益光纤和泵浦光纤被同一个涂敷层包裹,使得泵浦光逐渐由泵浦光纤扩散到增益光纤中,以防止高功率泵浦过程中出现热点。SPI Lasers公司还在慕尼黑展会上发布了下一代基于主振功率放大(MOPA)的脉冲激光技术,其新特征包括完全集成的单个单元激光器控制器、允许快速改变的直接脉冲触发、25个预设波形的增强包、可用于灰度图和位图的更快速模拟控制、用于更快捷通信的硬件控制以及一个改进的光束传输光学元件,并配有完全集成的隔离器。此外,SPI公司还推出了两个新型OEM激光器模块——一个400W的可堆叠激光器模块和一个400W的激光振荡器,主要用于千瓦级和数千瓦级的切割与焊接。

Trumpf公司则携带一款单模光纤激光器亮相慕尼黑展会,该光纤激光器具有300W的输出功率和M2优于1.1的光束质量,可用于电池、硬盘装片、起搏器、传感器、机电部件、薄板、箔片、扫描仪和手机外壳等产品的精密切割与焊接(见图3)。GSI集团激光事业部发布了一系列机架式工业用掺镱光纤激光器,最高功率可达4kW。

IPG公司在慕尼黑展会上推出了一款商用的3kW连续波单模掺镱光纤激光器。这款激光器被称为是“电子束技术的第一个低成本替代品”,可用于深入焊接、远程焊接与切割、冲击钻孔以及燃料电池焊接等场合。针对晶圆、等离子体、LCD显示器和其他设备制造过程中的打标与新材料加工应用,IPG公司还扩大了其掺镱脉冲光纤激光器生产线。
IPG公司首席执行官Valentin P. Gapontsev表示:“由于光纤激光器在成本、效率、光束质量以及可靠性方面的固有优势,在要求较高功率水平的应用中,借助这条扩大的脉冲激光器生产线,IPG公司的光纤激光器很好地替代了传统的灯泵与二极管泵浦晶体脉冲激光器。”目前,IPG公司正在开发更高功率的光纤激光器产品,而且还将发布一系列脉冲激光器产品,包括一款峰值功率为150kW的激光器,一款用于高对比度打标的1~20ns可调谐激光器,以及一款峰值功率最高可达250kW、可以直接触发50ps脉冲的激光器。


图3. 2007年6月,Trumpf 公司携带一套用于精密切割
与焊接的300W光纤激光器系统进军光纤激光器市场。


慕尼黑展会后,光纤的发展步伐依然没有放缓。2007年8月,IPG公司与美国海军水面作战中心签订了一份380万美元的合同,为其提供一套由8个5.5kW的商用光纤激光器组成的44kW的光纤激光器系统。2007年9月,SPI Lasers公司宣布其利用一台200W的1070nm连续波光纤激光器,在太阳能电池生产中使用的0.2~0.8nm厚的多晶硅加工方面取得了重要成果。该公司同时还宣布要将其光纤激光器产品扩展到面向打标应用的脉冲激光器领域。

同年10月,德国Rofin-Sinar公司针对切割与焊接应用,生产出了功率为100W和200W的光纤激光器。

固态紫外光源
掺镱光纤激光器的输出波长通常在1064nm附近。Newport公司推出的第一台光纤激光器便是一个紫外光源,这不仅意味着光纤激光器技术的多功能性,而且也暗示了2007年的另外一个重要的技术发展领域将是紫外光谱的一个特殊谱段。在由准分子激光器服务的中等功率深紫外(DUV)应用,与由半导体激光器效力的低功率近紫外信息存储和生物医学应用之间,存在着99 %以上的紫外光谱以及与原子和分子的电子结构有关的大量应用,这些应用对通用性、用户友好和相对廉价的紫外光源的需求与日俱增(见图4)。以紫翠玉激光器技术为基础的可调谐与固定波长的紫外光源正在不断发展,将有助于满足基础物理、遥感、分子探测、燃烧研究以及光学度量等诸多领域的应用需求。


