高功率半导体激光器的过去和未来

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。

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。”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。

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。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。

半导体激光器的未来

50多年前，摩尔没有提出一个新的物理基本定律，而是指出了十多年前最初开始研究的集成电路的发展规律。他的预言持续了数十年，并实现了一系列颠覆性创新，这些在1965年是无法想象的。

当Hall在50多年前展示半导体激光器时，他发起了一场技术革命。与摩尔定律一样，没有人能预测到随后各式各样的不同创新所带来的高功率半导体激光器的辉煌成就。

物理学并没有基本的规律来统治这些改进，但持续的技术进步很可能在辉煌中维持这种指数级的发展。半导体激光器将继续取代传统技术，并将进一步改变事物的制造方式。对经济增长更为重要的是，高功率半导体激光器也将改变可以制造的事物。