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4月17日，一個(gè)跨度30年、投資超10萬億元的浙江大交通建設(shè)計(jì)劃出爐，包括但不限于滬杭超級(jí)磁浮、沿海高鐵、環(huán)杭州灣智慧高速公路、蕭山機(jī)場(chǎng)綜合樞紐…

杭州灣智慧高速公路是從前些年浙江首創(chuàng)的超級(jí)高速概念發(fā)展而來的，亮點(diǎn)是把大數(shù)據(jù)、人工智能、5G及自動(dòng)駕駛等一系列新技術(shù)應(yīng)用到高速公路上，將新建和改造杭紹甬、滬杭甬、杭州繞城等一批環(huán)杭州灣的高速公路網(wǎng)絡(luò)。

新建杭紹甬智慧高速公路，智慧化改造滬杭甬高速、杭州灣跨海大橋，實(shí)現(xiàn)灣區(qū)全域高速公路智慧化；近期支持車路協(xié)同，遠(yuǎn)期支持自動(dòng)駕駛等新技術(shù)。

杭紹甬初步確定將進(jìn)行包括構(gòu)建高精定位系統(tǒng)、車路協(xié)同通行系統(tǒng)、5G通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、新能源及無線充電系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛路測(cè)系統(tǒng)、自由流收費(fèi)系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智慧云控平臺(tái)、自動(dòng)駕駛及貨車編隊(duì)系統(tǒng)、全新的出行體驗(yàn)系統(tǒng)、打造自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)系統(tǒng)等十方面的改造。

智慧高速，是對(duì)高速道路基礎(chǔ)設(shè)施的改造升級(jí)，其中包括2019年如火如荼的ETC系統(tǒng)，以及正在試驗(yàn)測(cè)試中的V2X車路協(xié)同系統(tǒng)。

將道路上有關(guān)行駛的信息首先進(jìn)行數(shù)字化，然后針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景提升信息的致密度，準(zhǔn)確度，服務(wù)更高效的交通，甚至于提供相關(guān)的決策力。這是對(duì)智慧高速的終極期許！

一、智慧高速在升級(jí)

智慧高速的建設(shè)以及目標(biāo)將會(huì)是分階段，分目標(biāo)完成的，比如，智慧高速上的攝像頭將更加密集，從現(xiàn)在的2公里一個(gè)，加密到1公里一個(gè)；每隔一定距離將設(shè)置卡口，可識(shí)別經(jīng)過的每輛車車牌，實(shí)現(xiàn)跟蹤感知違規(guī)行駛行為、實(shí)時(shí)反映路況等功能。

這其中，關(guān)鍵的感知監(jiān)控方案，有不少講究的地方。

視頻方案的問題是比較清楚的，局限于相機(jī)自身的缺陷，如易受環(huán)境影響，在光線較差或較強(qiáng)的環(huán)境下，誤判率高；探測(cè)精度低；探測(cè)距離短等。同時(shí)在路端計(jì)算需要非常強(qiáng)的算力， 在云端又會(huì)有帶寬和實(shí)時(shí)性的影響等。

因此，在車或人流量大的路口，僅僅依靠視頻方案極易出現(xiàn)安全誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)等問題，無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、安全的智慧道路目標(biāo)。

而激光雷達(dá)本身是對(duì)光線不敏感，無論白天黑夜都不影響其感知效果，因此大大增強(qiáng)了感知的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。

同時(shí)，視頻方案在弱光，逆光以及強(qiáng)光環(huán)境中的探測(cè)效果容易出現(xiàn)圖片模糊，甚至看不清的狀況，特別在夜晚環(huán)境中，視頻方案基本失去作用。

而對(duì)于激光雷達(dá)來說，并不受光線條件的限制，在弱光，逆光以及強(qiáng)光環(huán)境下，甚至黑夜，其點(diǎn)云效果均可以保持正常狀態(tài)。

以往高速公路僅用過單線式的激光雷達(dá)，主要用途是區(qū)分車輛作交通流量調(diào)查，還有收費(fèi)站自助發(fā)卡車道的輔助車型分類 ，以及用作車輛長(zhǎng)寬高的判別（基于道路超限管控的需求，超過一定尺寸的車輛不允許駛?cè)敫咚?）。

智慧高速在初探階段，目前有些省份已經(jīng)不滿足于僅通過攝像機(jī)獲得道路信息，開始嘗試各種傳感器的融合，力求獲取高精度的路況信息用做提高調(diào)度指揮效率，減少事故，提升安全運(yùn)營(yíng)水平，但現(xiàn)在主要以毫米波雷達(dá)配合攝像機(jī)的方案為主。

毫米波雷達(dá)與紅外、視頻、激光等光學(xué)導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，具有全天候全天時(shí)的特點(diǎn)。常用于道路車輛目標(biāo)、車速的監(jiān)測(cè)。但毫米波雷達(dá)也有自己的局限性，比如對(duì)于多目標(biāo)跟蹤監(jiān)測(cè)、靜止障礙物以及微小物體的監(jiān)測(cè)顯得性能不足。

相比較而言，高線束的激光雷達(dá)在分辨率、測(cè)試精度以及對(duì)道路環(huán)境致密信息的覆蓋上，更勝一籌，能夠滿足更高級(jí)別自動(dòng)駕駛和監(jiān)管的需求。

比如，Innovusion（圖達(dá)通）公司推出的300線圖像級(jí)激光雷達(dá)，線束可達(dá)到市面上32線激光雷達(dá)的10倍，其分辨率接近早期VGA顯示器的效果，可以獲得物體表面更多反射點(diǎn)。

在垂直方向角分辨率上，垂直角分辨率可精確到0.13° ，是32線激光雷達(dá)的4.6倍，是唯一可以分辨遠(yuǎn)距離小物體的激光雷達(dá)。對(duì)行人實(shí)際可探測(cè)與識(shí)別能力達(dá)到200米以上。多目標(biāo)跟蹤監(jiān)測(cè)、靜止障礙物以及微小物體的監(jiān)測(cè)，對(duì)于圖像級(jí)激光雷達(dá)而言，則不在話下。

線束超過百線的激光雷達(dá)，特別是圖像級(jí)激光雷達(dá)，在性能以及環(huán)境適應(yīng)性上，已經(jīng)大大優(yōu)于傳統(tǒng)的視覺以及毫米波雷達(dá)。

二、路側(cè)激光雷達(dá)，勢(shì)在必行

浙江、山東等一些省份已經(jīng)開始探索在高速公路上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，激光雷達(dá)在高速V2X項(xiàng)目中也將獲得很大的市場(chǎng)，但是高速公路這類傳統(tǒng)的領(lǐng)域?qū)τ谛屡d產(chǎn)品的需求量不會(huì)立馬爆發(fā)，需要不斷的引導(dǎo)。

目前，全國(guó)高速已配置了約2萬套激光雷達(dá) ，激光分型約使用2000套，長(zhǎng)寬高檢測(cè)設(shè)備約3000套左右，主要是在2019年底全國(guó)省界收費(fèi)站取消項(xiàng)目中使用的。

智慧高速，特別是支持自動(dòng)駕駛的高速公路，路側(cè)要部署如RSU，邊緣計(jì)算機(jī)處理(Mobile EdgeComputing, MEC)，攝像頭，交換機(jī)， 5G 網(wǎng)絡(luò)，路側(cè)終端平臺(tái)，終端平臺(tái)，還要部署激光雷達(dá)等其他設(shè)備。

激光雷達(dá)是傳感器單元，通過雷達(dá)可以獲取高密度，圖像級(jí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，包括道路靜態(tài)環(huán)境和移動(dòng)物體的三維信息。

相比傳統(tǒng)的傳感器，激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于可以從點(diǎn)云圖像中，獲取道路斑馬線以及斑馬線區(qū)域經(jīng)過的行人和車輛等，清晰的人行道區(qū)域有利于劃定電子圍欄區(qū)域。

此外，探測(cè)距離可以達(dá)到280m，利用超長(zhǎng)探視距離可以實(shí)現(xiàn)超視距探測(cè)，能為行駛的車輛提供超視距的預(yù)警信息以及道路擁堵情況。

通過激光雷達(dá)收集到的包括遠(yuǎn)距離處的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)線或光纖傳送至 MEC，可以對(duì)道路車流量以及車輛等待時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而判斷道路的擁擠狀況。

不同距離處的道路信息包括感知結(jié)果可以通過由MEC經(jīng)過RSU反饋至客戶車輛端，使得車輛可以獲取遠(yuǎn)距離處的交通狀況，從而達(dá)到交通預(yù)警的作用，防止碰撞等系列交通事故發(fā)生。

同時(shí)，這些道路信息也可以經(jīng)MEC發(fā)送至終端服務(wù)器或展示平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)道路交通狀況監(jiān)測(cè)，或者進(jìn)行數(shù)據(jù)二次開發(fā)。

車輛就可以通過這些信息對(duì)交通是否擁擠等狀況進(jìn)行判斷，實(shí)時(shí)進(jìn)行車輛運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整，選擇合適的行駛道路和有效地避免碰撞等交通事故的發(fā)生。

Innovusion圖達(dá)通的路側(cè)激光雷達(dá)產(chǎn)品，通過光脈沖可以將周圍100X40°視野范圍內(nèi)的場(chǎng)景構(gòu)建出來，包括周圍的靜態(tài)環(huán)境和道路上行駛的車輛行人。雷達(dá)每秒能輸出100萬個(gè)點(diǎn)，并且集中在水平方向100°的視野內(nèi)，可生成圖像級(jí)點(diǎn)云，更有利于物體識(shí)別。

具有致密點(diǎn)云和廣視角、遠(yuǎn)距離探測(cè)性能的激光雷達(dá)，相比毫米波雷達(dá)、攝像頭性能翻倍，因此在進(jìn)行路端布置時(shí)，可以有效的減少沿路布置數(shù)量，降低總體采購(gòu)成本，簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性。

三、從高速到普速的大市場(chǎng)

目前，在高速公路上使用高線束的激光雷達(dá)尚在初步探索，正在結(jié)合全國(guó)各地智慧高速及車路協(xié)同的試點(diǎn)推廣。

全國(guó)已通車的高速公路超過15萬公里，未來10年內(nèi)在路側(cè)每250米布設(shè)一套激光雷達(dá)，主要用于輔助無人駕駛以及替代目前的單線激光交調(diào)、事件檢測(cè)產(chǎn)品。

另外，在全國(guó)三萬多個(gè)收費(fèi)站入口治超檢測(cè)項(xiàng)目中做車輛的長(zhǎng)寬高尺寸識(shí)別。在高速公路應(yīng)用成熟后逐步進(jìn)入國(guó)省道及干線公路。

不久前，山東交通運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)布通知，將根據(jù)《數(shù)字山東發(fā)展規(guī)劃（2018—2022年）》，全面提升信息化、數(shù)字化水平。

按照“全國(guó)領(lǐng)先、遠(yuǎn)近結(jié)合、適度超前、先進(jìn)實(shí)用、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一”的原則和“全天候通行、全路段感知、全過程管控”的目標(biāo)，加快推進(jìn)濟(jì)青中線、京臺(tái)高速公路泰安至棗莊段兩個(gè)智慧高速公路示范項(xiàng)目建設(shè)。

