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光的发明是20世纪中期一项划时代的成就，对人类社会文明产生了极其深远的影响。人们把
激光和原子能、半导体、计算机列在一起，称为20世纪的“新四大发明”。激光的出现不但引起了光学革命性的发展，冲击了整个物理学，并且对其它学科如化学、生物学和技术及应用学科如电机工程学、材料科学、医学等都产生了巨大的影响。像蒸汽机、发电机和电动机、晶体管、计算机这些创新一样，激光是一项通用技术，它提供了可以在大量实际领域应用的技术能力。对光盘存储而言，激光的发明是光盘存储技术必不可少的基础，它为光盘存储提供了一个有足够功率并且能够汇聚成很小光斑(微米级或亚微米级)的光源。可以说，没有激光的发明，就没有后来的光盘的发明。本文主要为光盘技术人员介绍激光技术的发展历史和趋势。 一、激光的发明和发展
所谓激光就是受激发射的光，是被其它辐射感应而激发的辐射。激光的英文名词为Laser ，是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的词首字母构成的新词，其原意是受激辐射光放大器。早期在我国曾被翻译成“莱塞”、“雷射”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”等。直到1964年，由钱学
森院士提议取名为“激光”，它既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明了它是一种很强烈的新光源。钱学森院士的提议得到国内学术界的一致认同，在中国大陆激光这个新名词就一直沿用至今。
现在我们知道，物质的发光过程有两种：一种称为自发辐射，另一种称为受激辐射。自发辐射是在没有外来光子情况下，原子自发地、独立地从高能级E 2向低能级E 1的跃迁。自发辐射是随机过程，跃迁时发出的光在相位、偏振态和传播方向上都彼此无关。受激辐射是处于高能级E 2的原子，在受到能量为hv = E 2-E 1的外来光子的激励时，跃迁到低能级E 1，并辐射一个与外来光子的频率、相位、振动方向和传播方向都相同的光子。
1916年，爱因斯坦根据物质发光和吸收必须符合能量守恒的基本原则，预言除了大量的自发辐射以外还必然存在着少量的受激辐射，并且这种受激辐射还
激光技术的发展历史
◇顾 颖
会进一步引发同类的受激辐射，因此可以获得受激辐射被增强的效应。爱因斯坦的论断为激光的发明提供了理论基础。
图1 自发辐射和受激辐射
图2 爱因斯坦
此后，科学家们多次企图在原子发光实验中验证受激辐射的存在，但是要从大量的自发辐射中区分出只含万分之几的受激辐射确实是十分困难的，所以始终未能获得成功。
第二次世界大战时期，由于军事上雷达技术的需要，微波辐射和分子光谱学得到迅速发展，研究前沿向更短的波长领域推进，以达到更高分辨率的目标。战争结束后，美国军方对毫米级波谱学的研究工作保持着强烈的兴趣，因为其方便的部件可以用于减少导弹的重量、设计安装在坦克和潜水艇上的轻量级短波雷达、以及用于提高短波通讯的安全性。科学家们在军方的资助下能够利用战后剩余的微波设备继续微波辐射研究。1951年，美国哥伦比亚大学教授汤斯(Charles Townes)开始了“受激辐射微波放大器”(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation-MASER ，译作脉塞)的研究。1954年，汤斯和他的学生古尔德(Gordon Gou)合作制成了第一台脉塞，他成功地隔离了激发态氨(Ammonia)分子并实现了粒子数反转(上能级分子数分布大于下能级分子)，把一束受激的氨分子束瞄准进入谐振腔，使腔内激发态氨分子受激跃迁产生24千兆赫频率的辐射信号。第一个脉塞辐射的波长略大于1厘米，功率只有几十毫微 声音检测电路
瓦，但是能量集中在很窄的谱线内。同年，苏联科学
家巴索夫(Nikolai G. Basov)和普洛赫洛夫(Aleksandr M. Prokhorov)在莫斯科莱比德夫研究所也研制成脉塞。
