杀敌于无形的波武器（三）：激光武器
出品：科普中国
作者：岳江锋
策划：宋雅娟
监制：光明网科普事业部
五颜六色的激光（图片来自网络）
从古代开始，人们就幻想着用光束作武器。光束每秒钟走30万千米，是当之无愧的“宇宙第一速度”。古代有关战争的典故中，就曾经记载以光为“子弹”，用镜子极快地扫射目标，达到出奇制胜的作战效果。直到20世纪60年代发明了激光器之后，人们长久以来的梦想才得以近乎完美地实现。
激光助推了人类“以光为武”的梦想
相传公元前3世纪，古希腊著名学者阿基米德，就采用过“光武器”大战罗马船队。他让士兵分别手执镜子，把太阳光一起反射到罗马船队，聚集起来的太阳光把罗马的军舰点燃，结果罗马军队被打败了。不过，这样的故事仅仅是传说。从实际来看，用镜子（一般是凹面镜）聚集起来的太阳光可以把火柴或者小纸片点燃的，但要把远处的军舰点燃，那就有点夸张了。
假如要把1千米远的目标点燃火，聚集太阳光的镜子的口径就要达半千米。这么大口径的光学反射镜，不用说在古代，就是在生产技术比较发达的今天制造起来也困难。就算能造出来，在战场上立刻安装也十分费劲。在自然中，太阳光算是亮度最高的，所有其他各种人造光源的亮度都比太阳光低。用太阳光尚且做不成武器，用人造光源就更不行了。所以，尽管美丽的传说有许多，就是没有哪个古代国家真正研制出有效的“光武器”。
1960年5月15日，美国科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。据测算，激光的亮度比太阳光还高亿万倍，利用这种新光源，使得“光武器”梦想成真。当激光器还在摇篮里的时候，美国三军就开始大谈特谈激光武器。在军队中，几乎所有人都支持激光武器的研制，都在谈论激光。在他们的心目中，激光是自原子弹爆炸以来最大的新闻，是原子弹之后在武器领域中最大的突破。
激光究竟是怎么产生的？
激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明。被誉为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。英文名Laser是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母简写，意思是“辐射的受激发射光放大”。激光的理论基础起源于物理学家爱因斯坦，1917年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论“光与物质相互作用”。
在组成物质的原子中，有不同数量的电子分布在不同的能级上，电子吸收能量后先从低能级跃迁到高能级，然后又从高能级回落到低能级，同时释放出能量，并以光子的形式放出。这种被激发出来的光子束就是激光，其中的光子光学特性高度一致。这使得激光比起普通光源，激光的单色性好，亮度高，方向性好。从激光产生的机理看，它仍然离不开电磁原理，因此属于电磁波。
激光是有颜色的，激光的颜色取决于其波长，而波长取决于发出激光的活性物质，即被刺激后能产生激光的材料。如，激发红宝石可产生深玫瑰色的激光束，它主要应用于医学领域，比如用于皮肤病的治疗和外科手术。惰性气体氩气产生的激光束为蓝绿色，它在显微眼科手术中是不可缺少的。半导体产生的激光能发出红外光，因此我们的眼睛看不见，但它的能量恰好能“解读”激光唱片，并能用于光纤通讯。但有的激光器可调节输出激光的波长。
原子从某一能级吸收或释放能量变成另一能级，即“原子跃迁”（图片来自网络）
激光武器都有哪些类型？
如今激光武器已有40多年的发展历史，其关键技术也已取得实质性突破，美国、俄罗斯、法国、以色列等国均成功进行了各种激光打靶试验。从运载平台看，激光有陆基、海基和空基等多种部署类型。而从激光发生器的技术体制看，目前可实战应用的激光武器主要包括化学激光和固体激光。其中化学激光可方便实现大功率兆瓦级输出，进行硬毁伤或远距离干扰，但体积庞大且存在排放污染的问题，只能部署于较大的作战平台，如战略运输机等。固体激光器体积紧凑、重量轻，但目前输出功率较低，更适合对体积重量要求较为苛刻的车载平台等使用。