在全國(guó)，北京和河北有延崇、京雄、大興新機(jī)場(chǎng)；浙江有杭紹甬、滬杭甬等等；廣東有南沙大橋和廣樂；江西有寧定、昌九；吉林有琿烏；江蘇有S342無錫段、G524常熟段等等；福建、湖南、河南、山東、海南等省份也都有智慧高速示范工程。

需要強(qiáng)調(diào)的是，高速公路相對(duì)于其他行業(yè)來說有一定的行業(yè)壁壘，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的激烈程度遠(yuǎn)不如普通民用產(chǎn)品市場(chǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量過關(guān)并且能準(zhǔn)確把握用戶需求點(diǎn)很可能在短時(shí)間內(nèi)獲取大批量訂單。

按照高工智能汽車研究院發(fā)布的車路協(xié)同市場(chǎng)數(shù)據(jù)報(bào)告，未來五年僅國(guó)內(nèi)車路協(xié)同示范項(xiàng)目對(duì)路側(cè)（高速公路）激光雷達(dá)的需求規(guī)模就接近20億元?？紤]到新基建及5G部署的較快，這塊細(xì)分市場(chǎng)的需求也將可能持續(xù)放大。

以目前各大一二線城市推動(dòng)的5G公交等等城市公共交通智能化升級(jí)，在未來五年將為交叉路口激光雷達(dá)帶來超過60億元的市場(chǎng)需求。

推進(jìn)交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化，完善各市公路網(wǎng)信息采集體系，推動(dòng)數(shù)字高速建設(shè)，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用提供支撐，將成為未來智慧高速的趨勢(shì)和目標(biāo)。

本文來自騰訊新聞客戶端自媒體

4月中旬，廣州增城，“幸福田園”智慧農(nóng)業(yè)示范基地，一架架極飛無人機(jī)低空盤旋，正在進(jìn)行水稻播撒作業(yè)。廣州極飛科技有限公司數(shù)據(jù)顯示，今年前4個(gè)月無人機(jī)銷售額已超過去年全年。

極飛科技的生產(chǎn)提速，只是廣東產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈強(qiáng)有力保障的一道縮影。廣東是全國(guó)制造大省、外貿(mào)大省，“廣東制造”在全球產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈中占有重要地位，也在一定程度上受到國(guó)際疫情蔓延的不利影響。

省工業(yè)和信息化廳數(shù)據(jù)顯示，目前全省規(guī)上工業(yè)企業(yè)復(fù)工率達(dá)到99.2%，已基本全面復(fù)工。“這次疫情，讓我們進(jìn)一步感受到了廣東產(chǎn)業(yè)鏈的強(qiáng)度和韌性。”省工信廳運(yùn)行監(jiān)測(cè)與綜合分析處處長(zhǎng)張會(huì)洋表示。

接下來，廣東將采取多方面舉措，保產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈穩(wěn)定，短期盯住重點(diǎn)企業(yè)疏通產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈，幫助相關(guān)企業(yè)尋找國(guó)內(nèi)供應(yīng)商，切實(shí)保障企業(yè)持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)；長(zhǎng)期要通過培育“雙十”產(chǎn)業(yè)集群穩(wěn)鏈補(bǔ)鏈強(qiáng)鏈延鏈控鏈，形成更加強(qiáng)大、更加堅(jiān)韌的產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈。

穩(wěn)定生產(chǎn)

重點(diǎn)聚焦“鏈主”企業(yè)，推動(dòng)上下游復(fù)工復(fù)產(chǎn)

經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)環(huán)環(huán)相扣，產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈?zhǔn)侵匾?。疫情之下，穩(wěn)定產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈，成為推動(dòng)復(fù)工復(fù)產(chǎn)的關(guān)鍵。

據(jù)了解，工信部推出“一企一策”解決困難，目的就是通過龍頭企業(yè)的帶動(dòng)貫通產(chǎn)業(yè)鏈的循環(huán)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)92家龍頭企業(yè)共帶動(dòng)上下游40余萬家中小企業(yè)協(xié)同聯(lián)動(dòng)復(fù)工復(fù)產(chǎn)。

受疫情影響，不少?gòu)V東企業(yè)也感受到巨大壓力。穩(wěn)定產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈，龍頭企業(yè)是關(guān)鍵。

省政府副秘書長(zhǎng)陳岸明在新聞發(fā)布會(huì)上表示，廣東重點(diǎn)聚焦產(chǎn)業(yè)集群的“鏈主”企業(yè)，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈的“上下游”眾多配套企業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)。目前，全省102家重點(diǎn)制造業(yè)企業(yè)全部復(fù)工復(fù)產(chǎn)，龍頭企業(yè)省內(nèi)外供應(yīng)商全部復(fù)工復(fù)產(chǎn)，全省規(guī)上工業(yè)企業(yè)復(fù)工率達(dá)99.2%，企業(yè)開足馬力提升產(chǎn)能，為實(shí)現(xiàn)全年工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)夯實(shí)了基礎(chǔ)。

為推動(dòng)龍頭企業(yè)及其產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)復(fù)工復(fù)產(chǎn)，省工業(yè)和信息化廳梳理了102家制造業(yè)重點(diǎn)企業(yè)名單，并建立“一對(duì)一”跟蹤服務(wù)機(jī)制，圍繞重點(diǎn)企業(yè)的“產(chǎn)權(quán)樹”（即關(guān)聯(lián)企業(yè)與重點(diǎn)企業(yè)存在產(chǎn)權(quán)關(guān)系）、“供應(yīng)鏈樹”（即關(guān)聯(lián)企業(yè)系重點(diǎn)企業(yè)的上游供應(yīng)商）、“銷售樹”（即關(guān)聯(lián)企業(yè)系重點(diǎn)企業(yè)的下游客戶）完善關(guān)聯(lián)企業(yè)群，打通上下游產(chǎn)業(yè)鏈，全方位推動(dòng)企業(yè)復(fù)工復(fù)產(chǎn)。

圍繞“三棵樹”做文章，“一企一策”服務(wù)重點(diǎn)企業(yè)成效凸顯，在疫情期間已協(xié)調(diào)華為省內(nèi)209家、中興21家、美的167家、TCL321家、廣汽集團(tuán)343家供應(yīng)商復(fù)工復(fù)產(chǎn)。

國(guó)產(chǎn)替代

堅(jiān)持自主創(chuàng)新技術(shù)革新，推進(jìn)“國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)口”

不久前，廣州奧松電子有限公司（下稱“奧松電子”）成功推出新一代呼吸機(jī)關(guān)鍵零部件——流量傳感器?！敖?jīng)測(cè)試可完全匹配進(jìn)口產(chǎn)品，部分性能甚至優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品，接下來即可投入量產(chǎn)?！眾W松電子副總經(jīng)理陳新準(zhǔn)表示。

受國(guó)際疫情影響，原本依賴進(jìn)口的呼吸機(jī)流量傳感器在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)出現(xiàn)緊缺。關(guān)鍵時(shí)刻，奧松電子瞅準(zhǔn)時(shí)機(jī)順勢(shì)推進(jìn)技術(shù)替代。而這也與工業(yè)和信息化部最新部署相吻合。

4月9日，工業(yè)和信息化部網(wǎng)站發(fā)布消息稱，針對(duì)全球疫情蔓延可能引發(fā)的斷供，將指導(dǎo)企業(yè)尋求可替代產(chǎn)品，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

當(dāng)前，包括電子信息產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的“廣東制造”，已深度融合在全球產(chǎn)業(yè)鏈中，形成“你中有我、我中有你”的全球化格局。疫情影響下，近期歐美部分企業(yè)停工，相關(guān)企業(yè)面臨斷供風(fēng)險(xiǎn)，而這也給國(guó)內(nèi)企業(yè)帶來了“技術(shù)替代”的窗口。

“我們希望更快實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)口的替代，并滿足全球供應(yīng)的需求?！被浶景雽?dǎo)體市場(chǎng)及營(yíng)銷副總裁李海明表示，今年底前，投資65億元的粵芯半導(dǎo)體二期項(xiàng)目將進(jìn)入設(shè)備調(diào)試，爭(zhēng)取明年上半年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；預(yù)計(jì)到2022年，一期、二期將實(shí)現(xiàn)月產(chǎn)4萬片12英寸晶圓的產(chǎn)能。

“保產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈穩(wěn)定，關(guān)鍵在于國(guó)產(chǎn)化，要實(shí)現(xiàn)‘內(nèi)循環(huán)’?！泵麝栔腔勰茉醇瘓F(tuán)股份公司董事長(zhǎng)張傳衛(wèi)認(rèn)為，目前美國(guó)、日本等國(guó)提出的產(chǎn)業(yè)回流，對(duì)我們國(guó)家的產(chǎn)業(yè)安全、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新也有啟示，就是必須堅(jiān)持自主創(chuàng)新，培育自己的核心供應(yīng)鏈，才能不受制于人。

前瞻布局

培育“雙十”產(chǎn)業(yè)集群，推動(dòng)廣東制造穩(wěn)中求進(jìn)

“這次新冠肺炎疫情，讓我們進(jìn)一步感受到了廣東產(chǎn)業(yè)鏈的強(qiáng)度和韌性。能在較短時(shí)間內(nèi)組織推動(dòng)大量企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)轉(zhuǎn)產(chǎn)口罩、防護(hù)服等疫情防控物資，就是因?yàn)閾碛型暾漠a(chǎn)業(yè)體系和產(chǎn)業(yè)鏈條。在列入全國(guó)統(tǒng)計(jì)的41個(gè)大類工業(yè)行業(yè)中，廣東有40個(gè)，產(chǎn)業(yè)配套能力無與倫比?！睆垥?huì)洋表示。

接下來，為打造更加強(qiáng)大、更加堅(jiān)韌的產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈，廣東提出通過培育“雙十”產(chǎn)業(yè)集群，來穩(wěn)鏈補(bǔ)鏈強(qiáng)鏈延鏈控鏈。

省工業(yè)和信息化廳介紹，廣東初步制定了《廣東省培育發(fā)展“雙十”產(chǎn)業(yè)集群行動(dòng)計(jì)劃編制工作方案》，選定具有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)和核心競(jìng)爭(zhēng)力的10個(gè)戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)集群和10個(gè)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集群進(jìn)行重點(diǎn)培育。

其中，10個(gè)戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)集群突出“穩(wěn)”，包括新一代電子信息、綠色石化、智能家電、汽車產(chǎn)業(yè)、先進(jìn)材料、現(xiàn)代輕工紡織、軟件與信息服務(wù)、超高清視頻顯示、生物醫(yī)藥與健康、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與食品；10個(gè)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集群體現(xiàn)“進(jìn)”，包括半導(dǎo)體及集成電路、高端裝備制造、智能機(jī)器人、區(qū)塊鏈與量子信息、前沿新材料、新能源、激光與增材制造、數(shù)字創(chuàng)意、安全應(yīng)急與環(huán)保產(chǎn)業(yè)、精密儀器設(shè)備。

據(jù)了解，“雙十”產(chǎn)業(yè)集群行動(dòng)計(jì)劃將按照“成熟一個(gè)出臺(tái)一個(gè)”原則，在6月底前分期分別印發(fā)實(shí)施。其中，新一代電子信息、綠色石化、智能家電、汽車產(chǎn)業(yè)、超高清視頻顯示等5個(gè)戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)集群擬在近期出臺(tái)。