脉塞研究的成功，证明了受激辐射原理技术应用的可行性，同时也促使科学家们探索把这种方案推向可见光波段的可能性。1957年，汤斯与贝尔实验室的肖洛(Arthur L.Schawlow)开始合作，当时汤斯在贝尔实验室担当顾问。经过一年多的工作，1958年8月，汤斯和肖洛在贝尔实验室提交专利申请之后，把他们的手稿送到《物理学评论》。同年12月，这篇题为《红外和光学激射器》(Infrared and Optical Masers)的论文发表，提出了建造激光的思想。这篇论文对美国的激光发展产生了深远的影响。苏联科学家巴索夫、普洛赫洛夫也在同年发表了实现这种可能性的设想。汤斯提出，在可见光波
段的谐振腔大小并不一定要与光的波长尺寸相当，因为这样小的谐振腔是难以制造的，但可以允许一个驻波在较大的腔内谐振。另外，光的反馈系统可以采用具有高反射率的光学反射镜来实现。1964年，汤斯、巴索夫和普洛赫洛夫共同分享了诺贝尔物理奖，以表彰他们在脉塞及之后的激光研究方面的贡献。
图3 汤斯和脉塞装置
由于可见光的波长比微波波长短得多，谐振腔的制作精度要求更高，另外寻适当的激光工作物质也相当困难。直到1960年5月，在休斯公司研究实验室工作的美国科学家梅曼(Theodore Maiman)用红宝石棒作为激光工作介质，在棒两端镀银反射层构成谐振腔，用高强闪光灯作光泵，激励红宝石晶体内的铬原子，制造出了世界上第一台可以工作的红宝石激光器。这一成就极大地鼓舞了其他研究人员。很快，IBM公司的绍罗金(Peter Sorokin)和史蒂文森(Mirek Stevenson)发明了钙氟化物晶体激光器；贝尔实验室的肖洛(Arthur L.Schawlow)和丹佛林(G. Devlin)证明暗红宝石可以用来做激光器；特别是在同年年底由贝尔实验室的贾万(Ali Javan)、班尼特(William Bennett)和赫里欧(Dona Herriott)成功建造了第一个连续运行的电泵浦的氦氖激光器。这样，在同一年中有四种不同类型的激光运行成功。 图4 梅曼夫妇
图5 原型红宝石激光器的结构
图6 贾万、班尼特和赫里欧在调整氦氖激光器
1960年的第一批激光发明器，不仅实现了汤斯和肖洛在1958年的理论设想，而且，研究者对许多材料作了详尽的研究，而不是仅仅限于汤斯和肖洛讨论的钾蒸汽，他们确定了这些材料实现粒子数反转的要求，同时建立了可以满足这些要求的泵浦源。一种全新的技术就建立起来，激光研究出现了空前繁荣的局面。1960年，美国和欧洲的激光研究组的数量大约在25-50之间，仅两年之后单单在美国就有500个。一些公司即开始将激光推向商业市场，这些可以利用的激光器加快了大学、工业和政府机构的研究进程。
60年代美国的风险投资状况非常好，政府的采购和财政政策都对小企业创业有着特殊的优惠条件。到1963年，美国已有20-30家激光公司进入市场。除了一些大公司(如休斯公司)外，由科学家创办的小公司发展迅速，如光谱物理公司(Spectra-Physics)
是由五个有着
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科学家和工程师背景的企业家二次创业所建立的，后来成为美国最大的激光制造商；考拉德(Korad)则是梅曼在发明红宝石激光器后不久离开休斯后创立的，代表着经典的科学家创办企业的模式。
1963和1964年之后，研究者开始指导自己发现激光的特殊性质。例如，光谱物理公司的创始人之一和实验部主任贝尔(William Bell)在改进氦氖激光器的研究中，偶然发现水银离子可以产生比通常红光更短的绿光。耶鲁大学的班尼特深受这一发现吸引，因为更短的波长具有特殊的用途，如美国海军需要用蓝绿的激光用于海底通讯和探测潜水艇与，由此，班尼特发明了重要的离子激光器——氩离子激光器。
对材料和受激方法的研究带来不同种类的激光：半导体激光，离子激光和化学激光等，而对激光的性质和效应的研究则反过来进一步促进了激光技术的发展。新的激光类型不断出现。1965-1968年已经有100多种新的激光出现。