美军“机载激光器”（ABL）系统（图片来自网络）
美军“先进战术激光”（ATL）系统成功命中地面目标（图片来自网络）
化学激光器是目前效率最高、技术最成熟的激光器。美军研制的反导型“机载激光器”（ABL）和用于对战术目标实施精准打击的“先进战术激光”（ATL）系统都采用了氧碘化学激光器。然而，化学激光器实战部署存在困难，主要难题包括：结构复杂庞大、重量大，战术作战飞机无法搭载，化学染料易燃、剧毒、有腐蚀性，使用维护繁琐且费用昂贵。
美军新研制的车载激光武器系统（图片来自网络）
固体激光器具有全电能驱动的特性，这一特点使其具有结构紧凑、效费比高且可以多制式输出等优点。由于固体增益介质内部产生的热量只能由表面耗散，使得增益介质在高功率泵浦时产生较大的温度梯度，导致热应力和热畸变，从而导致热损伤和光束质量退化等问题。
学科发展 举足轻重的半导体激光
半导体激光器具有效率高（达到70%）、体积小（体积<1cm3）、重量轻（100W 激光芯片重仅数克）、寿命长（数万小时）、波长丰富（可见光至红外光任意波长输出）、直接电驱动等优点。对半导体激光的初期研究主要集中在如何提高功率，主要是通过增加条宽和腔长提高单元功率，再二维集成提高输出功率。但是功率提高后，会导致光束质量下降，使其只能作为全固态激光器的泵浦源间接应用，直接应用仍然受限。研究人员逐渐认识到，半导体激光器的光束质量是与功率同等重要的参数，如何获得高功率、高光束质量半导体激光器是国际半导体激光科学的研究前沿，高功率、近衍射极限单元器件及合束光源成为半导体激光技术领域的重大挑战。先进半导体激光器芯片是“数字中国”“健康中国”等应用的核心光源，其直接或间接涉及的智能制造、信息网络、医疗健康等基础性、战略性产业对国民经济贡献巨大。中国光学学会2019 年的调研报告指出：“国际激光器及其激光相关产品和服务的市场价值高达上万亿美元。半导体激光占整个激光领域产品销售总额的60%，超过其他各类激光器的总和。”
从世界半导体激光产业的分布来看，美国和德国在高功率半导体激光器芯片领域处于垄断地位，占据90% 以上的市场份额；日本在信息型半导体激光器领域占据70% 的市场份额。我国在高功率、高亮度、特种半导体激光器芯片等先进激光产品和合束技术等方面与国外尚有较大差距。
半导体激光学科在整个科学体系中的地位
激光是20 世纪以来继原子能、半导体、电子计算机之后人类的又一重大发现。半导体激光科学与技术以半导体激光器件为核心，涵盖研究光的受激辐射放大规律、产生方法、器件技术、调控手段和应用技术，所需知识综合了几何光学、物理光学、半导体电子学、热力学等学科。半导体激光技术历经50 余年的发展，作为一个世界前沿的研究方向，得益于国际科技突飞猛进的进步，也受益于各类关联技术、材料与工艺等的突破性进步。半导体激光的进步受到世界各国的高度关注和重视，不仅基础科学研究领域不断深入、科学技术水平不断提升，而且应用领域不断拓展、应用技术和装备层出不穷、应用水平取得较大幅度提升。半导体激光在世界各国的信息、工业、医疗和国防等领域得到重要应用。半导体激光技术在材料处理加工领域的应用最多，占比接近25%，其次是在测量分析、医疗、交通运输和机械工业领域，再次是在信息通信和国防安全领域。半导体激光器技术在国民经济的8 个领域（材料处理加工、测量分析医疗、交通运输、机械工业和城建、信息通信、国防安全、生物技术）都占有重要地位。