图4. 在紫外区域,许多键裂解能和原子
激光雷达谐振都与激光波长有关。


紫翠玉激光器内集成了一台Nd:YAG激光器泵浦源作为其激励源,用以在红外、紫外或深紫外波段产生可调谐激光。2007年10月,由Laser Energetics公司持有专利的紫翠玉激光器技术,在美国的一次军队选拔过程中前进到了概念验证(proof-of- concept)阶段,用在近期的一项“遥感”应用中,探测化学战中的毒气。相干公司发布了一款8W的355nm固态准连续Paladin激光器,用于满足高密度印刷电路板的直接激光成像以及半导体晶圆检测方面的需求。此外,该款激光器在半导体加工以及玻璃雕刻等领域也具有潜在的应用前景。

Crystal IS公司与美国科学与技术研究院签订了一项为期3年的200万美元的合同,其目的是研究各种晶体结构中低缺陷氮化铝基底的性能,最终开发出280nm的发光二极管,使其能在高功率和高效率下运转,并且具有很长的使用寿命。在过去的几年中,紫外加工与分析已经开辟了广泛的应用领域,包括国土安全、水和空气的消毒,以及墨水和聚合物的紫外加工等。然而,市场的成长使紫外技术在很多应用中还存有局限,那些小型、耐用、无汞的光源对这些应用可能更为合适。

在固态照明领域,美国高功率LED元器件与光源模块供应商LedEngin公司于2007年第一季度开始向用户提供照明样品,目前已经有数款产品实现量产,包括面向医疗和便携等应用领域的新型紫外LED与多波段紫外LED。LedEngin公司总裁兼首席执行官David Tahmassebi表示:“很高兴我们的产品能够满足大量要求超高功率紫外LED照明的应用需求。”他还表示,传统的紫外灯体积大、成本高,且寿命短,需要经常更换紫外灯泡。

波长在365~400nm范围的紫外LED的商业化,促进了数字紫外成像的发展,一款已经商用的紫外便携式摄影机——Oculus Photonics公司生产的UVCorder,已经在刑侦、激光技术、生物、艺术品保存以及防御等广泛的应用领域中大显身手。UVCorder以一台CCD阵列相机为基础,该相机经过优化以便能反射紫外成像,并且其封装也非常适合研发和工业检测市场。另外,UVCorder还配有一个光圈可调的镜头和一个近紫外LED光源。

有机光子学
2007年,有机光子材料继续向前发展。与传统的半导体材料相比,有机光子材料在柔韧性、功耗以及成本方面都具有很大优势。目前,有机光子材料主要应用在小屏幕显示方面,但如果在使用寿命、效率和成本方面对有机材料进行改进,将使其有望拓展到手持设备中。目前,业界对这一领域依然热情高涨,不断有新的发展,例如索尼公司已


图5. 第一台边发射光子晶体(PC)纳米腔激光器中,
组成激光腔的光子晶体具有双异质结构,它由三角形
晶格中的几段单线缺陷光子晶体组成。该器件是在一
张220nm厚的砷化镓膜中植入五层砷化铟量子点作为
增益材料制成的。


经计划在日本市场上推出一款有机LED(OLED)电视机,其屏幕对角线的尺寸仅为11英寸。除了索尼公司承诺的高对比度、高峰值亮度、较好的色彩再现性能,以及快速的响应时间外,OLED技术的低功耗优势,将向着用以太网供电取代墙壁插座供电迈出重大的一步。而迄今为止,这方面的应用还仅限于电话、无线网关以及安防相机。[1], [2]

美国南加州大学正在研究一种能发出近红外光的磷光染料分子,用于制造长寿命的OLED,而这种OLED可用于制造一种廉价且灵活的近红外显示器,这个波段人的肉眼无法识别,需要借助夜视镜才行。通过在基底上沉积薄膜有机聚合物,这样的OLED也能转化为夜视二极管。磷光性染料分子发射层以三明治结构夹在设备的两个电极之间,并以很高的效率发射近红外光。设备本身的输出光恰好在可见光和近红外光的边界,波长接近800nm,输出效率超过6%。[3]

