功率半导体是什么意思-高功率二极管激光器的历史和未来

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，改变现有的工作方式并创造新的技术。 下面就和工控小编一起来看看相关内容吧。

高功率二极管激光器的过去和未来

传统上，经济学家将技术进步视为一个渐进的过程。 最近，该行业更加关注可能导致中断的颠覆性创新领域。 这些创新被称为通用技术（GPT），是“深刻的新想法或技术，有可能对经济的许多方面产生重大影响”。 通用技术通常需要数十年甚至更长时间的开发才能带来生产力的提高。 起初它们并没有被很好地理解，即使在该技术商业化之后，生产采用也存在很长的滞后。 集成电路就是一个很好的例子。 晶体管在 20 世纪初首次被展示，但其广泛的商业用途直到很久以后才实现。

摩尔定律的创始人之一戈登·摩尔在1965年预测，半导体将以更快的速度发展，从而“带来电子学的普及，并将这门科学推向许多新领域”。 尽管他的预测大胆且令人惊讶地准确，但生产率提高和经济增长需要数十年的持续改进才能实现。

同样，人们对高功率半导体激光器飞速发展的认识也很有限。 该行业于 1962 年首次演示了电子到激光转换，随后取得了许多进展，从而显着改进了电子到激光转换过程的高产率。 这些改进可以支持一系列重要的应用，包括光存储、光网络和广泛的工业应用。

回顾这些发展以及由此产生的许多改进，突显了对经济许多领域产生更大、更普遍影响的潜力。 事实上，随着高功率半导体激光器的不断改进，重要应用范围将会扩大，并对经济增长产生深远影响。

高功率二极管激光器的历史

1962年9月16日，由通用电气公司的罗伯特·霍尔领导的一个研究小组展示了砷化镓（GaAs）半导体的红外发射，其“奇怪”的干涉图案暗示着相干激光——第一台半导体激光器的诞生。 霍尔最初认为半导体激光器的前景“渺茫”，因为当时发光二极管的效率非常低。 同时，他也持怀疑态度，因为两年前才被证实且已经存在的激光需要“精致的镜子”。

1962年夏天，霍尔对麻省理工学院林肯实验室开发出更高效的砷化镓发光二极管表示惊讶。 随后他表示，自己很幸运能够用一些高质量的砷化镓材料进行测试，并利用自己作为业余天文学家的经验，开发了一种方法来抛光砷化镓芯片的边缘以形成空腔。

霍尔的成功演示基于一种设计，其中辐射在界面上来回反射，而不是垂直反射。 他谦虚地表示，“以前没有人想出过这个想法”。 事实上，霍尔的设计本质上是一个幸运的巧合，因为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，就不可能实现半导体激光器。 通过使用不同的半导体材料，可以形成平板波导以将光子与载流子重叠。

通用电气的这些初步演示是一个重大突破。 然而这些激光器距离实用器件还很远，为了推动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了解。

后来的发展包括双异质结激光器的发明以及随后量子阱激光器的发展。 进一步提升这些核心技术的关键在于效率的提升以及腔体表面钝化、散热和封装技术的发展。

亮度

过去几十年的创新带来了令人兴奋的进步。 尤其是亮度方面的提升非常显着。 1985年，当时最先进的高功率半导体激光器可以将105毫瓦的功率耦合到105微米芯径的光纤中。 最先进的高功率半导体激光器现在可以在 105 微米光纤中以单一波长产生超过 250 瓦的功率，每八年增加 10 倍。

摩尔设想“在集成电路上固定更多元件”——随后，每个芯片的晶体管数量每七年增加十倍。 巧合的是，高功率半导体激光器以相似的指数速率将更多光子纳入光纤中（见图 1）。

高功率半导体激光器亮度的提高促进了各种不可预见技术的发展。 尽管这一趋势的延续需要更多的创新，但有理由相信半导体激光技术的创新还远未完成。 充分理解的物理学可以通过持续的技术发展进一步提高半导体激光器的性能。

例如，量子点增益介质可以提供比当前量子阱器件显着更高的效率。 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扩展和简化热管理所需的增强功能。 这些关键进展将为未来几十年高功率半导体激光器的发展提供路线图。