半导体激光技术推动了交叉学科的出现和发展。激光细胞工程学和激光生物学在人类健康领域得到发展。利用激光的高亮度和极好的方向性，推动了激光雷达成像探测技术的发展和应用，利用激光雷达又研发了远距离导弹跟踪和激光制导技术。目前，智能车和机器人系统中的激光雷达使用的光源都是半导体激光器。半导体激光器因其高效率、小体积和长寿命而成了现代成像系统中的首选光源。可以说，半导体激光器促进了导航型激光雷达的飞速发展。激光技术对物理学的发展有极大的促进作用。超精细程度可以进行超快光谱分析，同时把相干性和非线性引入光谱分析，使得光谱分析用的光源波长可调谐。此外，半导体激光在信息领域也有举足轻重的作用。纵观整个信息产业链，存储、传输、显示、信息感知和处理都离不开激光。没有激光，根本谈不上信息科学，激光器是必不可少的器件，激光技术属于核心原创技术。
半导体激光的发展历程和发展方向
1958 年，贝尔实验室的汤斯和肖洛国际首次设计出半导体激光器。1961 年，伯纳德与杜拉福格利用准费米能级得到在半导体有源介质中实现粒子数反转的条件。并发现在砷化镓（GaAs）半导体材料中的辐射复合效率很高。这一发现对成功研制半导体激光器起到了重要的理论指导作用。同年，俄罗斯列别捷夫物理研究所的巴索夫院士论证了在半导体材料内可以实现粒子数反转，进而实现受激辐射。并将载流子注入半导体PN 结，实现了注入型半导体激光器。其理论研究成果对此后半导体激光器的研究有积极的促进作用。因此，可在直接带隙半导体材料的 PN 结中注入载流子来满足实现粒子数反转的条件，通过辐射复合产生的光子在以半导体材料自然解理面为腔面反射镜的谐振腔内沿波导结构传播放大，实现激射。这便是半导体激光器最初的模型。在这之后，结合不断进步的半导体激光外延技术和芯片制备技术，半导体激光技术获得了飞速发展。从稳定激光器的激发、延长激光器的寿命到使半导体激光器走向实际应用，科学家们进行了大量的理论探索和实验研究工作，使半导体激光器首先在光纤通信领域获得了成功应用。利用半导体激光器高输出能量的特点，其在工业加工领域也获得了蓬勃的发展，是固体激光器和光纤激光器的重要泵浦源，也可作为直接光源用于激光加工系统。
从20 世纪70 年代末开始，半导体激光器明显向两个大类发展。一类是以传递信息为目的的信息型激光器，主要用于光纤通信、光存储、激光投影等。这类激光器对功率的要求不高，一般为几毫瓦至十几毫瓦，但模式要好，甚至要求动态单模、寿命长。另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器，主要用于固体激光泵浦等领域。在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器取得了突破性进展，其标志是半导体激光器的输出功率显著增加，国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化。未来，半导体激光器的发展主要是面向5G/6G 高速通信系统、智能感知系统和智能制造等领域。半导体激光器以高速激光器、高亮度激光器、短波长激光器、中红外激光器和太赫兹激光器为主。
半导体激光学科的发展现状与趋势
近十年来，全球半导体激光器市场规模保持7% 左右的增长率。广州恒州诚思信息咨询有限公司的报告显示，2020 年，全球半导体激光器市场规模达到158 亿元，预计2026 年将达到273 亿元，年复合增长率（CAGR）为7.7%。绿光激光器、蓝光激光器和紫光激光器等新兴技术有望随着激光器输出功率和亮度的持续提高，而获得稳定的市场份额。高功率半导体激光器在半导体激光器市场中将获得更快的增长，在预测周期内的年复合增长率有望达到7.7%。通信是半导体激光器最大的应用领域，将占到全球半导体激光器市场营业收入的32.2%。高功率半导体激光器成为国际激光器市场上增长最快的领域，半导体激光器已经广泛应用于光纤激光器泵浦，提升亮度和功率并实现加工成本降低。高功率半导体激光器的增长主要源于防卫、材料加工、消费电子和固体激光器泵浦等领域的需求。绿光激光器和蓝光激光器保持持续增长，并在光学存储、打印应用和消费电子制造领域取代红光激光器。