工业实验室的作用突出的表现在最重要的激光器——半导体激光器发明上。自1947年晶体管发明之后，半导体研究成为蓬勃发展的领域。1961年，美国的RCA、MIT的林肯实验室、IBM、GE等实验室都开展了半导体激光器研究。1962年秋天，GE、IBM和林肯实验室相继在一个月内成功地制造了砷化镓(GaAs)半导体激光器。1967年，贝尔实验室的潘年希(Morton Panish)和海牙希(Lzuo Hayash)提出了在GaAs中掺杂铝(Al)的方案，他们在1970年成功地研制出第一个在室温状态下连续运行的AlGaAs半导体激光器。
输送带接头设备此后，历经了30多年的发展，半导体激光器结构由早期的同质结，经历了单异质结、双异质结、量子阱、应变量子阱，直到今天正在发展的自组装量子点和量子级联的单极性结构。目前半导体激光器的可靠性寿命已达数百万小时，波长覆盖从红外到近紫外波段，连续输出功率从若干毫瓦到百瓦水平。半导体激光器发展到今天在诸多领域中，如在光纤通信、光盘存储、全显示、激光传感、激光印刷、激光加工、激光医疗，以及军事领域中的激光武器、测距、制导等方面得到广泛应用。可以说，半导体激光器发展速度之快，应用范围之广，发展潜力之大是目前任何其他激光器所无法比拟的。
激光技术发展到今天，已形成了一个产业。美国、日本、德国三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。美国在500瓦以下的中、小功率激光器方面占优势，德国在500瓦以上用于材料加工的高功率激光器方面占优势，而小功率的半导体激光器则是日本占优势，占世界市场的70%以上。这表明各个国家的发展都与他们自己的工业基础有关。美国由于在基础理论研究和工业发展的支持体系方面的强势，使它在世界激光产业的产品研发方面走在世界的前列。而日本在以制造技术为基础的半导体产业方面的优势，使它在半导体激光器世界市场上占有较大的份额。
二、用于光盘存储的半导体激光器的发展
万能倒角机早期的激光视盘播放机和CD数码唱机采用氦氖激光器作为读出光源，因为当时的半导体激光器在工业应用方面还存在寿命、模式、稳定性等质量问题。1970年出现的室温连续振荡780nm波长近红外AlGa
As双异质结构半导体激光器，为半导体激光器在光盘存储领域的广泛应用奠定了基础，此后，人们还开发出了将电流和增益分布限制在条形区从而使振荡模稳定的增益波导型器件，70年代后期又出现了在结的平行方向上有折射率分布的折射率波导结构，形成了现在光盘系统用半导体激光器的基本结构。
1982年日本先锋公司用夏普公司制造的这种近红外半导体激光器代替气体激光管，并将其用于CD播放机光学头，从此半导体激光器作为光盘读出光源的时代正式开始了。
随着光盘的存储密度要求的提高，半导体激光器也向短波长方向发展。1985年，以Kobayashi小组为首的多个研究机构采用AlGaInP材料成功地实现了670nm红光半导体激光器的室温连续振荡。1992年，Hiroyama等人又开发出了630nm红光半导体激光器，这种红光半导体激光器就是现在用于DVD的光源。目前AlGaAs近红外半导体激光器和AlGaInP红光半导体激光器在性能上已能满足光盘的基本应用要求。
随着CD-R/RW可录光盘的发展，数据刻录和以后的高倍速读/写要求激光器有较高的激光输出功率，而要提高光功率输出，必须同时避免激光射出端的端面损伤并降低工作电流。通过光限制区和电流阻挡层以及谐振腔长、端面反射率的改进，在1995年成功地开发出功率输出达70mW的器件，并迅速实现了商品化。
光盘的存储密度要求的进一步提高要求激光器波长继续向短波长方向推进。继DVD光盘成功上市后，光盘界又提出了下一代高密度光盘的发展目标。尽管
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出现了蓝光光盘和HD DVD两种格式之争，但它们共同之处都是要采用蓝激光作为读写光源。蓝光激光二极管研发和生产工艺遇到的困难也比红光激光二极管要多。首先是红光器件的III-V族GaAs材料不适用，直至1991年美国3M公司成功地用Ⅱ-VI族ZnSe材料制成波长490nm的蓝光激光二极管，但是实验样品需用高电压驱动，寿命又短，加上ZnSe晶体比较脆弱，无法转化成批量生产的蓝光器件。
布线槽
