十年,在人类历史中只是非常短暂的一瞬。但是,十年时间又具备了足够的力量,能够对各行业的发展带来剧烈变革。

  在2009—2018这十年中,以互联网、移动互联网为依托的各种新兴技术层出不穷,不仅改变了传统的生产、工作、社交方式,更是让传统的产业结构今非昔比。

  美国财经网站24/7 Wallst每年都会根据美国劳工统计局关于过去十年就业数据的变化,梳理出美国各行业的变化趋势。近日,24/7 Wallst就此发布了两份研究报告,反映出过去10年间美国正在衰落的25个行业,以及正在兴起的25个行业。

  数据清晰地显示,新技术对各行业的颠覆往往以成千上万工作岗位的消亡为代价。在过去十年间,在美国正在衰落的25个行业中,有9个行业的劳动力数量减少了一半以上,其中,水力发电、传统冲印业务和港口航运业务的员工数量减少了七成以上。

  有替代就有新生。在传统的低效工作岗位被自动化技术替代的同时,也诞生了一系列新形式的商品和服务。

  在美国正在兴起的25个行业中,有20个行业的雇员人数增长了100%以上。其中,啤酒厂、互联网与网络搜索行业的雇员数量增长了200%以上,移动食品服务、老年人和残疾人护理服务、健康医疗保险服务、美甲服务等消费类服务则实现了150%以上的增长。

  自动化技术的普及在大幅提升工作效率的同时,也减少了对传统重复性工作岗位的需求。过去十年中,水力发电是美国雇员数量减少最多的行业(-82.7%),但这种减少并不是因为市场需求的衰弱,而是自动化软件普及造成的人员需求下降。

  同时,港口与航运业务(-70.1%)、商业和秘书学校(-68.3%)、柑桔种植(-39.4%)、空中交通管制(-36.5%)等行业均受到了自动化技术的影响。

  在日常生活中,我们能感受到的最直接的变化就是互联网带来的数字信息革命,特别是移动互联网与数字媒体的发展。

  基于互联网的数字媒体和流媒体业务直接冲击了摄影、影像冲印、有线广播影视、纸制新闻出版、实体书、印刷等传统行业。随着智能手机的普及,信息获取进一步突破了传统的物理形式与时间的束缚,实现了信息获取和社交的实时化。

  随着人口增长及老龄化加剧,以及由此带来的社会变化已经成为全球各国都面临的共同问题,人口结构的变化也引发了社会消费需求和行为的变迁。恒达注册首页-恒达app在美国,老年人护理及健康医疗保险服务的社会需求正在变得越来越迫切。例如,2018年美国老年人和残疾人护理服务行业的雇员人数达到180万人,比2009年激增了190%。

  互联网在推动数字化社会建设的同时,不仅创造了共享经济、按需经济、订阅式电商、定制化生产等新型商业模式,更是带动了日常消费倾向和消费行为的一系列变化,对舒适、健康、环保、个性化的消费需求也催生出了更多新的细分行业,如精酿啤酒、美甲、健康服务、室内农业、宠物护理等。

  可以确定,除了已经产生颠覆式变革的技术,5G、物联网、边缘计算、数字孪生、人工智能、区块链、量子计算等层出不穷、不断进化的新技术将进一步推动整个世界的数字化,更多的传统行业将被数字化所颠覆,并创造出更多的新行业和新市场。

  “环球同此凉热”。即使各国技术发展水平、产业结构、经济发展水平处于不同的阶段,但美国正在衰落和兴起的行业就像一面镜子,映照出全球产业变革的未来趋势。

  从20世纪70年代末开始,半导体激光器应用向着两个方向发展:一类是以传递信息为目的的信息型激光器;另一类是以直接使用输出激光的光功率为目的的功率型激光器。半导体激光器种类较多,根据其芯片参数、封装方式的不同,有多种分类方式。

  半导体激光器既可用于光纤激光器和固体激光器的抽运源,也可作为直接半导体激光器在一定应用场景直接使用。按照输出功率大小,可分为100 W以下的低功率半导体激光器、100 W-1000 W的中功率半导体激光器、1000 W以上的高功率半导体激光器。

  半导体激光器主要优点是体积小、效率高、能耗低,例如半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面已经获得了广泛的应用。恒达注册首页-恒达app此外,通常使用半导体激光器作为光纤激光器抽运源。