“‘雙十’產(chǎn)業(yè)集群培育既立足當(dāng)前，更著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)?！笔」I(yè)和信息化廳相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，短期看，“雙十”產(chǎn)業(yè)集群行動(dòng)計(jì)劃的實(shí)施，將有力提振企業(yè)扎根實(shí)體經(jīng)濟(jì)、扎根制造業(yè)的信心和士氣；長(zhǎng)期看，隨著“雙十”產(chǎn)業(yè)集群加快培育，必將在壯大產(chǎn)業(yè)規(guī)模、帶動(dòng)全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，不斷提升廣東產(chǎn)業(yè)鏈的強(qiáng)度和韌性，進(jìn)一步增強(qiáng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)廣東制造行穩(wěn)致遠(yuǎn)。

●南方日?qǐng)?bào)記者 李鳳祥 彭琳 王彪 實(shí)習(xí)生 張雨

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在大能量中紅外飛秒渦旋激光方面獲新進(jìn)展。研究人員提出了利用空間相位調(diào)制結(jié)合光學(xué)參量啁啾脈沖放大技術(shù)產(chǎn)生超強(qiáng)超短渦旋激光的方法，并首次實(shí)現(xiàn)中紅外波段的大能量飛秒渦旋激光輸出。相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于《光子學(xué)研究》，并被遴選為當(dāng)期的“編輯推薦”文章。

與高斯光束相比，渦旋光攜帶軌道角動(dòng)量，在量子信息、光捕獲和操縱、超分辨率顯微等前沿研究領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價(jià)值，尤其是中紅外高峰值功率的渦旋激光在驅(qū)動(dòng)高次諧波產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量的相干X射線方面具有重大應(yīng)用前景，但利用傳統(tǒng)方法難以直接產(chǎn)生高峰值功率的中紅外渦旋激光。

為此，研究人員利用非線性頻率變換的方法獲得了中紅外4微米波段的高性能種子源，通過特殊設(shè)計(jì)的相位調(diào)控元件獲得渦旋種子激光，經(jīng)過高增益光學(xué)參量放大和精密色散控制后，獲得了脈沖能量達(dá)10 毫焦、脈沖寬度為百飛秒量級(jí)的中紅外渦旋激光。并進(jìn)一步驗(yàn)證了輸出激光的拓?fù)浜蓴?shù)，證實(shí)了該方法對(duì)于渦旋特性的高保真度。

研究人員表示，這種高能量中紅外飛秒渦旋激光為強(qiáng)場(chǎng)物理領(lǐng)域提供了一種新工具，并有望進(jìn)一步擴(kuò)展到其他波長(zhǎng)或者更高峰值功率的渦旋光激光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)論強(qiáng)度的渦旋激光，并將極大地推動(dòng)相關(guān)前沿領(lǐng)域的發(fā)展。

據(jù)悉，該項(xiàng)工作得到了中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B類專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市科委等項(xiàng)目的支持。

本文作者王立軍，寧永強(qiáng)，秦莉，佟存柱，陳泳屹，發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，僅作交流學(xué)習(xí)之用，感謝分享！

引言

激光是 20 世紀(jì)以來繼原子能、電子計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后人類的又一重大發(fā)明。半導(dǎo)體激光科學(xué)與技術(shù)以半導(dǎo)體激光器件為核心，涵蓋研究光的受激輻射放大的規(guī)律、產(chǎn)生方法、器件技術(shù)、調(diào)控手段和應(yīng)用技術(shù)，所需知識(shí)綜合了幾何光學(xué)、物理光學(xué)、半導(dǎo)體電子學(xué)、熱力學(xué)等學(xué)科。

半導(dǎo)體激光歷經(jīng)五十余年發(fā)展，作為一個(gè)世界前沿的研究方向，伴隨著國(guó)際科技進(jìn)步突飛猛進(jìn)的發(fā)展，也受益于各類關(guān)聯(lián)技術(shù)、材料與工藝等的突破性進(jìn)步。半導(dǎo)體激光的進(jìn)步在國(guó)際范圍內(nèi)受到了高度的關(guān)注和重視，不僅在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域不斷研究深化，科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，而且在應(yīng)用領(lǐng)域上不斷拓展和創(chuàng)新，應(yīng)用技術(shù)和裝備層出不窮，應(yīng)用水平同樣取得較大幅度的提升，在世界各國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，特別是信息、工業(yè)、醫(yī)療和國(guó)防等領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用。

當(dāng)前，國(guó)際上半導(dǎo)體激光的發(fā)展正處于新一階段的快速發(fā)展時(shí)期，而我國(guó)的激光科學(xué)技術(shù)基本保持了與國(guó)際同步發(fā)展的態(tài)勢(shì)。從社會(huì)全面發(fā)展、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)提升、國(guó)防安全應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型等各方面，從國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)性發(fā)展的角度，對(duì)包括半導(dǎo)體激光科技的全面創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)型發(fā)展提出了更為明確的需求。本文對(duì)半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并且具體介紹了長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所近年來在大功率半導(dǎo)體激光器，特別是在大功率半導(dǎo)體激光器的激光光源、垂直腔面發(fā)射激光器和新型激光器芯片等方面所取得的成就。

大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷程

1962 年，美國(guó)科學(xué)家宣布成功研制出了第一代半導(dǎo)體激光器———GaAs 同質(zhì)結(jié)構(gòu)注入型半導(dǎo)體激光器。由于該結(jié)構(gòu)的激光器受激發(fā)射的閾值電流密度非常高，需要 5 × 10^4 ～ 1 × 10^5 A/ cm2，因此它只能在液氮制冷下才能以低頻脈沖狀態(tài)工作。從此開始，半導(dǎo)體激光器的研制與開發(fā)利用成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

1963 年，美國(guó)的 Kroemer 和前蘇聯(lián)科學(xué)院的Alferov 提出把一個(gè)窄帶隙的半導(dǎo)體材料夾在兩個(gè)寬帶隙半導(dǎo)體之間，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以期在窄帶隙半導(dǎo)體中產(chǎn)生高效率的輻射復(fù)合。隨著異質(zhì)結(jié)材料的生長(zhǎng)工藝，如氣相外延(VPE)、液相外延(LPE) 等的發(fā)展，1967 年，IMB 公司的 Woodall 成功地 利 用 LPE 在 GaAs 上 生 長(zhǎng) 了 AlGaAs。在 1968—1970 年期間，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Panish， Hayashi 和 Sμmski 成功研究了 AlGaAs/GaAs 單異質(zhì)結(jié)激光器，室溫閾值電流密度為 8.6 × 10^3 A/ cm2，比同質(zhì)結(jié)激光器降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

正當(dāng)美國(guó)學(xué)者們致力于單異質(zhì)結(jié)激光器的研究時(shí)，前蘇聯(lián)科學(xué)院約飛物理研究所的 Alferov 等宣布研制成功雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器( HD-LD) 。該結(jié)構(gòu)是將 p-GaAs 半導(dǎo)體有源區(qū)夾在寬禁帶的n-AlGaAs 層和 p-AlGaAs 層之間，使得室溫下的閾值電流降低到 4 × 10^3 A/cm2。雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器閾值電流密度之所以能夠明顯降低，主要是依靠雙異質(zhì)結(jié)的兩個(gè)作用: ( 1) 有源區(qū)兩邊包層材料的帶隙寬于有源區(qū)材料的帶隙，這使得注入雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的載流子被有效地限制在有源區(qū)內(nèi)，以利于產(chǎn)生高的增益; ( 2) 有源區(qū)材料的折射率大于兩邊包層材料的折射率，形成的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能將大部分光限制在有源區(qū)內(nèi)。

雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器的問世標(biāo)志著半導(dǎo)體激光器的發(fā)展進(jìn)入了新時(shí)期。1978 年，半導(dǎo)體激光器成功地應(yīng)用于光纖通訊系統(tǒng)中。隨著新材料、新結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，半導(dǎo)體激光器的電學(xué)和光學(xué)性能有了很大的提高。進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代以后，由于引入了半導(dǎo)體物理研究的新成果———能帶工程理論，同時(shí)晶體外延材料生長(zhǎng)新工藝如分子束 外 延 ( MBE ) 、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積( MOCVD) 和化學(xué)束外延( CBE)等取得重大成就，使得半導(dǎo)體激光器成功地采用了量子阱和應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，制備出了許多性能優(yōu)良的激光器件，如各類量子阱激光器、應(yīng)變量子阱激光器、垂直腔面發(fā)射激光器和高功率半導(dǎo)體激光器陣列等，實(shí)現(xiàn)了高功率輸出。

量子阱激光器窄帶隙有源區(qū)材料的厚度通常小于電子在該材料的德布羅意波長(zhǎng)( 一般小于10 ～ 20 nm) ，這樣能使注入的電子被勢(shì)阱有效地吸收。在量子阱中電子和空穴沿著垂直阱壁方向的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)量子化的特點(diǎn)，電子的態(tài)密度也變?yōu)殡A梯狀，這時(shí)只需要很小的注入電流就可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因此量子阱激光器具有很小的閾值電流、很高的微分量子效率和高輸出功率。

1977 年，日本東京工業(yè)大學(xué)的伊賀健一( Kenichi Iga) 提出垂直腔面發(fā)射激光器( Vertical- cavity surface-emitting laser，VCSEL) 的概念，其工作原理如圖 1 所示。這種激光器由于光學(xué)諧振腔與半導(dǎo)體芯片的襯底垂直，因此能夠?qū)崿F(xiàn)芯片表面的激光發(fā)射，有著低閾值電流、穩(wěn)定單波長(zhǎng)工作、可高頻調(diào)制、容易二維集成、沒有腔面閾值損傷等優(yōu)點(diǎn)。隨著材料生長(zhǎng)工藝的成熟和器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，VCSEL器件在低閾值電流及室溫工作等方面取得了一系列進(jìn)展，并于1988年實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)激射。目前，VCSEL已經(jīng)在光通信、光互連、激光引信、激光顯示、光信號(hào)處理以及芯片級(jí)原子鐘等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

隨著理論研究和制備工藝的發(fā)展，尤其是在美國(guó)SHEDS、ADHEL和德國(guó)BIOLAS等項(xiàng)目的支持下，半導(dǎo)體激光器芯片結(jié)構(gòu)、外延生長(zhǎng)和器件封裝等技術(shù)均有了很大的發(fā)展。半導(dǎo)體激光器以其轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕、可靠性高、能直接調(diào)制及易與其他半導(dǎo)體器件集成等特點(diǎn)，在軍事、工業(yè)加工、激光醫(yī)療、光通信、光存儲(chǔ)和激光打印等信息領(lǐng)域中有著非常廣泛的應(yīng)用。

大功率半導(dǎo)體激光器的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)在國(guó)際上半導(dǎo)體激光器研究的重大技術(shù)問題是: 如何同時(shí)獲得高功率、高可靠性和高能量轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)提高光束質(zhì)量并擁有良好的光譜特性。隨著材料生長(zhǎng)技術(shù)和器件制備工藝的發(fā)展和進(jìn)步，新的有源材料不斷涌現(xiàn)，更好的器件結(jié)構(gòu)和工藝日趨成熟，半導(dǎo)體激光器的功率、可靠性和能量轉(zhuǎn)換效率都得到了迅速提高; 以往相比于其他激光器的劣勢(shì)，如光束質(zhì)量差、光譜線寬過大等問題也得到了相當(dāng)程度的改善，半導(dǎo)體激光器的性能得到不斷的提升，在很多領(lǐng)域正在逐漸取代其他激光光源，并且其應(yīng)用前景也越來越廣泛。