日本日亚化学工业公司在GaN蓝光器件方面做出了重大贡献，1995年春，继GaN蓝绿光LED成功之后，日亚的中村等人正式着手研究InGaN蓝光半导体激光器，并于同年12月首次实现蓝激光连续振荡。1996年，成功地实现了室温连续振荡300小时。随后，他们又利用NEC公司碓井等人报道的横向过生长GaN(ELOG)衬底技术将激光器室温寿命提高到一万小时。1998年又采用美国北卡罗来拉州立大学Zheleva等人发明的无SiO
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掩膜ELOG衬底技术，有效减少了蓝宝石衬底与GaN之间的错位密度，大幅降低了阈值电流、提了器
件寿命，从而真正揭开了商品化器件。1999年1月，日亚公司正是在这种衬底上率先实现了InGaN蓝光半导体激光器的商品化，为下一代高密度光盘准备了可用光源。直至今天，日亚化学仍然拥有最多的蓝光器件的专利。
Nichia是第一家为下一代光盘系统量产405nm蓝激光二极管的厂商。早在上个世纪90年代中期，Nichia就取得了激光产品的领先地位。那时，Nichia推出了基于氮化镓的激光器，能够发射真正的蓝光束，而不是由硒化物激光器发出的带绿的蓝光。该公司在这种技术上已经获得一系列专利，包括激光二极管中公认的关键工艺——发光层的退火。Nichia于2005年春季开始量产蓝光激光器并同时提供两种类型的405nm波长激光器：刻录用高功率产品(脉冲工作状态下的输出功率为120mW)；播放用低功率产品(连续工作状态下的输出功率为20mW)。该公司预计，到2006年低功率产品将占到其总出货量的一半左右。
NEC公司的激光器在连续工作时的最高输出功率达300mW，是迄今为止最高的。NEC利用化学蚀刻法代替了传统的干蚀刻工艺来制造光波导，实现了适合量产的高质量激光器结构。东芝的高功率激光器使用了氮化镓晶圆，在连续工作状态时的输出功率为200mW。东芝表示，在氮化镓晶圆上开发的外延层几乎没有缺陷，这导致了更低的废品率，从而可以显著降低激光器的成本。
为了保证播放机的向下兼容，使播放机既能播放DVD又能播放CD光盘，早期市场上主要存在两种解
决方案：单激光头、双聚焦透镜切换方案和双激光头切换方案，这使播放机结构复杂化，成本高，读盘速度慢，并且隐含的机械故障率比较高。考虑到简化光学头结构及增强整机的稳定性，索尼、东芝等公司于1999年推出了双波长激光二极管。双波长激光二极管是一种用单片集成或混合集成的方法将近红外激光二极管和红光激光二极管集成在一体的激光器组件。单片集成型是利用MOCVD技术在GaAs衬底上选择生长AlxGa1-xAs和AlxGayIn1-x-yP两种不同有源层而形成的，最后封装在标准的5.6mm直径4针管壳中。单片集成的优点是发光点间隔由光刻工艺确定，定位精确，误差范围可控制在±1μm以下。而混合集成则是把用精密组装设备做好的近红外激光二极管和红光激光二极管并排放置于硅衬底的焊接剂上，然后通过热焊接等方法固定，从而形成混合组件。混合集成型器件的优点是可以自由组合不同的波长和不同的输出功率，适合于今后制作包括405nm蓝激光二极管在内的多波长激光二极管。
若采用双波长激光二极管，则光头只需双波长激光二极管、监视用光电二极管(PD)、调整物镜和反射镜四种部件，它不需要棱镜，更不需要光头切换装置，结构几乎与CD机用的单波长单光头一样简单，而功能却与双光头完全一样，可输出两种波长以分别读取CD和DVD两类光盘。可见，双波长激光二极管具有无可比拟的优越性。
从1972年飞利浦公司推出激光模拟视盘，发展到1982年10月和1996年11月上市的CD、DVD数字光盘，以及今年上市的蓝光光盘，播放机的读出光源也相应地从633nm的氦氖激光器演变成780nm近红
外、650nm红光、到更短波长的405nm蓝光半导体激光器。光盘的存储容量从CD光盘的680MB，提高到DVD光盘的4.7GB和蓝光光盘的25GB，在这个过程中半导体激光器的发展起了重要的作用。
三、中国激光技术发展状况