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促进了下游激光技术的发展； 在下游激光技术中，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）。

尽管半导体激光器提供高效率、低成本的激光能量，但它们有两个关键限制：它们不存储能量并且亮度有限。 基本上，许多应用都需要这两种激光器：一种用于将电能转换为激光发射，另一种用于增强激光发射的亮度。

二极管泵浦固体激光器。 20 世纪 80 年代末，使用半导体激光器泵浦固体激光器开始在商业应用中普及。 二极管泵浦固态激光器 (DPSSL) 大大降低了热管理系统（主要是再循环冷却器）的尺寸和复杂性，并实现了传统上采用弧光灯泵浦固态激光晶体的模块。

半导体激光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； 与弧光灯的宽带发射光谱相比吉祥物，大大降低了热负荷。 由于1064nm钕基激光器的普及，808nm泵浦波长成为20多年来半导体激光器数量最多的波长。

随着 2000 年代中期多模半导体激光器亮度的提高以及体布拉格光栅 (VBG) 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附近的弱且光谱窄的吸收特性成为可实现光谱稳定的高亮度泵浦二极管的研究热点。 这些更高性能的激光器能够直接激发钕中的较高激光能级 4F3/2，减少量子缺陷，从而改善较高平均功率下的基模提取，否则会受到热透镜效应的限制。

到 2010 年初功率半导体是什么意思，我们目睹了单横模 1064nm 激光器和相关系列在可见光和紫外波段工作的变频激光器高功率扩展的趋势。 由于 Nd:YAG 和 Nd:YVO4 具有较长的高能态寿命，这些 DPSSL 的 Q 开关操作可提供高脉冲能量和峰值功率，使其成为烧蚀材料加工和高精度微加工应用的理想选择。

光纤激光器。 光纤激光器提供了一种更有效的方式来转换高功率半导体激光器的亮度。 尽管波长复用光学器件可以将相对低亮度的半导体激光器转换为更亮的半导体激光器，但这是以增加光谱宽度和光机械复杂性为代价的。 光纤激光器已被证明在光度转换方面特别有效。

双包层光纤，于20世纪90年代推出，采用由多模包层包围的单模光纤吉祥物设计，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泵入光纤中，从而创造出一种更高效、更经济的方式来转换高功率将半导体激光器转变为更亮的激光器。 对于掺镱 (Yb) 光纤，泵浦激发以 915 nm 为中心的宽吸收或 976 nm 附近的窄带特征。 当泵浦波长接近光纤激光器的激光波长时，所谓的量子缺陷就会减少，从而最大限度地提高效率并最大限度地减少废热耗散。

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器亮度的提高。 一般来说，随着二极管激光器亮度的不断提高，它们泵浦的激光功率比例也越来越大。 半导体激光器亮度的提高有利于更有效的亮度转换。

正如我们所期望的，空间和光谱亮度对于未来的系统来说是必要的功率半导体是什么意思，这些系统将使具有窄吸收特性的固态激光器中的低量子缺陷泵浦和直接半导体激光器应用程序的密集波长复用成为可能。

市场与应用

高功率半导体激光器的发展已经实现了许多重要的应用。 这些激光器取代了许多传统技术并催生了全新的产品类别。

高功率半导体激光器的成本和性能每十年提高 10 倍以上，以不可预测的方式扰乱市场的正常运作。 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，为未来十年的发展提供一个框架，是非常有意义的（见图2）。

20 世纪 80 年代：光存储和最初的利基应用。 光存储是半导体激光器产业的首次大规模应用。 霍尔首次演示红外半导体激光器后不久，通用电气的尼克·霍洛尼亚克也演示了第一台可见红色半导体激光器。 二十年后，光盘（CD）被引入市场，光存储市场随之而来。

半导体激光技术的不断创新带动了数字多功能光盘（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，但一般而言，适度的功率水平将其他应用限制在相对较小的利基市场，例如热敏打印、医疗应用以及特定的航空航天和国防应用。

20 世纪 90 年代：光网络盛行。 20 世纪 90 年代，半导体激光器成为通信网络的关键。