3.1 半導(dǎo)體激光器的輸出功率

商用大功率半導(dǎo)體激光器主要工作在近紅外波段，其波長(zhǎng)范圍在800 ～ 1100 nm 之間。目前，提高半導(dǎo)體激光器的輸出功率主要有兩種方式:一種是提高半導(dǎo)體激光器芯片上單管激光的輸出功率，另一種是增加半導(dǎo)體激光器的發(fā)光點(diǎn)個(gè)數(shù)。

提高單管激光的輸出功率，需要改進(jìn)激光器的芯片結(jié)構(gòu)，提升材料生長(zhǎng)、芯片制備、腔面鍍膜及封裝散熱等關(guān)鍵技術(shù)。增加激光器發(fā)光點(diǎn)的個(gè)數(shù)則主要表現(xiàn)為激光器線陣( 多個(gè)激光單元在外延層方向同芯片集成，也叫做激光器 bar 條) 、迭陣、單管模組、面陣等激光合束技術(shù)。傳統(tǒng)激光合束(Traditional beam combining，TBC) 技術(shù)基于半導(dǎo)體激光器的光斑、偏振和光譜特性，單純從外部光學(xué)系統(tǒng)考慮，利用空間合束、偏振合束和波長(zhǎng)合束對(duì)單管、線陣和迭陣進(jìn)行能量合束和光束整形。外腔光譜合束( External cavity feedback wavelength beam combining，ECFWBC) 技術(shù)利用光柵進(jìn)行外部光學(xué)反饋實(shí)現(xiàn)光譜合束，可以在提高功率的基礎(chǔ)上保證良好的光束質(zhì)量。

3.1.1 單管輸出功率及單管合束光源

近幾年來，半導(dǎo)體激光器近紅外波段的輸出功率得到了顯著提高，目前單管激光器的連續(xù)輸出功率已超過 10 W，最高可達(dá)到 25 W，如表 1所示。

半導(dǎo)體激光器單管合束是由激光單管組成的最小光學(xué)模組，可以直接合束實(shí)現(xiàn)光纖輸出。激光器單管合束的優(yōu)點(diǎn)是: 壽命長(zhǎng)、可靠性高，慢軸光束質(zhì)量比較好，可耦合進(jìn)芯徑≤100μm的光纖; 由于熱源分散且發(fā)熱量小，可以采用傳導(dǎo)冷卻或風(fēng)冷，因而光源模組整體體積小，重量輕; 無需高電流驅(qū)動(dòng)，可以采用并聯(lián)方式，對(duì)電源要求也比較低。但是，相對(duì)于線陣和迭陣，激光單管經(jīng)過合束后輸出的功率一般為數(shù)百瓦，因此一般用在功率需求為幾十瓦至數(shù)百瓦、或者對(duì)體積和可靠性要求非常高的場(chǎng)合，如光纖激光器泵浦、激光醫(yī)療等。

近年來，單管耦合光源的應(yīng)用范圍越發(fā)廣泛，發(fā)展迅速。美國(guó)Fraunhofer USA 采用 120個(gè)單管耦合進(jìn) 200 μm 光纖，功率輸出 ＞ 700 W。美國(guó) nLight 采用 72 個(gè) 940 nm 波長(zhǎng)的單管，排列成 4 個(gè)單元，實(shí)現(xiàn)光纖輸出 700 W 連續(xù)功率 。

3.1.2 激光器線陣輸出功率與線陣合束光源

隨著技術(shù)發(fā)展和單管輸出功率的提高，半導(dǎo)體激光bar條的輸出功率也顯著增加。厘米 bar條的輸出功率從 2000 年時(shí)的 240 W 已經(jīng)提高至1 000 W 左右，增大到原來的 4 倍，增長(zhǎng)非常迅速，如表 2 所示。

半導(dǎo)體激光器線陣合束，指的是若干傳導(dǎo)冷卻或大通道熱沉封裝的激光器線陣，通過光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)分立空間位置上的激光能量疊加。這種激光器線陣合束技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是線陣光路獨(dú)立，裝調(diào)簡(jiǎn)便精度高，不存在公差積累問題; 熱源分散，可以采用傳導(dǎo)冷卻或大通道水冷，散熱要求低; 線陣之間的電連接與冷卻液隔絕，因而可以采用普通純凈水作為冷卻液; 被準(zhǔn)直的線陣光束不受熱沉厚度影響，合束光斑無暗區(qū)疊加。但是，由于半導(dǎo)體激光器線陣排布比較分散，所以相同功率的線陣合束光源體積明顯大于迭陣合束光源?？紤]到總體積和光路復(fù)雜性，參與合束的激光器線陣一般不超過 50 個(gè)，因此該技術(shù)適用于輸出功率為數(shù)百瓦級(jí)至 3 000 W 級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)合。

近年來，半導(dǎo)體激光器線陣合束的研究也有了很快的發(fā)展。德國(guó) Limo 采用 38 個(gè)傳導(dǎo)熱沉封裝激光器線陣，形成 8 個(gè)線陣合束單元，實(shí)現(xiàn)了 200 μm 芯徑、0． 22 數(shù)值孔徑的光纖的 1 200 W功率輸出。德國(guó) Dilas 采用 28 個(gè)激光器線陣，實(shí)現(xiàn)了 200 μm 芯徑、0.22 數(shù)值孔徑的光纖的 775 W 功率單波長(zhǎng)激光輸出，然后通過波長(zhǎng)合束，實(shí)現(xiàn)了 500 μm 芯徑、0.12 數(shù)值孔徑的光纖的 3 835 W 連續(xù)功率輸出。德國(guó) Trumf 采用低填充因子的激光器線陣，制成 100 μm 芯徑、0.12 數(shù)值孔徑的光纖的 100 W 線陣合束模塊，然后以 19 個(gè)模塊經(jīng)過光纖捆綁方式實(shí)現(xiàn)空間合束，再通過波長(zhǎng)合束方式實(shí)現(xiàn) 600 μm 芯徑、0.12 數(shù)值孔徑的光纖的 3 000 W 連續(xù)功率輸出。

3.1.3 激光器迭陣合束光源

半導(dǎo)體激光器迭陣是通過若干微通道熱沉封裝的bar條在快軸方向直接堆疊而成，激光器迭陣合束技術(shù)是高功率半導(dǎo)體激光光源最常采用的合束方式。

在可以保證單層激光器bar條連續(xù)輸出數(shù)百瓦激光功率的情況下，受限于熱沉內(nèi)微通道的水壓降，激光器迭陣中激光器 bar 條數(shù)一般不能超過 50 層。這樣，單個(gè)激光器迭陣能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)工作數(shù)千瓦的激光輸出。通過增加激光器迭陣數(shù)量進(jìn)行激光合束，能夠?qū)崿F(xiàn)上萬瓦甚至數(shù)十萬瓦的半導(dǎo)體激光輸出。激光器迭陣光源具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小( 包括微通道熱沉在內(nèi)，單個(gè)激光器bar條體積為 0.6 cm3 左右，50 層 bar 條不超過 30 cm3 ) 的優(yōu)點(diǎn)，是目前半導(dǎo)體激光光源實(shí)現(xiàn)高功率輸出的主要封裝方式。

激光器迭陣通過熱沉與激光芯片之間的串聯(lián)加電，另外，微通道熱沉中水道截面直徑在微米量級(jí)，容易發(fā)生堵塞，這就要求激光器迭陣的冷卻液必須采用高度絕緣性的純凈去離子水，并定期維護(hù)更換，因而對(duì)冷卻液和熱沉的要求非常高。

綜合考慮輸出功率和可靠性等方面，在要求連續(xù)輸出 3 000 W 甚至更高功率的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)該使用基于激光器迭陣的半導(dǎo)體激光合束技術(shù)。

德國(guó)Laserline公司基于激光器迭陣，結(jié)合平行平板堆整形方法和激光合束技術(shù)，已研制出了多種半導(dǎo)體激光直接加工機(jī)，代表參數(shù)如表 3 所示。15 kW 功率的光束質(zhì)量為 100 mm·mrad，2 kW 功率的光束質(zhì)量為20 mm·mrad，后者超過了相同功率下燈泵 Nd∶ YAG 激光的光束質(zhì)量。該公司半導(dǎo)體激光光源保質(zhì)期長(zhǎng)達(dá) 5 年( 43 800 h) ，是燈泵 Nd∶ YAG 激光( ＜ 2 000 h) 的數(shù)十倍，這使得它在材料加工市場(chǎng)非常具有競(jìng)爭(zhēng)力。目前該公司產(chǎn)品已直接應(yīng)用在熔覆、表面強(qiáng)化、金屬焊接和深熔焊等材料加工領(lǐng)域。

3.2 半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)換效率

半導(dǎo)體激光器的功率轉(zhuǎn)換效率是半導(dǎo)體激光器非常重要的指標(biāo)之一。高轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的廢熱少、能量利用率高，可以大大延長(zhǎng)器件的工作壽命，提升可靠性; 同時(shí)也意味著可以采用更小、更輕、更經(jīng)濟(jì)的冷卻系統(tǒng)，使得半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的移動(dòng)平臺(tái)具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

隨著技術(shù)的發(fā)展和各國(guó)科研項(xiàng)目的支持( 美國(guó)國(guó)防先進(jìn)技術(shù)研究計(jì)劃署( DAＲPA) 專門設(shè)立了提高半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率到 80% 為目標(biāo)的超高效率激光器光源( SHEDS) 項(xiàng)目) ，高功率半導(dǎo)體激光器光源的效率已經(jīng)達(dá)到很高的水平。紅外波段可達(dá)到 70% 以上。目前國(guó)際上關(guān)于高功率半導(dǎo)體激光器件的轉(zhuǎn)換效率與波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 4 所示。

3.3 半導(dǎo)體激光器的可靠性

半導(dǎo)體激光器的可靠性在應(yīng)用中是一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)。在通信、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域，小功率半導(dǎo)體的可靠性已基本解決，工作壽命可以達(dá)到實(shí)用要求。高功率半導(dǎo)體激光器在大電流工作連續(xù)輸出時(shí)面臨著端面災(zāi)變性損傷、燒孔、電熱燒毀、光絲效應(yīng)，以及微通道熱沉的壽命等基本問題。解決這些問題一般通過以下方法: 提高晶體生長(zhǎng)質(zhì)量;改進(jìn)制備工藝和封裝技術(shù);增大光斑尺寸;優(yōu)化傳熱結(jié)構(gòu)和散熱方法等。

近年來，由于半導(dǎo)體激光器轉(zhuǎn)換效率的提升和封裝散熱工程的改進(jìn)，半導(dǎo)體激光器單管報(bào)道的最長(zhǎng)壽命很多已達(dá)到十萬小時(shí)以上，線陣的可靠性也有了非常明顯的提高。單管和 bar 條的研究進(jìn)展如表 5 和表 6所示。

3. 4 半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量

在激光醫(yī)療、顯示、自由空間光通信、泵浦光纖激光器、直接材料加工等應(yīng)用領(lǐng)域，需要激光光源同時(shí)滿足高輸出功率和高光束質(zhì)量。傳統(tǒng)的寬條結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器雖然具有高功率、高效率的優(yōu)點(diǎn)，但其易于產(chǎn)生光絲效應(yīng)和復(fù)雜多瓣的近場(chǎng)圖案，光束質(zhì)量不高。

