隨著效率和功率的不斷提升，激光二極管將繼續取代傳(chuan) 統技術，從(cong) 而改變事物的製造方式並促成新事物的發展。

傳(chuan) 統上，經濟學家認為(wei) 技術進步是一個(ge) 漸進的過程。最近，人們(men) 將更多的重點放在了一些顛覆性創新的作用上。這些創新被稱為(wei) 通用技術（GPT），指的是“具有對許多經濟領域產(chan) 生重要影響潛力的深刻的新思想或新技術”。GPT的清晰範例是蒸汽機、電力和集成電路。

通用技術通常需要幾十年的發展，甚至更長時間才能帶來生產(chan) 力的提升。這些技術一開始通常不會(hui) 被很好地理解，即使在技術商業(ye) 化之後，生產(chan) 應用仍然存在長期滯後。集成電路是一個(ge) 很好的研究案例。雖然晶體(ti) 管在20世紀早期就被首次展示，但是其廣泛的商業(ye) 化出現得更晚。

摩爾在1965年的短文中預言，半導體(ti) 將快速發展，這將帶來“電子技術的普及，並將這項科學推向許多新的領域。”盡管摩爾的預測大膽且出人意料的準確，但是半導體(ti) 技術在實現生產(chan) 力提升和經濟增長之前，依然耗費了幾十年的時間進行持續改進。

同樣，人們(men) 對於(yu) 高功率半導體(ti) 激光器的顯著改進的理解也是有限的。通過半導體(ti) 將電子轉換成激光首先在1962年得以展示，隨後出現了各種各樣的補充性進展，這些進步推動了電子轉化為(wei) 高生產(chan) 率激光的巨大進步。這些進展已經支持了從(cong) 光存儲(chu) 到光網絡、再到廣泛的工業(ye) 領域的重要應用。

回顧這些進步及積累的進展，突出顯示了許多經濟領域可能產(chan) 生甚至更大、更普遍的影響。事實上，隨著高功率半導體(ti) 激光器的不斷改進，它的應用領域將會(hui) 加速擴展，並且會(hui) 對經濟增長帶來深遠影響。

高功率半導體(ti) 激光器的曆史

1962年9月16日星期日上午，通用電氣研究實驗室的Robert Hall團隊展示了砷化镓（GaAs）半導體(ti) 的紅外發射，這種半導體(ti) 具有表明相幹激光的“奇怪”幹涉圖案，首個(ge) 半導體(ti) 激光器誕生。Hall最初認為(wei) 半導體(ti) 激光“成功的希望不大”，因為(wei) 當時的發光二極管效率非常低。他持懷疑態度也是因為(wei) 已有的兩(liang) 年前才展示的激光器需要“複雜的鏡子”。

1962年夏天，Hall說他被一篇論文“震撼”了，該論文顯示了麻省理工學院林肯實驗室的效率高得多的砷化镓發光二極管。他回到通用電氣公司，想起來他幸好擁有一些質量好的砷化镓材料來進行測試，並利用他作為(wei) 業(ye) 餘(yu) 天文學家的經驗，開發出了一種方法來拋光GaAs芯片的邊緣，以形成諧振腔。

Hall的成功演示是基於(yu) 他的設計，使輻射在結平麵內(nei) 來回反射，而不是垂直於(yu) 它。他謙虛地表示，沒有人“以前偶然發現過這個(ge) 想法。”事實上，Hall的設計本質上是幸運的巧合，即形成波導的半導體(ti) 材料也具有同時限製雙極載流子的特性。否則，半導體(ti) 激光將不可能實現。通過使用不相似的半導體(ti) 材料，可以形成平板波導以使光子與(yu) 載流子交疊。

通用電氣公司的這些初步演示是一項重大突破。然而，這些激光器還遠不是實用的器件，為(wei) 了實現高功率半導體(ti) 激光器的前景，必須實現不同技術的融合。關(guan) 鍵技術創新始於(yu) 對直接帶隙半導體(ti) 材料和晶體(ti) 生長技術理解方麵的進步。

之後的發展包括雙異質結激光器的發明，以及量子阱激光器的後續發展。進一步加強這些核心技術的關(guan) 鍵，在於(yu) 效率的提升以及麵鈍化、散熱和封裝技術的發展。

半導體(ti) 激光器的輝煌

過去幾十年來的這些創新，帶來了令人驚訝的累積改進。特別是亮度的改進尤其突出。1985年，當時最先進的高功率半導體(ti) 激光器可以將僅(jin) 100mW的功率耦合進芯徑105μm的光纖中。現在，最先進的高功率半導體(ti) 激光器，可以產(chan) 生超過250W的功率、並耦合進芯徑105μm的光纖中，相當於(yu) 每八年功率增長10倍。

摩爾推測“集成電路板上將容納更多的電子元件”。隨後，每個(ge) 芯片的晶體(ti) 管數量每7年增加10倍。巧合的是，高功率半導體(ti) 激光器已經以類似的指數速率，將更多的光子耦合進光纖中（見圖1）。