世界激光学科及产业的发展主要集中在以下区域：美国、欧洲、日本及太平洋地区。其中，美国约占全球市场份额的55%，欧洲约占全球市场份额的22%，日本及太平洋地区约占全球市场份额的23%。美国、日本、德国3 个国家激光产业的发展代表了当今世界激光产业发展的趋势。从激光技术研发实力来看，日本和美国的企业在光电子技术方面居前两位。各个国家的发展都与自己的工业基础有关。全球比较知名、规模较大的激光公司有德国通快（Trumpf）集团、德国罗芬（Rofin）集团、美国相干（Coherent）激光公司、美国光谱物理公司、美国阿帕奇（IPG）公司等上市公司。美国相干激光公司是全球最大的激光器制造商，产品涉及科学研究、医疗手术、工业加工等领域；美国科医人医疗激光公司（Lumenis）是世界上最大的医疗激光设备制造商，产品覆盖激光美容、激光眼科、外科激光医疗仪器等领域。德国已广泛地将激光应用于汽车、钢铁、航天、电子、医疗等行业，激光与光学产品在全世界的销售额每年以10%～20% 的速度增长。德国拥有全球最大的两家工业激光设备制造公司。德国通快集团是世界上最大的工业激光设备制造商，高功率二氧化碳激光器和固体激光器制造技术在全球具有领先地位；罗芬集团是仅次于通快集团的工业激光设备制造商，在高功率二氧化碳激光器、激光微加工系统、激光打标系统领域具有领先优势。
高功率半导体激光器的封装技术
高功率半导体激光器的封装技术包括芯片焊接技术、热管理技术和快轴准直耦合技术等。高功率半导体激光器芯片焊接技术涉及热沉材料和焊接材料的选择、热沉表面金属化、焊料制备工艺、焊接工艺等方面。热沉材料的选择主要需要考虑材料的导电性、可加工性、热膨胀系数等，常用的热沉材料主要有无氧铜、氮化铝（AlN）陶瓷、氧化铍（BeO）陶瓷、钨—铜（W-Cu）复合材料等。焊接材料的选择需要考虑焊料的熔点、浸润特性、延展特性、与相关材料的合金化特性及在热循环和大电流密度下的疲劳特性等，常用的焊接材料主要有软焊料纯铟（In）、铟—银（In-Ag）合金、铟—锡（In-Sn）合金及硬焊料金—锡（Au-Sn）合金、铅—锡（Pb-Sn）合金等。半导体激光器工作时芯片的 PN 结温度对其输出激光功率、电光转换效率、波长、寿命等参数的影响非常大，随着半导体激光器芯片功率的迅速提升，芯片的热管理成为高功率半导体激光器封装需要解决的关键技术。热管理技术通常需要从以下几个方面考虑：①散热相关部分采用热导率尽可能高的材料。目前使用的较多的材料主要有纯铜、CuW90 复合材料、 AlN 陶瓷。②尽量降低界面热阻。通常各界面均采用焊接的连接方式，并且要求有较好的焊接质量，焊接界面不能有空洞。特别是，芯片焊接界面如果存在数十微米的空洞，就会导致局部有明显升温。有多个界面的，需要采用不同熔点的焊料进行多次焊接。③缩短散热距离、增加散热路径。在封装结构和冷却器设计上也应考虑尽量缩短热传输距离，设计上让热从多个方向传输，有利于降低热阻。例如，芯片 P 面、 N 面均焊接热沉的封装结构，可以进一步降低热阻；采用热沉倒角、芯片适当退离棱边的方式也有利于散热。
由于高功率半导体激光器的封装技术是高功率半导体激光器器件研制过程中的关键环节之一，直接影响着器件的主要性能指标，如输出激光功率、波长、偏振态、寿命等。同时，由于封装过程需要专业设备和人员进行精密控制，因此封装成本（包括测试和质量控制）占到整个半导体激光器产品成本的50% 以上。根据半导体激光器的应用领域（如通信、显示、工业加工等）不同，以及芯片结构不同，半导体激光器所采用的封装结构及封装技术是不同的。
有利于半导体激光技术发展的国内外相关政策和创新措施