為了改善半導(dǎo)體激光器單管的光束質(zhì)量，通?？梢酝ㄟ^改變芯片結(jié)構(gòu)和加工工藝，使得出射激光在側(cè)向和橫向受到一定的限制，從而保持出光模式 單 一 穩(wěn) 定; 而采用外腔反饋光譜合束( Wavelength beam combining，WBC) 技術(shù)，則可以改善半導(dǎo)體激光器合束光源的光束質(zhì)量。

3.4.1 半導(dǎo)體激光器單管的側(cè)向模式限制

改善半導(dǎo)體激光器單管的側(cè)向模式，最簡(jiǎn)單的方法是采用脊形波導(dǎo)(Ｒidge waveguide，ＲW)，在激光器側(cè)向引入選模設(shè)計(jì)，改善光束質(zhì)量并提高亮度。但是脊形波導(dǎo)對(duì)側(cè)向模式限制比較弱，在大電流高功率工作時(shí)，高階模容易激射。

在提高側(cè)向光束質(zhì)量方面，當(dāng)前的代表性器件是種子振蕩功率放大器( Master oscillator popwer amplifier，MOPA) 結(jié)構(gòu)的錐形激光器，如圖 2 所 示。MOPA 結(jié)構(gòu)是指將具有較小功率和極高光束質(zhì)量的單模種子振蕩源 ( Master oscillator， MO) 激光注入到半導(dǎo)體放大器( Power amplifier， PA) 中進(jìn)行放大，當(dāng)采用整個(gè)芯片作為諧振腔單片集成時(shí)就是所說的錐形激光器。其優(yōu)點(diǎn)是只需一次外延生長(zhǎng)，易于制造而且結(jié)構(gòu)緊湊，還可以集成光柵等結(jié)構(gòu)用于進(jìn)行光譜線寬的調(diào)制。

錐形激光器誕生已將近 20 年，其性提升非常快。德國(guó) FBH 研究所先后報(bào)道了多種波長(zhǎng)的錐形激光器。其中，808 nm 波長(zhǎng)器件的近衍射極限連續(xù)輸出功率可達(dá) 4.4 W，光束質(zhì)量為 1.9 mm·mrad，在 3.9 W 功率下光束質(zhì)量為 1.3 mm· mrad，亮度為 460 MW·cm^ － 2·sr^ － 1; 在脈沖條件下工作輸出功率可達(dá) 27 W，近衍射極限輸出功率可達(dá) 9 W。979 nm 波長(zhǎng)的 DBＲ 錐形激光器連續(xù)輸出功率達(dá)到了 12 W，轉(zhuǎn)換效率約為 44% ， 在 11. 4 W 時(shí)光束質(zhì)量為 1.1 mm·mrad，亮度可達(dá) 1 100 MW·cm ^－ 2 ·sr ^－ 1。1 060 nm波長(zhǎng)的DBＲ 錐形激光器的輸出功率達(dá)到了 12.2 W，10 W時(shí)光束質(zhì)量?jī)H為 1. 2 mm·mrad，線寬只有 17 pm ( FWHM) ，亮度達(dá)到了800 MW·cm ^－2·sr ^－1。

其他用于激光器單管的側(cè)向模式限制的方法還有傾斜光柵分布反饋激光器以及平板耦合波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器等。

3.4.2 半導(dǎo)體激光器單管的橫向模式限制

2002 年，Ledentsov等提出了一種基于縱向光子帶晶體波導(dǎo)的新型激光器結(jié)構(gòu)，它在激光器垂直方向采用周期性生長(zhǎng)的半導(dǎo)體層構(gòu)成有帶隙的光子晶體進(jìn)行光限制。隨著這一技術(shù)的提出，傳統(tǒng)芯片光束質(zhì)量差的問題得到了很大的改善。半導(dǎo)體激光器可以從芯片上實(shí)現(xiàn)大模式光斑尺寸、低腔面損傷閾值、單橫模、低發(fā)散角、近圓形光斑工作，因而更容易獲得高光束質(zhì)量和高亮度激光。近幾年來，這種基于光子帶晶體波導(dǎo)的新型激光器得到了快速的發(fā)展，性能指標(biāo)如表 7 所示。

3. 4. 3 半導(dǎo)體激光器外腔反饋光譜合束技術(shù)

由TBC原理，通過空間合束增加激光功率，會(huì)導(dǎo)致激光系統(tǒng)整體的光束質(zhì)量降低。偏振合束和波長(zhǎng)合束技術(shù)只能在維持光束質(zhì)量不變的情況下，以一定的倍數(shù)提高激光功率。TBC 光源的光束質(zhì)量一般遠(yuǎn)大于激光單元的光束質(zhì)量。

ECFWBC 技術(shù)結(jié)合半導(dǎo)體激光內(nèi)部振蕩與外部光學(xué)系統(tǒng)反饋，實(shí)現(xiàn)每個(gè)激光單元的諧振波長(zhǎng)均與外部光柵色散和外腔反饋匹配，使得所有激光單元沿相同方向諧振，以保持近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)相重合的方式輸出。合束激光的光束質(zhì)量與單個(gè)激光單元一致，激光功率為所有激光單元總和，其原理如圖 3 所示。因此只要激光單元具有高光束質(zhì)量，半導(dǎo)體激光合束光源也可實(shí)現(xiàn)近衍射極限的高功率激光輸出。這種 ECFWBC 技術(shù)有著衍射效率高、損傷閾值高、耦合單元多、更容易輸出高功率等優(yōu)點(diǎn)。

美國(guó)麻省理工( MIT) 、美國(guó) Teradiode、美國(guó)Coherent、美國(guó) Aculight、法國(guó) Thales 和丹麥科技大學(xué)(DTU) 在 ECFWBC 技術(shù)的研究上取得了重要進(jìn)展，如表 8 所示。美國(guó) Teradiode 公司已達(dá)到商品化水平，2012 年，其 2 030 W 半導(dǎo)體激光合束光源產(chǎn)品已達(dá)到相同功率條件下商用全固態(tài)激光水平。

3. 4.4 高功率半導(dǎo)體激光合束光源的光束質(zhì)量

圖 4 為近年來高功率半導(dǎo)體激光器合束光源的光束質(zhì)量發(fā)展進(jìn)程。從 1998 年至 2007 年，相同功率激光的光束質(zhì)量提高近 10 倍。從 2007 年 到 2012 年，基于傳統(tǒng)激光合束的光源光束質(zhì)量在千瓦至萬瓦量級(jí)提高 3 倍左右，接近并部分達(dá)到燈泵 Nd∶ YAG 激光器水平。光譜合束技術(shù)大大提高了合束光源的光束質(zhì)量，在百瓦至千瓦量級(jí)提高 10 倍左右，其中 940 W 光束質(zhì)量為 3.5 mm· mrad，2 030 W 光束質(zhì)量為 3.75 mm·mrad，達(dá)到CO2 激光器的光束質(zhì)量水平; 360 W 光束質(zhì)量為0.6 mm·mrad( 2 倍衍射極限) ，超過 CO2 激光器的光束質(zhì)量，接近全固態(tài)激光器的光束質(zhì)量水平。現(xiàn)在半導(dǎo)體激光器合束光源可以勝任包括金屬切割、深熔焊等對(duì)功率和光束質(zhì)量要求嚴(yán)格的應(yīng)用領(lǐng)域，其中基于傳統(tǒng)合束的半導(dǎo)體激光合束光源可以用于激光熔覆、深熔焊等，基于光譜合束的半導(dǎo)體激光合束光源達(dá)到金屬切割的加工要求。

3.5 半導(dǎo)體激光器的窄光譜線寬窄線寬

半導(dǎo)體激光器在激光通信、光互聯(lián)、非線性頻率轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。一般通過在半導(dǎo)體激光器上制備布拉格光柵進(jìn)行選頻，光柵可以放在半導(dǎo)體激光器一端的腔面處作為波長(zhǎng)反射器( 分布布拉格反射，DBＲ) 選擇激射波長(zhǎng)，或者分布在沿整個(gè)半導(dǎo)體激光器諧振腔( 分布反饋，DFB) ，也可以采用外部光柵( 例如體布拉格光柵——VBG，或體全息光柵——VHG) 。

3.5.1 分布布拉格反射激光器

DBＲ 激光器采用布拉格光柵代替激光器的一個(gè)解理腔面，不需要二次外延技術(shù)。2010 年，德國(guó) FBH 研究所采用表面布拉格光柵獲得了高功率 DBＲ 激光器，90 μm 條寬單管輸出功率達(dá)到14 W，最大轉(zhuǎn)換效率為 50% ，波長(zhǎng)偏移為 0.074 nm /K。同年，該單位又報(bào)道了一種窄線寬脊形波導(dǎo) DBＲ 激光器，采用六階表面光柵，激射波長(zhǎng)為 974 nm，單模輸出功率超過 1 W，3 dB 光譜線寬僅為 1. 4 MHz。2011 年，該單位報(bào)道了窄線寬 1 064 nm 波長(zhǎng) DBＲ 激 光 器，半 高 全 寬( FWHM) 為 180 kHz，在 180 mW 功率下本征線寬僅為 2 kHz，波長(zhǎng)偏移為 0.083 nm /K。

3. 5.2 分布反饋激光器DFB 激光器

最早由貝爾實(shí)驗(yàn)室的 H． Kogelikn等于 1972 年提出并在 1975 年實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)工作，之后在光通信領(lǐng)域得到了重視并迅速發(fā)展，其研究進(jìn)展如表9所示。DFB 激光器的特點(diǎn)是光柵分布在整個(gè)諧振腔中，光波在反饋的同時(shí)獲得增益和激射，依靠光柵的選頻原理來實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇。它的制作方法有兩種: 一種是在生長(zhǎng)完一部分 p 型波導(dǎo)層時(shí)中斷，外延一層低折射率光柵層，然后將晶片移出生長(zhǎng)反應(yīng)室，采用光刻和刻蝕形成統(tǒng)一的光柵，然后重新外延生長(zhǎng)反應(yīng)室，在光柵上繼續(xù)生長(zhǎng)，最終形成 DFB 激光器，這種方法需要二次外延生長(zhǎng)，對(duì)工藝要求比較高; 另一種方法是外延生長(zhǎng)全部結(jié)束后，通過刻蝕形成表面光柵，不需要二次外延技術(shù)。

3.5.3 外腔光柵激光器

外腔光柵激光器是通過外部光柵元件的反饋和激光器腔體的諧振實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定波長(zhǎng)的目的。通常外腔激光器由于采用了比較長(zhǎng)的腔長(zhǎng)和針對(duì)特定縱模有選擇性反射的外腔光柵，可以窄化激光器線寬并且工作在單頻率狀態(tài)。其研究進(jìn)展如表10 所示。