  以电注入式半导体激光器为例,半导体材料中通常会添加GaAS(砷化镓)、InAS(砷化铟)、Insb(锑化铟)等材料制作成半导体面结型二极管,当对二极管注入足够大的电流后,中间有源区中电子(带负电)与空穴(带正电)会自发复合并将多余的能量以光子的形式释放,再经过谐振腔多次反射放大后形成激光。

  从结构上来看,半导体激光器研究逐步从二维的量子阱结构向一维纳米线、零维的量子点激光器扩展。二维受限的结构为量子阱结构,电子可以在平面内自由移动。

  目前商用的半导体激光器大都采用量子阱结构。一维受限的纳米结构为量子线结构,电子可以沿纳米线的长度方向移动。从材料角度看,近年来发展了分子束外延、金属有机化合物化学气相沉淀以及化学生物工程等全新的晶体生长技术,从而可为半导体激光器提供优质的材料。使得激光二极管,自身阈值电流有大幅度降低,并且转换效率也不断提高,伴随着输出功率的提高,大大增加了使用寿命。

  按照波长划分,半导体激光器主要分为蓝光激光器(400 nm-500 nm),近红外激光器(900 nm -1100 nm)等几大类。下面分别就各类典型半导体激光器介绍其研究进展。

  在二维量子阱结构半导体激光器中,垂直腔面反射半导体激光器(VCSEL)是研究的前沿方向之一。VCSEL 的光学谐振腔与半导体芯片的衬底垂直,能够实现芯片表面的激光发射,有阈值电流低、稳定单波长工作、易高频调制、易二维集成、无腔面阈值损伤、动态单模工作、圆形对称光斑和光纤耦合效率高等优点。典型的VCSEL为顶发射结构,其结构示意图如下所示。

  近年来,VCSEL代表性的研究单位有美国加利福尼亚大学、美国新墨西哥大学、美国亚利桑那大学、瑞士量子电子研究所、芬兰坦佩雷技术大学等研究单位。

  美国加利福尼亚大学研究团队首次实现了基于非极性氮化镓(GaN)VCSEL的连续波操作。瑞士量子电子研究所制备出一种模式锁定集成垂直腔面发射激光器(MIXSEL),通过优化群延迟色散,产生创纪录的139 fs的超快脉冲激光;芬兰坦佩雷技术大学利用光抽运VCSEL制备出一种高功率黄色激光系统,该系统能够在约590 nm处提供8 W的输出功率。美国新墨西哥大学提出了一种亚波长光栅反射镜和光学增益结合的主动镜面结构,该结构能够直接在热沉片上键合从而有效去除热量。

  半导体纳米线(NW)激光器因其纳米级光子源的出色前景而吸引了大量的研究工作。恒达注册首页-恒达app 然而,NW激光器目前的方向性较差,阈值能量高,严重制约了它们作为片上光源的前景。 为了克服这些问题,研究人员已经取得一些进展。

  例如澳大利亚国家大学制出了一种新型的垂直发射磷化铟(InP)纳米线激光器,表现出了高发射方向性,并降低了工作阈值。美国密歇根大学研究了硫化镉纳米线激光,该激光能自发地内化到单个细胞中,作为独立细胞内探针。通过纳米焦耳光脉冲抽运,可在细胞内观察到绿色波段(500 nm-520 nm)激光发射,峰宽线) 半导体量子点激光器

  半导体量子点激光器对注入载流子具有三维量子限制结构。器件的有源区被宽带隙势垒区分割为许多小体积,其线度在三维方向上均接近或小于载流子的德布罗意波长,对载流子在空间所有方向上的运动均进行了量子限制。与量子阱和量子线激光器相比,量子点激光器在输出光谱纯度、阙值电流、温度特性和调制性等方面的性能均可获得较大幅度的提高。

  近年来,东京技术研究所实现了在(001)硅片上生长的InAs/GaAs量子点激光器。该激光器发射波长为 1.3 μm,有源区为5层高质量量子点层,并具有p型调制掺杂的GaAs势垒层,空穴浓度为5×1017 cm-3,以抑制增益饱和。北京大学利用不确定度为21 nm的暗场光学成像技术结合高分辨率电子束光刻技术,将无缺陷的胶体量子点激光器和银纳米线的精确对准配置在芯片上,制备出片上量子点激光器。美国加利福尼亚大学制备出单片集成在Si衬底上的1.3 μm量子点激光器,实现了6.2 mA的阈值电流,185 mW的输出功率,获得超过100万小时的使用寿命。

