市場和應用
高功率半導體雷射器的發展使得許多重要的應用成為可能。這些雷射器已經取代了許多傳統技術,並實現了全新產品類別。
隨著每十年成本和性能10倍以上的提高,高功率半導體雷射器以不可預知的方式破壞了市場的正常運行。雖然很難準確預測未來的應用情況,但回顧過去三十年的發展歷程,為下一個十年的發展提供框架可能性是非常有意義的(見圖2)。
圖2. 大功率半導體雷射器亮度燃料應用(每瓦亮度標準化成本)
20世紀80年代:光存儲和最初的小眾應用。光存儲是半導體雷射器行業的第一個大型應用。就在霍爾最初展示了紅外半導體雷射器之後不久,通用電氣公司的Nick Holonyak也展示了第一個可見紅光半導體雷射器。二十年後,光碟(CD)被推向市場,隨後就出現了光存儲市場。
半導體雷射器技術的不斷創新帶來了注入數字多功能光碟(DVD)和藍光光碟(BD)等光存儲技術的發展。這是半導體雷射器的第一個大市場,但是通常適度的功率水平將其他應用限制在了相對較小的利基市場,如熱敏列印、醫療應用以及精選的航空和國防應用等。
20世紀90年代:光網絡盛行。在20世紀90年代,半導體雷射器成為通信網絡的關鍵。半導體雷射器被用於通過光纖網絡傳輸信號,但是用於光放大器的較高功率的單模泵浦雷射器對於實現光網絡的規模化以及真正支持網際網路數據的增長是至關重要的。
其帶來的電信行業繁榮影響深遠,以高功率半導體雷射器行業最初的先驅之一的Spectra Diode Labs (SDL)為例。SDL成立於1983年,由美國Newport集團旗下的雷射器品牌Spectra-Physics(光譜物理)和施樂(Xerox)合資組建,1995年上市,市值約1億美元。五年後,SDL在電信業高峰期間以超過400億美元的價格出售給JDSU,這也是歷史上最大的技術收購之一。不久之後,電信業泡沫破滅,摧毀了數萬億美元的資本,現在被視為歷史上最大的泡沫。
2000年代:雷射成為一種工具。雖然電信市場泡沫的破滅極具破壞性,但對大功率半導體雷射器的巨額投資為更廣泛的採用奠定了基礎。隨著性能和成本的提高,這些雷射器在各種各樣的工藝中開始取代傳統的氣體雷射器或其他能量轉換源。
半導體雷射器已經成為廣泛使用的工具。工業應用範圍從傳統的製造工藝(如切割和焊接)到新的先進位造技術(如3D列印金屬部件的增材製造)等。微型製造應用更加多樣化,因為諸如智慧型手機之類的關鍵產品已經通過這些雷射器而實現了商業化。航空航天和國防應用涉及廣泛的關鍵任務應用,未來還可能將包括下一代定向能源系統。
總結
50多年前,摩爾並未提出一個新的物理基本定律,而是對十年前最初研究過的集成電路提出了極大改進。他的預言持續了數十年,並帶來了一系列顛覆性的創新,而這些創新在1965年是不可想像的。
當Hall在50多年前展示半導體雷射器時,就引發了一場技術革命。與摩爾定律一樣,沒有人能夠預測大量創新所實現的高功率半導體雷射器亮度隨後帶來的高速發展。
物理學中並沒有根本的法則來控制這些技術改進,但是持續的技術進展可能會推進雷射器在亮度方面的提升。這種趨勢將會持續取代傳統技術,從而進一步改變事情的發展方式。對經濟增長更為重要的是,高功率半導體雷射器還將促進新事物的誕生。