3.6 VCSEL 半導(dǎo)體激光器

由于 VCSEL 有著低閾值電流、穩(wěn)定單波長(zhǎng)工作、可高頻調(diào)制、容易二維集成、沒有腔面閾值損傷等優(yōu)點(diǎn)，因而在半導(dǎo)體激光器中占有很重要的地位。VCSEL 器件基于 GaAs 襯底可以做到高質(zhì)量的材料生長(zhǎng)，從而獲得很高的材料增益，還可以在單片上通過外延生長(zhǎng)晶格匹配、高折射率差、較低電阻的 AlAs 和 GaAs 材料來構(gòu)成 DBＲ。從器件性能和實(shí)用化程度來看，850 nm 波段和 980 nm波段的器件始終代表著 VCSEL 半導(dǎo)體激光器研究的最高水平。

3.6.1 850 nm 波段 VCSEL

850 nm 是石英系光纖的第一個(gè)低損窗口，高速調(diào)制的 850 nm VCSEL 可以用于中短距離的局域網(wǎng)、自由空間光通信和光互連。隨著信息時(shí)代的巨大應(yīng)用需求，VCSEL 的低功耗和高速調(diào)制等性能在 20 世紀(jì) 90 年代末和 21 世紀(jì)初得到迅速提高。

1998 年，ULM 大學(xué)制作了電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到57% 的 VCSEL 器件，該指標(biāo)一直保持了近 10 年的最高轉(zhuǎn)換效率記錄。2004 年，ULM 大學(xué)采用表面浮雕結(jié)構(gòu)的器件單模達(dá)到了 6 mW，單模抑制比達(dá)到了 40 dB; 2009 年，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了 32 Gbit /s。在這些進(jìn)展的推進(jìn)下， 850 nm 的 VCSEL 器件最早進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。

隨后，850 nm 的 VCSEL 器件在短距離光纖通信方面開始取代邊發(fā)射激光器。2002 年 1 月， Ulm Photonics 公司采用 flip-chip 方法制備的 VC- SEL 列陣和分立器件速率已達(dá) 10 Gbit /s，并已大批量生產(chǎn); 同期，日本 FujiXerox 開 始 批量生產(chǎn)VCSEL。

2003 年，Petar Pepeljugoski 等進(jìn)行了多模光纖15.6 Gb /s、1 km 和 20 Gb /s、200m的傳輸試驗(yàn)，結(jié)果顯示其指標(biāo)符合粗波分復(fù)用(CWDM) 2 × 20 Gbit/s 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。2010 年，瑞士的 Westbergh 等進(jìn)行了直接調(diào)制的多模高速器件的無錯(cuò)碼大容量通信，擁有高達(dá) 40 Gbit /s 的傳輸速率。目前，850nm 的 VCSEL 可以實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)1000 m、25 GHz 的高速通訊，通信能耗低至 69 fJ/bit。在市場(chǎng)上，美國(guó)的 Coherent、Honeywell、EMCOＲE 和 AXT 等公司以及韓國(guó)和日本的一些光通信設(shè)備制造商都有商品化的 VCSEL 器件和芯片。

3.6. 2 980 nm 波段 VCSEL

由于受到光纖激光和固體激光器泵浦、激光照明、倍頻等應(yīng)用方向的牽引，980 nm 波段的 VCSEL 在過去的 10 年發(fā)展非常迅速。最近幾年的研制主要集中于提高面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的功率和效率、實(shí)現(xiàn)高功率密度和高光束質(zhì)量方面。

2001 年，德國(guó) Ulm 大學(xué)報(bào)道了單管連續(xù)輸出890 mW 的器件，并且使用 19 個(gè)單管并聯(lián)集成了連續(xù)輸出1.4W的二維面陣。2004 年，Ulm Photonics 公司實(shí)現(xiàn)了連續(xù)輸出 6W 的集成單元面陣，共有 224 個(gè) VCSEL，斜率效率為 0. 6 W/A，轉(zhuǎn)換效率為 22% 。

美國(guó) Princeton Optronics 公司是專門從事高功率近紅外 VCSEL 的企業(yè)。該公司于 2005 年實(shí)現(xiàn)了 3 W 連續(xù)輸出的 980 nm 器件。2007 年，該公司推出了面積為 0. 22 cm2、連續(xù)輸出功率超過 230 W 的面陣，轉(zhuǎn)換效率為 50% ，溫度漂移系數(shù)小于 0.07 nm /℃。2010 年，該公司推出了用于近紅外主動(dòng)激光照明的百瓦級(jí)高功率列陣，實(shí)現(xiàn)了 500 m 的無散斑成像。2012 年，該公司又推出了用于固態(tài)激光泵浦的 980 nm 高功率 VC- SEL 面陣和面陣組合模塊產(chǎn)品，面陣組合模塊連續(xù)輸出超過 l 4 kW。

長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所在大功率半導(dǎo)體激光器方面的研究進(jìn)展

經(jīng)過研究人員的辛勤努力，長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所( 簡(jiǎn)稱長(zhǎng)春光機(jī)所) 在過去幾十年中在大功率半導(dǎo)體激光器方面取得了令人矚目的成就。

4.1 新材料量子阱激光器

1996 年，長(zhǎng)春光機(jī)所在國(guó)際上率先研制出808 nm 連續(xù)輸出功率 3. 6 W、肖特基勢(shì)壘電流限制的 InGaAsP /InGaP /GaAs 無鋁量子阱新材料高功率激光器，工作壽命超過 10 000 h。808 nm 激光器線陣連續(xù)輸出功率最高達(dá) 150 W，準(zhǔn)連續(xù)輸出超過 150 W，器件壽命超過 10 000 h。

2000 年，長(zhǎng)春光機(jī)所在國(guó)際上首次研制出InGaAsP /InGaP /GaAs 無鋁量子阱 808 nm 激光列陣及激光光纖耦合模塊。與 GaAlAs/GaAs 半導(dǎo)體激光器相比，該激光器具有壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。2004 年，該激光器基本滿足了大功率器件的要求，達(dá)到連續(xù)光功率輸出 60 W/bar，脈沖輸出 100 W/bar，發(fā)射波長(zhǎng)偏差控制在 3 nm。

4.2 大功率激光器合束光源

單純從外部光學(xué)系統(tǒng)考慮，激光合束分為空間合束、偏振合束和波長(zhǎng)合束。結(jié)合幾何光學(xué)整形方式，我們研制出基于單管、線陣、迭陣3種傳統(tǒng)激光器件的合束光源。

4.2.1 基于 TBC 技術(shù)的單管合束激光光源

激光單管是半導(dǎo)體激光器的最小組成單元，光束質(zhì)量好、亮度高。單管合束光源無需光束整形，通過空間階梯排列、快慢軸準(zhǔn)直后，由各自的空間合束鏡轉(zhuǎn)折光路直接進(jìn)行合束，然后通過擴(kuò)束聚焦耦合進(jìn)光纖，具有易散熱、體積小、重量輕、可靠性高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，是光纖泵浦、激光顯示和激光醫(yī)療等領(lǐng)域的有效光源。由于每個(gè)激光單管輸出功率一般不超過 10 W，且需配備獨(dú)立的快慢軸準(zhǔn)直鏡、空間合束鏡，因此該光源輸出功率不宜過高，一般不超過 300 W。若功率進(jìn)一步增加，則涉及的元件非常多，裝調(diào)變得非常復(fù)雜，失去成本和體積等優(yōu)勢(shì)。

基于單管合束技術(shù)，我們采用多只高亮度激光單管，結(jié)合其熱分散布局，研制出風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的多種合束光源: 105 μm/0. 2NA 光纖連續(xù)輸出 30 ～ 70 W; 200 μm/0. 2NA 光纖連續(xù)輸出功率 80 ～120 W。

4. 2.2 基于 TBC 技術(shù)的線陣合束激光光源

激光線陣合束是采用若干傳導(dǎo)冷卻熱沉封裝的激光線陣，在物理位置上分離，通過空間合束鏡實(shí)現(xiàn)光疊加，然后再進(jìn)行偏振波長(zhǎng)合束，可實(shí)現(xiàn)數(shù)百瓦至 3 kW 范圍的功率輸出。該結(jié)構(gòu)可以通過整體的工業(yè)用水進(jìn)行傳導(dǎo)冷卻，具有可靠性高、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。由于傳導(dǎo)熱沉的散熱限制，單個(gè)線陣輸出功率不宜過高，一般為40 ～ 80 W。常規(guī)的厘米線陣由于光束質(zhì)量差，需要額外的光束整形結(jié)構(gòu)，光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，因此線陣合束常采用條寬變小的迷你線陣或低填充因子的厘米線陣。

基于線陣合束光源，我 們 研 制 出 200 μm / 0.2NA光纖連續(xù) 400 W 功率輸出的激光器，可用于薄不銹鋼板的切割; 研制出 200 μm /0.2NA 光纖連續(xù) 3 000 W 功率輸出的激光器，用于金屬板焊接。設(shè)備照片如圖 5 所示。

4. 2.3 基于 TBC 技術(shù)的迭陣合束激光光源

激光迭陣是采用微通道熱沉封裝去離子水冷卻的半導(dǎo)體激光線陣在快軸方向物理位置堆疊而成。由于其優(yōu)異的散熱特性，單層迭陣可工作在100 ～ 300 W，具有易實(shí)現(xiàn)高功率輸出和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，是目前半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)數(shù)千瓦甚至上萬瓦激光功率輸出最主要的合束形式。激光迭陣通常采用厘米線陣，因此需要進(jìn)行光束整形后再激光合束。我們采用多組激光迭陣，研制出 6 kW球閥表面強(qiáng)化光源及萬瓦級(jí)激光熔覆光源，如圖6 所示。

常規(guī) TBC 技術(shù)受限于合束機(jī)理，合束后的激光光束質(zhì)量均差于激光單元光束質(zhì)量。為了進(jìn)一步提高光束質(zhì)量，從半導(dǎo)體激光器和外部光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合考慮，WBC 被證明是解決該難題的有效途徑之一。它采用前腔面鍍?cè)鐾改さ陌雽?dǎo)體激光芯片與外部光學(xué)系統(tǒng)整體構(gòu)成諧振腔，通過外部光柵調(diào)節(jié)，激光芯片上所有激光單元沿相同方向諧振，并在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)完全重合，實(shí)現(xiàn)整體光束質(zhì)量?jī)H為單元光束質(zhì)量的激光輸出，相同高功率下的光束質(zhì)量較常規(guī)方法提高數(shù)十倍。

我們利用基于透射光柵的外腔 WBC 技術(shù)，先后研制出 808 nm、970 nm 的幾十瓦至數(shù)百瓦的光譜合束光源，光束質(zhì)量?jī)H為 3 ～ 5 mm·mrad，接近激光單元的光束質(zhì)量。圖 7 為光譜合束的實(shí)驗(yàn)裝置。

4.3 VCSEL 單管及面陣

長(zhǎng)春光機(jī)所打破傳統(tǒng)觀念束縛，提出了多增益區(qū)、調(diào)制摻雜 DBＲ、大出光孔徑等新思想，理論上預(yù)期了瓦級(jí)以上大功率 VCSEL 的可能性，并在國(guó)內(nèi)最早開展了高功率 980 nm VCSEL 的研究工作，取得了一系列突破性的成果。2003 年，我們采用 3 個(gè)應(yīng)變補(bǔ)償?shù)?InGaAs/GaAsP 量子阱為有源區(qū)得到高性能的 987 nm VCSEL: 口 徑 為430 μm 的器件在室溫下的連續(xù)輸出超過 1.5 W，激射峰半高寬僅為 0.8 nm，瓦級(jí)輸出器件遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角低于 10°，特征溫度超過 220 K。隨后通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和工藝，2004 年在國(guó)際上將 980 nm VCSEL 的輸出功率刷新到 1.95 W，脈沖輸出為10. 5 W，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外報(bào)道中的最高水平。2009 年，我們研制出連續(xù)輸出超過 2.5 W 的單管( 效率 20% ) 和脈沖輸出達(dá)到千瓦的高密度集成列陣。