利用有机光子材料,能以相对低廉的成本和较轻的质量在可变形的基底上制造薄膜光伏器件(TFPV);能将太阳能植入墙壁、屋顶甚至窗户中。有机光子材料的诸多应用潜能,正在推动TFPV制造商快速提高生产能力,同时也有很多公司正在建立产能在100MW以上的制造厂。

量子点
目前,方兴未艾的硅纳米晶体或“量子点”技术,同样也极有可能影响光伏产业以及其他几个领域的发展。美国能源部所属的国家可再生能源实验室(NREL)与Innovalight公司合作,发现了在硅纳米晶体中多重激子产生(MEG)的重要特性,即每吸收一个光子可以形成一个以上的电子。这项合作的成果是:Innovalight公司生产的硅纳米晶体吸收太阳光中波长小于420nm的1个光子时,可以产生一个以上的电子。这从根本上为将以热能形式损失的部分太阳能(50%)转化为电能提供了一种有潜力的途径。

美国莱斯大学生物与环境纳米技术研究中心的研究人员演示了一种效率为90%的方法,该方法似乎还能为利用四脚结构的硒化镉(CdSe)量子点制造光伏器件和电子器件提供“更加绿色”的化学性能以及更好的灵活性。通过将溴化十六烷基三甲基铵或溴化十二烷基二甲基铵等季铵盐化合物合成为hot-injection-synthesis的过程,研究小组

发现,生产硒化镉四脚体的效率从典型的40%提高到了90%。研究人员认为,该技术为以量子点为基础的光伏器件取代昂贵的硅基太阳能起到了关键的推动作用。

尽管早期的开发商满怀希望,但是量子点却没有传统激光器的表现那样好,然而业界仍然在不断对其性能进行改进。据东京大学的一个研究小组报道,他们利用光子晶体纳米腔中的量子点增益层,得到了室温下1.3μm的连续波激光输出。尽管当泵浦功率刚好高于阈值时可以获得稳定的光学输出,然而他们发现在1.5倍阈值功率下,长时间泵浦就会损坏谐振腔。但南加州大学、德克萨斯大学奥斯汀分校以及中佛罗里达大学的研究人员却演示了一台边发射光子晶体(PC)纳米腔激光器(见图5)。该光子晶体激光器由850nm的激光二极管从顶端泵浦,发射波长约为1330nm的激光。

硅光子
硅光子继续向III-V族化合物器件性能水平和商业化迈进。Luxtera公司正在开发一款与CMOS兼容的10Gbit/s的光电接收机。硅的1.1μm能带边缘要求使用更长波长(典型为1.5μm)以使光束在硅波导中传输,这同时就排除了使用硅作为光电探测器材料。因此在混合光电探测器中,锗(Ge)是通常的替代品。Luxtera公司与飞思卡尔半导体公司合作,利用CMOS工艺将一个1.5μm的探测器与其接收电子设备无缝地集成在一起。在10Gbit/s、平均探测功率为-14.2dBm时,整个接收机的比特误差率为10-12。

在Intel公司,研究工作聚焦在用硅制造调制器、混合型激光器和光电探测器。2007年,Intel发布了一款硅锗光电探测器,该探测器能在40 Gbit/s的数据率下工作,弥补了先前报道的硅基激光器和调制器的不足。Intel下一步的计划是将这三个器件集成到一块硅芯片上(见图6)。


图6. Intel于2007年开发的硅锗光电探测器,
弥补了先前报导的硅基激光器和调制器的不足。
Intel下一步的计划是将这些器件集成到一块芯片上。

参考文献:
1. www.ledsmagazine.com/news/4/10/6
2. www.accountancyage.com/business-green/news/2201123/organic-leds-revolutionise
3. www.technologyreview.com/Infotech/18120/?a=f

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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