中国的激光技术研究起步很早，可以说差不多和国际上同步展开。1957年，我国老一辈光学专家王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所——中国科学院长春光学精密仪器机械研究所(简称“长春光机所”)。1958年美国物理学家肖洛、汤斯关于激光原
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反光雨衣理的著名文发表不久，王大珩便积极倡导开展激光技术研究，在短时间内凝聚了富有创新精神的中青年研究队伍，提出了大量提高光源亮度、单位性、相干性的设想和实验方案。1960年世界上第一台激光器问世。仅仅在一年之后，1961年夏，在王之江先生主持下，我国第一台红宝石激光器研制成功，此后短短几年内，激光技术迅速发展，产生了一批先进成果，各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。1963年，邓锡铭等研制成我国第一台He-Ne激光器；干福熹等研制成我国第一台掺钕玻璃激光器；王守武等研制成我国第一台GaAs同质结半导体激光器。1964年，脉冲Ar离子激光器研制成功。1965年，
CO
2分子激光器研制成功。1966年，CH
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I化学激光器
和YAG激光器研制成功。在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法和新技术(如腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、铼系离子的利用、自由电子振荡辐射等)纷纷提出并获得实施，其中不少具有独创性。作为具有高亮度、高方向性、高质量等优异特性的新光源，激光很快应用于各技术领域，显示出强大的生命力和竞争力。通信方面，1964年9月用激光演示传送电视图像，1964年11月实现3~30公里的通话。工业方面，1965年5月激光打孔机成功地用于拉丝模
打孔生产，获得显著经济效益。医学方面，1965年6月激光视网膜焊接器进行了动物和临床实验。国防方面，1965年12月研制成功激光漫反射测距机(精度为10米/10公里)，1966年4月研制出遥控脉冲激光多普勒测速仪。
可以说，在起步阶段我国的激光技术发展迅速，无论是数量还是质量，都和当时国际水平接近，一项创新性技术能够如此迅速赶上世界先进行列，在我国近代科技发展史上并不多见。这些成绩的取得，尤其是能够把物理设想、技术方案顺利地转化成实际激光器件，主要得力于长春光机所多年来在技术光学、精密机械和电子技术方面积累的综合能力和坚实基础。
十年浩劫对我国激光技术的发展带来不可估量的损失。改革开放以后，激光技术的发展再次受到重视，在多项国家级战略性科技计划中激光技术和光电子技术(包括用于信息领域的激光技术)都被列为重要研究项目，激光技术又获得了空前发展的机遇，涌现出一批国际先进水平的成果。其中的代表性成果有：激光跟踪测距、“神光”系列惯性约束聚变(ICF)激光驱动器、新型激光器等。1979年，我国开始了光存储技术研究。
我国激光技术的发展经过40多年的艰苦努力，在技术研究方面获得重大突破，成为我国科学界最活跃的领域之一。激光产业也从无到有，目前全国共有5个国家级的激光技术研究中心，10多个产品研究机构，有150多家公司生产和销售激光及激光配套产品，并有多家公司已经形成了具有一定规模的生产能力，公司主要分布在湖北、上海、江苏、北京和西安等地区。国内现已形成的激光产业主要包括有激光光盘、激光通讯、激光加工、激光医疗、激光检测、激光印刷设备及激光全息等，这些产业正在作为新的经济增长点而引起各界的高度重视。
激光产业是一个系统工程，我国激光技术理论研究实力较强，但产业化生产配套工程的技术和工艺水平不高，相关的支撑性和辅助性工业较弱，资本市场不活跃。再加上研究项目过于依赖科研院所，缺乏企业界的投入，缺少把科研成果形成产品的中试环节，种种因素制约了激光产业的发展。愿我国的激光产业能够在“十一五”规划精神指导下在21世纪取得更辉
煌的发展！◆抗菌膜
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