圖1：高功率半導體(ti) 激光器的亮度和摩爾定律的比較。

高功率半導體(ti) 激光器亮度的提升，是各種無法預料的技術進步的結果。雖然需要新的創新來延續這一趨勢，但有理由相信半導體(ti) 激光技術的創新還遠未走到盡頭。隨著工程的不斷發展，人們(men) 所熟知的物理學可以進一步提升半導體(ti) 激光器的性能。

例如，量子點增益介質有望在當前的量子阱器件上顯著提高效率。慢軸亮度提供了另一個(ge) 數量級的改進潛力。具有改進的散熱和膨脹匹配的新型封裝材料，將提供持續功率提升和簡化熱管理所需的增強功能。這些關(guan) 鍵的發展將支持未來幾十年高功率半導體(ti) 激光器的發展路線圖。

二極管泵浦的固態激光器和光纖激光器

高功率半導體(ti) 激光器的進步，也使下遊激光器技術得到了發展，其中作為(wei) 典型的是半導體(ti) 激光器用於(yu) 激發（泵浦）摻雜晶體(ti) （二極管泵浦固態激光器）或摻雜光纖（光纖激光器）。

雖然半導體(ti) 激光器提供高效、小型、低成本的激光能量，但是它也存在兩(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵限製：它們(men) 不儲(chu) 存能量並且其亮度受限。基本上許多應用需要有用的兩(liang) 種激光器；一種用於(yu) 將電力轉換為(wei) 激光發射，另一種用於(yu) 增強該發射的亮度。

二極管泵浦的固態激光器。在二十世紀八十年代晚期，使用半導體(ti) 激光器泵浦固態激光器開始在商業(ye) 領域贏得了極大興(xing) 趣。二極管泵浦固態激光器（DPSSL）極大地減少了熱管理係統（主要是循環冷卻器）和增益模塊的尺寸和複雜性，曆史上增益模塊曾使用弧光燈來泵浦固態激光晶體(ti) 。

基於(yu) 與(yu) 固態激光器增益介質的光譜吸收特征的交疊，來選擇半導體(ti) 激光器的波長，這與(yu) 弧光燈的寬帶發射光譜相比，能顯著降低熱負荷。考慮到發射1064nm波長的釹摻雜激光器的普及，808nm的半導體(ti) 激光器長成為(wei) 20多年來半導體(ti) 激光器生產(chan) 中產(chan) 量最大的產(chan) 品。

隨著多模半導體(ti) 激光器亮度的提高，以及在本世紀第一個(ge) 十年中期使用體(ti) 布拉格光柵（VBG）穩定窄發射線寬的能力成為(wei) 可能，第二代改進的二極管泵浦效率得以實現。880nm左右的較弱和光譜窄吸收特性，引起了人們(men) 對光譜穩定的高亮度泵浦二極管的極大興(xing) 趣。這些更高性能的激光器使直接泵浦釹的上激光能級4F3/2成為(wei) 可能，能夠減少量子虧(kui) 損，從(cong) 而改善平均功率更高時的基模提取，否則將受到熱透鏡的限製。

到本世紀第二個(ge) 十年早期，我們(men) 目睹了單橫模1064nm激光器，以及在可見光和紫外波段工作的其頻率轉換激光器的顯著功率提升趨勢。鑒於(yu) Nd：YAG和Nd：YVO4較長的上能態壽命，這些DPSSL的調Q運行提供高脈衝(chong) 能量和高峰值功率，非常適合燒蝕材料加工和高精度微加工應用。

光纖激光器。光纖激光器提供高性價(jia) 比的方式來轉換高功率半導體(ti) 激光器的亮度。盡管波長複用光學器件可以將相對低亮度的半導體(ti) 激光器轉換為(wei) 更亮的激光器，但這是以增加光譜寬度和光機械複雜性為(wei) 代價(jia) 的。光纖激光器已證明在亮度轉換中特別有效。

舉(ju) 例來說，比較以下最佳的激光器：其中~5kW的976nm泵浦功率來自於(yu) 400μm和0.46NA的光纖（95mm-mrad的光束質量），相當於(yu) 0.55W/(mm-mrad)的泵浦亮度。該泵浦光由光纖激光器轉換為(wei) ~4kW的1064nm光束，從(cong) 20μm和0.06NA的光纖輸出，其亮度為(wei) 11,098W/(mm-mrad)。光纖激光器提供的亮度增強>20,000倍，或者超過四個(ge) 數量級！

20世紀90年代推出的雙包層光纖，使用被多模包層包圍的單模纖芯，可以有效地將更高功率、更低成本的多模半導體(ti) 泵浦激光器導入到光纖中，從(cong) 而創造出一種更經濟的方法，將高功率半導體(ti) 激光器轉換為(wei) 更亮的光源。對於(yu) 摻鐿（Yb）光纖，泵浦激發以915nm為(wei) 中心的寬吸收帶，或在976nm附近的較窄吸收帶。隨著泵浦波長接近光纖激光器的激射波長，所謂的量子虧(kui) 損得以減少，從(cong) 而使效率最大化並且使需要耗散的廢熱量最小化。