2010 年，我們?cè)趪?guó)際上首次提出并實(shí)現(xiàn)了大功率 VCSEL 集成面陣與其微透鏡面陣的單片集成，6 × 6 VCSEL 集成微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)了 1.0 W基模激光輸出，發(fā)散角由 14. 8°降到 6. 6°，光束質(zhì)量獲得成倍改善，為發(fā)展高光束質(zhì)量大規(guī)模集成列陣激光開辟了新方向。圖 8 為集成微透鏡陣列照片。

2010 年，我們研制出 5 × 5、10 × 10、20 × 20的脈沖輸出 138，319，510 W( 60 ns × 100 Hz) 的 VCSEL 面陣。2011 年，我們發(fā)明了兩種偏振控制的 VCSEL 激光結(jié)構(gòu)和激光器制備方法，研制出30 × 30 最高集成度( 64 個(gè)/mm^2 ) 的大功率 VC- SEL 面陣( 圖 9) ，在 3.75 nm × 3.75 mm 的面積共集成 900 個(gè)器件，單管器件連續(xù)輸出功率為 2.9 W，為發(fā)展兆瓦乃至更大功率激光光源開辟了新途徑。

2011 年，我們研制的 VCSEL 在 110 A、60 ns電流驅(qū)動(dòng)下，峰值功率高達(dá) 92 W，為當(dāng)年國(guó)際報(bào)道的最好水平，創(chuàng)造了當(dāng)年單管激光器的世界紀(jì)錄。

2013 年，我們提出并設(shè)計(jì)了 AlGaAs/In- GaAlAs 寬勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了 795 nm 和 894 nm 高溫工作( 75 ℃ ) VCSEL，適用于低功耗芯片尺寸整合微型原子鐘、原子陀螺儀等傳感器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)授時(shí)、定位、導(dǎo)航等功能。芯片體積僅為0.05 mm3，器件高穩(wěn)定單模態(tài)激光輸出高于 0.2 mW，工作電流低于 1. 5 mA，功耗低于 3 mW。

2014 年，我們針對(duì)大功率 VCSEL 面陣低電壓( 4 V，大電流 50 ～ 500 A) 驅(qū)動(dòng)問題，發(fā)明了一種面陣混合封裝結(jié)構(gòu)及其制備方法，如圖 10 所 示。利用 4 個(gè)高功率 VCSEL 單管串接，形成 980 nm 波段高功率準(zhǔn)列陣模塊，尺寸為 2.2 mm × 2. mm，輸出功率高達(dá) 210 W。該突破使得微小型高功率 VCSEL 模塊有望在激光引信、激光測(cè)距及激光面陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。

4.4 新型激光器芯片

4. 4.1 高亮度布拉格反射波導(dǎo)光子晶體激光器

我們開展了 808 nm 波長(zhǎng)布拉格反射波導(dǎo)光子晶體激光器( 圖 11) 的研究。利用光子晶體調(diào)控光學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)了近圓形光束出光，成功地將傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光快軸( 垂直) 發(fā)散角從 40°壓縮到10°以下( 半高全寬) ，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的圓形光斑激光輸出，其中優(yōu)化的三量子阱激光器含 95% 功率的垂直發(fā)散角可低至 9.8°，為當(dāng)前報(bào)道的最低值，如圖 12 所示。由于這種激光器垂直方向的模式尺寸增大，因此可有效抑制災(zāi)變光損傷。在腔面未鈍化條件下，寬條激光器單管連續(xù)和脈沖輸出功率分別可超過 3.5 W 和 11 W，bar 條脈沖輸出功率 ＞ 70 W，10 μm 條寬脊形器件壓測(cè)條件下的單模準(zhǔn)連續(xù)功率也超過了 1.1 W。

4. 4.2 布拉格反射波導(dǎo)雙光束激光器

雙光束激光器在高速激光掃描、高精度激光檢測(cè)、原位深度監(jiān)控及離軸外腔激光等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的方法是將一束激光分成兩束或?qū)墒す夂显谝黄?，但這種方式需要精確的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)不緊湊，難以批量生產(chǎn)。

在半導(dǎo)體激光器的垂直方向引入布拉格反射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用布拉格反射波導(dǎo)調(diào)控激光器工作在完全光子帶隙導(dǎo)引模式，可從芯片層次實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的對(duì)稱雙光束激光輸出，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，易于批量生產(chǎn)。我們?cè)趪?guó)際上首次研制出布拉格反射波導(dǎo)雙光束激光器( 圖 13) ，激光器輸出兩束對(duì)稱的、近圓形的激光，單光束激光垂直發(fā)散角和水平發(fā)散角分別低至7.2°和5.4°。另外，這種激光器還具有明顯的光譜調(diào)制效應(yīng)。

大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢(shì)

為滿足各行各業(yè)對(duì)半導(dǎo)體激光器的需求，大功率半導(dǎo)體激光器必須具有更高的功率、轉(zhuǎn)換效率、可靠性、光束質(zhì)量和更好的光譜特性，需要從以下幾個(gè)方面入手: ( 1) 發(fā)展新結(jié)構(gòu)和工藝，提高半導(dǎo)體激光器單管的各項(xiàng)指標(biāo); ( 2) 發(fā)展新材料、新結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，實(shí)現(xiàn)從紫外到遠(yuǎn)紅外各波段的激光輸出: ( 3) 發(fā)展新的激光合束技術(shù)，提高半導(dǎo)體激光器的輸出功率; ( 4) 拓展半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用領(lǐng)域，如3D打印、超短脈沖加工、納米光學(xué)等新興領(lǐng)域，促進(jìn)半導(dǎo)體激光器應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

來源：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所

使用過貝殼找房、鏈家、自如等APP的消費(fèi)者，都有過類似體驗(yàn)：一鍵即可進(jìn)入VR看房場(chǎng)景，自由行走去觀察房屋的每一個(gè)細(xì)節(jié)。隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，其所能提供沉浸式畫面的優(yōu)勢(shì)與房產(chǎn)服務(wù)過程中的痛點(diǎn)相結(jié)合，已成為房產(chǎn)服務(wù)線上化變革的關(guān)鍵點(diǎn)。

就在今年的4月23日新居住大會(huì)上，貝殼找房正式推出了全新的VR采集產(chǎn)品——伽羅華激光VR采集設(shè)備，讓激光+VR正式應(yīng)用到居住服務(wù)產(chǎn)業(yè)。

1. 技術(shù)升級(jí)，激光量房達(dá)到毫米級(jí)絕對(duì)誤差

貝殼·如視VR一直致力于為終端用戶提供一站式的空間建模服務(wù)、本次推出的伽羅華激光VR采集設(shè)備，在VR采集精度、范圍、效率上都有了顯著提升。

伽羅華可實(shí)現(xiàn)360度自動(dòng)全景掃描，采集場(chǎng)景的深度數(shù)據(jù)，并對(duì)畫面進(jìn)行自動(dòng)拼接處理，生成VR物料。設(shè)備搭載的深度激光檢測(cè)模組，既讓采集半徑由5米擴(kuò)大到10米，大幅減少了采集點(diǎn)位，提升采集效率，也讓深度采集精度達(dá)到20mm的絕對(duì)誤差，大量實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，伽羅華多數(shù)情況下對(duì)普通室內(nèi)環(huán)境的量房面積誤差已可控制到0.4%以內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)“裝修級(jí)量房”。此外，伽羅華的彩色感光部件也升級(jí)為4/3英寸的大靶面CMOS，sensor面積大約是多數(shù)手機(jī)攝像頭1/2英寸CMOS的7倍，結(jié)合使用多層鍍膜技術(shù)的魚眼鏡頭，可有效抵御炫光、紫邊等問題，讓采集畫質(zhì)達(dá)到微單級(jí)別，以更精準(zhǔn)的色彩呈現(xiàn)讓房屋的每一處細(xì)節(jié)清晰可見。

隨著伽羅華的推出，線上VR看房將真正實(shí)現(xiàn)媲美線下的看房體驗(yàn)。不同于傳統(tǒng)的圖片和視頻，以激光模組打造出的VR房源可以極其精準(zhǔn)地呈現(xiàn)房屋的三維結(jié)構(gòu)、尺度信息、整體戶型、內(nèi)部裝修以及房間細(xì)節(jié)等信息，讓用戶最大程度上沉浸在VR場(chǎng)景內(nèi)，打破傳統(tǒng)通過圖片、視頻看房?jī)H能通過想象的尷尬局面。

2. 數(shù)據(jù)升維，VR步入更大應(yīng)用場(chǎng)景

更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，也讓VR有了更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景?；诩す獠杉龅腣R數(shù)據(jù)，消費(fèi)者將無需再進(jìn)行費(fèi)時(shí)費(fèi)力的線下量房，房屋內(nèi)任意兩點(diǎn)之間的距離都可精準(zhǔn)呈現(xiàn)。在貝殼的“未來家”應(yīng)用里，更可結(jié)合貝殼的物品識(shí)別技術(shù)，將房屋三維CAD結(jié)構(gòu)圖與AI設(shè)計(jì)相結(jié)合，通過不同風(fēng)格的AI設(shè)計(jì)和室內(nèi)虛擬環(huán)境的實(shí)時(shí)逼真渲染，在短時(shí)間內(nèi)將購(gòu)房者腦中的裝修方案具象化，實(shí)現(xiàn)看房—買房—裝修一站式解決。

另一方面，不斷增長(zhǎng)的VR數(shù)據(jù)，也在不斷推動(dòng)VR采集技術(shù)的迭代?；诖髷?shù)據(jù)與單目圖像深度估算技術(shù)，如視VR已實(shí)現(xiàn)讓普通的一部手機(jī)就能輕松實(shí)現(xiàn)VR空間重建，讓所有的用戶、所有的行業(yè)都能“零門檻”地?fù)肀R，以VR來記錄空間、記錄生活。

據(jù)悉，北京、上海等10城將率先以伽羅華激光VR采集設(shè)備進(jìn)行房源的三維重塑。

隨著新冠病毒在世界范圍內(nèi)擴(kuò)散，患者、技術(shù)人員和科學(xué)家在對(duì)抗導(dǎo)致這種疾病的病毒時(shí)，都依賴于最新的分子分析儀器。這些儀器中嵌入的光學(xué)和光子技術(shù)（例如高量子效率的多光譜相機(jī)、可見光激光二極管和LED、紅外輻射熱計(jì)陣列、窄帶濾光片和寬帶多光譜光譜儀）起著至關(guān)重要的作用。

無論在醫(yī)院還是在實(shí)驗(yàn)室中，光學(xué)技術(shù)都可以對(duì)潛在感染者進(jìn)行快速的初步篩查，提供更準(zhǔn)確的分子診斷，可靠的疾病進(jìn)展監(jiān)控，甚至可能對(duì)被污染的表面進(jìn)行消毒。在過去的幾十年中，我們?nèi)祟愰_發(fā)了這些使能技術(shù)，其應(yīng)用范圍從電信到機(jī)器和夜視等?，F(xiàn)在，它們又在與新冠病毒的戰(zhàn)斗中扮演著挽救生命的角色。