  蓝光半导体激光器是指波长范围在400 nm-500 nm之间的半导体激光器。该波长激光器对于金属材料的加工有独特优势,原因是金、银、铜等金属材料在上述波段反射率低、吸收大。采用1064 nm激光通过倍频技术可获得百瓦以上的532 nm稳定的高功率绿光激光输出。红光半导体激光器也基本达到产业化水平,巴条达到10 W以上,应用产品成熟。而蓝光激光光源发展相对迟缓,采用固体激光器倍频、非线性等手段获得的蓝光功率低,系统工作不稳定。在半导体蓝光激光器芯片方面,目前单管功率最高的为NICHIA 公司1.6 W、3.5 W的蓝光TO封装单LD。

  早期日本 NICHIA 公司报道了脉冲振荡输出的420 nm半导体激光器以及连续振荡输出达1 W的蓝光半导体激光器。德国 OSLM 公司发布了1.4 W/450 nm新型高功率激光二极管以及20发光点的功率达到50 W的蓝光激光器面阵,适用于各类专业级高端投影仪中。蓝光半导体激光器研究前沿主要是新材料、新器件的研发。同时提高单管输出功率,以及采用光纤合束和非相干合束等方法提高蓝光半导体激光器芯片光束耦合能力和光束质量是学术和产业界关注的主要问题。

  半导体激光器特点明显,下游应用领域广泛。同时,其结构紧凑、维护费用低、电光转换效率大于47%,在工业应用中主要为焊接及熔覆。

  低功率半导体激光器主要应用于塑料焊接以及锡焊,通过光纤输出焊接,实现非接触远距离操作,方便与自动化生产线集成。千瓦级半导体可用于熔覆及五金焊接等,具有光斑大、电光转换率高的特点。

  半导体激光器也被广泛用于军事、信息及医疗和生命科学等方面。研究表明半导体激光器具有较强的材料加工应用潜力,相比光纤激光器和二氧化碳激光器具有更好的切割速度和切割质量。

  随着VCSEL激光器从光通信领域进入消费电子领域,半导体激光器在传统焊接、切割、科研领域的应用进一步加强,半导体激光器市场份额将迎来进一步增长。

  国外生产半导体激光器产品的厂商主要有相干公司、恩耐公司、Apollo、TeraDiode等,主要提供高稳定性、高可靠性、高性价比的小型半导体激光器系统,具备良好的功率稳定性。上述国外企业在科研领域有竞争优势。

  国内主营半导体激光器的企业,主要有炬光科技、长光华芯、大族天成、凯普林光电、山东华光光电、北京杏林睿光、深圳星汉激光、深圳瑞波光电、中科四象、中国电子科技集团第13所及44所、东方强光等。国内的光纤激光器企业例如锐科激光、创鑫激光也生产部分半导体激光器产品,且以中高功率为主要发展方向,主要产品应用于切割、焊接、航天等领域。

  目前大部分商用半导体激光器采用基于量子阱的技术。对于高功率的激光,多采用高功率QCW半导体阵列技术,例如长光华芯公司。开发高功率半导体芯片,采用巴条(线阵)激光器组件,努力提高激光器功率以及其可靠性。这些取决于光束指向一致性、光束发散角及合束效率等。长光华芯采用分布式载流子注入技术,利用单管芯片集成实现光纤输出功率超过4000 W半导体激光器。相干公司等采用了量子点技术作为微型半导体激光器光源,该类激光器具备光谱纯度良好、尺寸小、功耗低等特点。

  对比上述公司,相干公司生产的直接半导体激光器涵盖波长范围在400 nm-1500 nm,光束质量稳定,较广泛应用于科学研究,高端材料加工等领域。锐科激光和长光华芯公司的半导体产品波长范围位于近红外区域,产品集中在中、高功率,市场应用于激光切割、焊接等领域。国内企业在半导体激光器的部分应用领域有特色,例如长光华芯具备新型VCSEL激光芯片量产能力,大族天成半导体技术有限公司具备各类半导体激光器模块产品大规模生产能力。来自:光电汇