光纖激光器和二極管泵浦固態激光器，都依賴於(yu) 二極管激光器亮度的提升。一般來說，隨著二極管激光器的亮度不斷進步，它們(men) 泵浦的激光器的功率也隨之提升。半導體(ti) 激光器的亮度改進傾(qing) 向於(yu) 促進更高效的亮度轉換。

正如我們(men) 期待的那樣，空間和光譜亮度對於(yu) 未來的係統來說將非常必要，這將使固態激光器中窄吸收特征的低量子虧(kui) 損泵浦、以及用於(yu) 直接半導體(ti) 激光器應用的密集波長複用方案成為(wei) 可能。

市場和應用

高功率半導體(ti) 激光器的進步，已使得許多重要的應用成為(wei) 可能。由於(yu) 高功率半導體(ti) 激光器的每亮度瓦成本已以指數級降低，這些激光器既取代了舊技術，又使新的產(chan) 品類別成為(wei) 可能。

隨著成本和性能每十年改善10倍以上，高功率半導體(ti) 激光器以無法預料的方式擾動了市場。雖然很難精確地預測未來的應用，但是通過回顧過去三十年來構思未來十年的可能性（見圖2），也會(hui) 帶來很多啟發。

圖2：高功率半導體(ti) 激光亮度的提升，使得應用得以拓展。

20世紀80年代：光存儲(chu) 和最初的小眾(zhong) 應用。光存儲(chu) 是半導體(ti) 激光器的首個(ge) 大規模應用。Hall最初展示紅外半導體(ti) 激光器後不久，通用電氣公司的Nick Holonyak就展示了首款可見紅光半導體(ti) 激光器。在這之後二十年，光盤（CD）進入市場，並啟動了光存儲(chu) 市場。

半導體(ti) 激光技術的持續創新帶來了光存儲(chu) 的發展，如數字多功能光盤（DVD），然後是藍光光盤（BD）。這是半導體(ti) 激光器的第一大市場，但通常中等的功率水平，使得一些其他應用僅(jin) 限於(yu) 相對較小的利基市場，如熱敏打印、醫療應用以及精選的航空和國防應用。

20世紀90年代：光網絡繁榮。在20世紀90年代，半導體(ti) 激光器成為(wei) 通信網絡的關(guan) 鍵。半導體(ti) 激光器被用於(yu) 通過光纖網絡傳(chuan) 輸信號，但是用於(yu) 光學放大器的更高功率的單模泵浦激光器，對於(yu) 使光網絡經濟地擴展、並真正支持因特網上的數據增長至關(guan) 重要。

高功率半導體(ti) 激光器最初的先驅之一Spectra Diode Labs（SDL）是所電信泡沫淹沒的一個(ge) 例子。SDL於(yu) 1983年成立，由Spectra-Physics和施樂(le) 公司合資組建，於(yu) 1995年上市，市值約為(wei) 1億(yi) 美元。五年後，SDL在電信業(ye) 爆發的高峰期間被JDSU以超過400億(yi) 美元的價(jia) 格收購，這是曆史上最大的技術收購之一。不久之後，電信業(ye) 破滅，毀掉了數萬(wan) 億(yi) 美元的資本，現在看來，這可能是曆史上最大的泡沫。

21世紀：激光作為(wei) 一種工具。盡管電信業(ye) 蕭條非常具有破壞性，但高功率半導體(ti) 激光器的大規模投資，為(wei) 其被更廣泛的采用奠定了基礎。隨著性能和成本的提升，這些激光器在各種各樣的加工領域，正越來越多地取代傳(chuan) 統的氣體(ti) 激光器或其他能量轉換源。

基於(yu) 半導體(ti) 的激光器已經成為(wei) 廣泛應用中普遍使用的工具。其工業(ye) 應用範圍從(cong) 傳(chuan) 統製造工藝（如切割和焊接）到新的先進製造技術（如用於(yu) 3D打印金屬部件的增材製造）。微製造應用甚至更加多樣化，因為(wei) 智能手機等關(guan) 鍵產(chan) 品，已通過這些激光器的精確功率傳(chuan) 輸而在商業(ye) 上變得可行。航空航天和國防應用涵蓋廣泛的關(guan) 鍵任務應用，未來可能包括下一代定向能係統。

半導體(ti) 激光器的未來

50多年前，摩爾沒有提出一個(ge) 新的物理基本定律，而是指出了十多年前最初開始研究的集成電路的發展規律。他的預言持續了數十年，並實現了一係列顛覆性創新，這些在1965年是無法想象的。

當Hall在50多年前展示半導體(ti) 激光器時，他發起了一場技術革命。與(yu) 摩爾定律一樣，沒有人能預測到隨後各式各樣的不同創新所帶來的高功率半導體(ti) 激光器的輝煌成就。

物理學並沒有基本的規律來統治這些改進，但持續的技術進步很可能在輝煌中維持這種指數級的發展。半導體(ti) 激光器將繼續取代傳(chuan) 統技術，並將進一步改變事物的製造方式。對經濟增長更為(wei) 重要的是，高功率半導體(ti) 激光器也將改變可以製造的事物。