近几年，世界发达国家呈现将激光作为战略高技术进行发展的态势，以不同的形式和方法提出了持续关注激光科技的发展战略规划，如美国的“21 世纪激光科学与工程的发展规划”和“国家光子计划”、日本的“光子工程发展规划”、德国的“光子研究行动计划—未来之光”、北欧诸国的“新概念工厂计划”、英国的“阿维尔计划”和俄罗斯的“激光技术服务于俄罗斯经济纲要”等。美国、德国等发达国家已将高功率半导体激光光束质量难题列入国家重大计划，进行全面探索和攻关。
美国国防部高级研究计划局（DARPA）启动“超高效半导体源计划”（SHEDS），研究创新的方法使半导体激光器的激光效率获得了70% 的革命性进步。2013 年，美国国防部高级研究计划局支持了“短距、宽视场、极度敏捷的电子扫描光学发射机”（SWEEPER）项目，SWEEPER 计划使用先进制造技术成功验证了光学相控阵技术的可行性。2014 年，美国国防部高级研究计划局又启动了一项“战术有效的拉曼紫外激光光源”项目，开发出功率为1W 的220nm 紫外半导体激光，插拔效率高于10%，线宽小于0.01nm。美国在2011 ～ 2015 年资助了“大功率高光束质量半导体激光光源”（Excalibur）国家级重大研究计划，TeraDiode 公司采用光谱合束方法实现在2030W 下一直工作、50μm 光纤耦合输出、光参量积仅3.75mm·mrad 的半导体激光光源，光束质量达到商业化二氧化碳激光器和二极管泵浦固体激光器的水平，这是目前千瓦量级半导体激光器报道的最高水平，对于大功率半导体激光器的发展具有里程碑式的意义。德国研究机构于2018 年通过单频772nm 半导体激光器，经锥形放大器将输出功率放大到3W，并通过三硼酸锂（LBO）晶体倍频到386nm，再经过氟代硼铍酸钾（KBBF）晶体倍频到193nm，实现的电光转换效率与现有准分子激光器相当，并完成深紫外光刻实验，证明光源的可用性，更深入的研究正在向提高功率和光束质量的方向前进。
从推动半导体激光技术创新发展方面的措施来看，美国产业创新环境和国内温州激光产业方面的数据总结了推动激光学科发展、促进人才培养、营造创新环境等方面的成果。半导体激光器要做全产业链，否则很难盈利。这个产业的最上游就是半导体激光器芯片，这方面的高功率产品主要依靠进口，国外价格一提，国内激光产业的利润都会受损失。国内激光产业的核心部件是从国外购买的，这制约了产业发展，只要国外提价或停止供应核心部件，整个产业就无从发展。深圳前瞻咨询股份有限公司前瞻产业研究院认为，即便是国内比较知名的激光企业，其实也只是在应用领域，而非核心研发领域，所以我国要打造半导体激光产业就必须要从以激光核心部件产业为主出发，打造全产业链。
本文摘编自《中国学科发展战略·高功率、高光束质量半导体激光》，由国家自然科学基金委员会和中国科学院组织研究编写，内容有删节，标题和内容有调整。语音播报为智能生成，如有疑问请以文本为准。科学创造未来，人文温暖世界。在科技引领发展的时代，与您共同关注科技史、科技哲学、科技前沿与科学传播，关注人类社会的可持续发展。科学人文在线，创造有价值的阅读！ 欢迎关注、点赞、留言、转发、参与赠书活动，联系邮箱：kxrw@mail.sciencep.com。
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内容简介
本书从半导体激光学科的科学意义与战略价值、发展趋势和特点、国内外发展态势、发展思路和发展方向、发展机制与政策建议等方面系统地研究了高功率、高光束质量半导体激光学科及产业的发展规律，并结合国内的实际情况为我国高功率、高光束质量半导体激光学科及产业的发展提出了相关建议。
本书适合高层次的战略和管理专家、相关领域的高等院校师生、研究机构的研究人员阅读，是科技工作者洞悉学科发展规律、把握前沿领域和重点方向的重要指南，也是科技管理部门重要的决策参考，同时也是社会公众了解高功率、高光束质量半导体激光研究的发展现状及趋势的权威读本。
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