在阻止新冠病毒大流行上，如何在早期篩查出感染者是主要挑戰(zhàn)之一，因?yàn)樵摷膊“Y狀的廣泛差異使篩查工作變得復(fù)雜且艱難。監(jiān)測(cè)體表溫度升高是最常用的初步方法，這也是監(jiān)控發(fā)燒的最準(zhǔn)確方法。但是，考慮到新冠病毒的致病性，采用紅外成像攝相機(jī)遠(yuǎn)程同步拍攝和測(cè)量人群的非接觸式設(shè)備具有明顯的安全優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)在，許多臨床醫(yī)生依靠基于紅外線的溫度計(jì)來測(cè)量額頭溫度。這些成像和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量測(cè)溫設(shè)備為醫(yī)務(wù)人員與患者提供了更安全和有效的非接觸式屏障。這些溫度計(jì)基于單個(gè)檢測(cè)器或基于MEMS的微輻射熱計(jì)或半導(dǎo)體二極管檢測(cè)器的陣列——在遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)域（8至14 μm）敏感的熱傳感器，并檢測(cè)出身體溫度高于正常溫度的人黑體輻射強(qiáng)度的變化。

如果患者發(fā)燒或出現(xiàn)其他典型的病毒感染癥狀（喉嚨痛、干咳、肌肉酸痛、乏力），那么他需要進(jìn)行進(jìn)一步的分子診斷測(cè)試。這種基于實(shí)時(shí)逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)(RT-PCR)的技術(shù)，使用靈敏的光譜方法，從患者的鼻或咽拭子中檢測(cè)出極少量的病毒遺傳物質(zhì)。再者，光學(xué)技術(shù)是疾病檢測(cè)必不可少的組成部分。

診斷過程需要大量的樣品處理，首先要從病人身上采集標(biāo)本。實(shí)時(shí)RT-PCR是通過在樣本中復(fù)制特定的核酸序列來工作的，使用的探針——核酸引物——選擇性地與新冠病毒中的RNA序列結(jié)合。探針被熒光染料分子標(biāo)記。

然后使用酶復(fù)制結(jié)合到探針上的核酸序列。在37°C至95°C之間將樣品進(jìn)行約40次熱循環(huán)。如果存在靶核酸序列，則每個(gè)循環(huán)將其擴(kuò)增兩倍。

光學(xué)技術(shù)將“實(shí)時(shí)”置于RT-PCR中。隨著擴(kuò)增酶產(chǎn)生重復(fù)拷貝，熒光分子被釋放到緩沖溶液中。在每個(gè)循環(huán)后實(shí)時(shí)測(cè)量總熒光，對(duì)于陽性樣品，隨著擴(kuò)增子數(shù)量的增加而增加。通過測(cè)量熱循環(huán)過程中的強(qiáng)度積累，可以檢測(cè)到病毒，并可以估算存在的病毒數(shù)量（病毒載量）。

實(shí)時(shí)RT-PCR儀器采用窄帶可見激光二極管或LED作為激發(fā)源，并采用帶有窄帶通光學(xué)濾波器的半導(dǎo)體二極管或光電倍增器進(jìn)行檢測(cè)。這些儀器是全自動(dòng)的，通常可以在不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)并行處理96或384個(gè)樣品。

在“TaqMan”實(shí)時(shí)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，一種帶有熒光分子和猝滅劑的核酸探針分子附著在被復(fù)制的DNA或RNA片段上。通過每一輪擴(kuò)增，熒光分子被釋放到緩沖液中，并與淬滅劑分離，從而可以通過熒光實(shí)時(shí)檢測(cè)目標(biāo)基因序列（例如新冠病毒的基因序列）的擴(kuò)增。

實(shí)時(shí)RT-PCR技術(shù)是當(dāng)今可用的最靈敏、最特異性的分子分析技術(shù)之一。這種檢測(cè)對(duì)于跟蹤和控制新冠病毒的傳播至關(guān)重要。但是，該方法的總體靈敏度可能會(huì)受到樣品收集和制備過程效率的限制。存在于采樣組織中的病毒數(shù)量（比如個(gè)體之間的差異以及病毒在每個(gè)患者體內(nèi)的進(jìn)展）也可能是限制因素。

目前估計(jì)這種方法的假陰性率約為30％。重復(fù)檢測(cè)可以降低這一比例，這就是為什么許多醫(yī)院在患者康復(fù)之后將其分類為非傳染性患者之前需要進(jìn)行兩到三次連續(xù)的實(shí)時(shí)RT-PCR陰性試驗(yàn)的原因。

除了分子診斷，新冠病毒患者肺部成像也被證明了對(duì)使用高分辨率計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）掃描檢測(cè)病毒感染非常敏感。臨床醫(yī)生尋找肺損傷的跡象，如肺組織中的“磨毛玻璃”樣或體液積聚作為肺炎的標(biāo)志。中國(guó)的醫(yī)護(hù)人員報(bào)告說，這種方法可以檢測(cè)出大量被感染的個(gè)體，他們的RT-PCR讀數(shù)為陰性，然而，只有在疾病發(fā)展的后期，一旦出現(xiàn)肺部損傷情況，這種方法才能檢測(cè)到。

如果病人被診斷出患有新冠病毒，則可以使用氧飽和度計(jì)確定疾病的進(jìn)展和呼吸功能，該氧飽和度計(jì)可測(cè)量血液中氧合血紅蛋白的百分比。隨著疾病的進(jìn)展，呼吸可能變得困難，導(dǎo)致含氧血紅蛋白減少——如果水平降至某些閾值以下，則可能需要補(bǔ)充氧氣或用上呼吸機(jī)。

氧飽和設(shè)備使用以兩種不同波長(zhǎng)發(fā)射的發(fā)光二極管，波長(zhǎng)通常在665 nm和894 nm左右。氧飽和度百分?jǐn)?shù)由這兩個(gè)波長(zhǎng)下的吸收率測(cè)得。這些電池供電的設(shè)備可舒適地夾在手指或腳趾上，提供氧飽和度水平的實(shí)時(shí)測(cè)量。

光學(xué)儀器還被用來測(cè)試一個(gè)人是否曾接觸過新冠病毒并已產(chǎn)生免疫反應(yīng)。這些儀器可以每天自動(dòng)分析成百上千個(gè)樣本，它們使用一種稱為酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（ELISA）的技術(shù)來測(cè)量患者血清樣本中是否存在新冠病毒特異性抗體。

在一種典型的檢測(cè)方法中，在病毒表面上發(fā)現(xiàn)的抗原被固定在樣品孔的底部，該孔是光學(xué)透明的。血清樣品中的抗體與酶（通常是辣根過氧化物酶）結(jié)合，并在含有固定抗原的表面上孵育。對(duì)新冠病毒抗原具有特異性的任何抗體均會(huì)與靶標(biāo)結(jié)合并固定在光學(xué)窗口的表面。未結(jié)合的非特異性抗體被洗掉。

然后將含有酶底物的帶有色度指示劑的溶液添加到樣品孔中，與抗體相連的酶與底物反應(yīng)，從而在樣品中產(chǎn)生顏色變化。該酶與多個(gè)底物分子反應(yīng)，從而放大信號(hào)。然后，通過樣品底物的熒光或吸收指示劑的多光譜成像，可以檢測(cè)并定量血清中的病毒抗體。

即使此次疫情已經(jīng)過去，這種方法仍可用于衡量病毒在社群中的傳播程度、測(cè)量個(gè)體免疫反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間，并研究抗病毒藥物候選物和潛在疫苗的功效。目前，正在使用ELISA鑒定從新冠病毒中康復(fù)過來且對(duì)病毒具有保護(hù)性免疫反應(yīng)的醫(yī)務(wù)工作者。一旦免疫被確認(rèn)，這些人員就可以安全地恢復(fù)與受感染患者的合作。

ELISA原理圖，用于測(cè)量新冠病毒患者樣品中特定抗體的存在。該技術(shù)依賴于樣品的比色變化，該變化是由與SARS-CoV-2病毒特異抗體相連的酶產(chǎn)生的。

光學(xué)設(shè)備也是最常見的高通量基因測(cè)序儀器的核心技術(shù)。它們通常使用高量子效率、超高分辨率多光譜相機(jī)同時(shí)繪制數(shù)億個(gè)目標(biāo)DNA分子的序列，并且可以在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)對(duì)新冠病毒的完整基因組進(jìn)行測(cè)序。病毒的遺傳序列可能會(huì)因位置而異，因?yàn)樾鹿诓《驹谄鋸?fù)制階段偶爾會(huì)發(fā)生突變。通過比較從不同位置的患者采集的樣本中的特定突變，可以比較不同地理區(qū)域的感染并追蹤感染的起源。

病毒基因組的高通量測(cè)序還可以確定病毒中的蛋白質(zhì)，并為合成疫苗確定合適的靶點(diǎn)，以安全刺激免疫反應(yīng)。在過去的20年中，這項(xiàng)技術(shù)有了很大的進(jìn)步，這在很大程度上要?dú)w功于人類基因組計(jì)劃，它將成為開發(fā)有效的疫苗和抗病毒藥物以對(duì)抗新冠病毒大流行的必不可少的工具。

除分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室之外，光學(xué)器件正在作為另一個(gè)重要領(lǐng)域的“武器”：表面消毒。大多數(shù)病毒和細(xì)菌對(duì)紫外線非常敏感，特別是在UV-C光譜區(qū)域（200-280 nm）中，這會(huì)導(dǎo)致RNA突變，而RNA是病毒復(fù)制所必需的。最近，在該光譜區(qū)域發(fā)射的UV LED的開發(fā)方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。已經(jīng)開發(fā)出發(fā)射數(shù)百毫瓦的LED陣列，其使用壽命超過1000小時(shí)，電效率約為10％。

這些二極管的陣列可以產(chǎn)生顯著的紫外線功率水平，從而有可能比化學(xué)試劑更有效地凈化某些表面。最近的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果表明，在大約1分鐘的暴露時(shí)間內(nèi)，足以通過位于污染表面上方約1米的1W平均功率設(shè)備殺死細(xì)菌和病毒。紫外線發(fā)光二極管對(duì)感染SARS-CoV-2病毒表面的凈化效果正在進(jìn)一步測(cè)試當(dāng)中。

隨著全球健康面臨這一新型致命的威脅，世界各地的實(shí)驗(yàn)室正在使用由光學(xué)和光子學(xué)界開發(fā)的技術(shù)來幫助阻止病毒擴(kuò)散和拯救生命。在不久的將來，隨著新冠病毒疾病的傳播減緩，醫(yī)學(xué)焦點(diǎn)將轉(zhuǎn)向熱點(diǎn)地區(qū)新冠病毒復(fù)發(fā)的早期檢測(cè)和隔離，這將對(duì)診斷和凈化技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。而這些挑戰(zhàn)為光學(xué)和光子技術(shù)帶來了新機(jī)遇——光學(xué)與光子技術(shù)具有低成本、高速、靈敏和特異的優(yōu)勢(shì)，為全球健康做出了重要貢獻(xiàn)。

來源：激光制造網(wǎng)LaserfairCom

原文作者：Thomas M. Baer 、Christina E. Baer

激光制造網(wǎng)編輯老王譯自《Optics & Photonics News》