Preteklost in prihodnost visokozmogljivih polprevodniških laserjev

Ker se učinkovitost in moč še povečujeta, bodo laserske diode še naprej nadomeščale tradicionalne tehnologije, spreminjale način ravnanja s stvarmi in spodbujale rojstvo novih stvari.
Ekonomisti tradicionalno verjamejo, da je tehnološki napredek postopen proces. V zadnjem času se je industrija bolj osredotočila na prelomne inovacije, ki lahko povzročijo prekinitve. Te inovacije, znane kot tehnologije splošnega namena (GPT), so "globoko nove ideje ali tehnologije, ki lahko močno vplivajo na številne vidike gospodarstva." Splošna tehnologija običajno traja nekaj desetletij, da se razvije, še več pa bo prineslo povečanje produktivnosti. Sprva jih niso dobro razumeli. Tudi po komercializaciji tehnologije je prišlo do dolgotrajnega zaostanka pri prevzemanju proizvodnje. Integrirana vezja so dober primer. Tranzistorji so bili prvič uvedeni v zgodnjem 20. stoletju, vendar so bili široko uporabljeni do poznih večernih ur.
Eden od utemeljiteljev Moorovega zakona, Gordon Moore, je leta 1965 napovedal, da se bodo polprevodniki razvijali hitreje, "kar bo prineslo priljubljenost elektronike in potisnilo to znanost na mnoga nova področja." Kljub njegovim drznim in nepričakovano natančnim napovedim se je desetletja nenehno izboljševal, preden je dosegel produktivnost in gospodarsko rast.
Podobno je omejeno razumevanje dramatičnega razvoja visokozmogljivih polprevodniških laserjev. Leta 1962 je industrija prvič prikazala pretvorbo elektronov v laserje, čemur so sledili številni napredki, ki so privedli do pomembnih izboljšav pri pretvorbi elektronov v laserske procese z visokim izkoristkom. Te izboljšave lahko podpirajo vrsto pomembnih aplikacij, vključno z optičnim pomnilnikom, optičnim omrežjem in široko paleto industrijskih aplikacij.
Opozarjanje na ta razvoj in številne izboljšave, ki so jih razkrili, so poudarile možnost večjega in širšega vpliva na številne vidike gospodarstva. Pravzaprav se bo z nenehnim izboljševanjem visokozmogljivih polprevodniških laserjev povečal obseg pomembnih aplikacij in močno vplival na gospodarsko rast.
Zgodovina polprevodniškega laserja visoke moči
16. septembra 1962 je ekipa pod vodstvom Roberta Halla iz General Electrica prikazala infrardeče sevanje polprevodnikov galijevega arzenida (GaAs), ki imajo "čudne" interferenčne vzorce, kar pomeni koherentni laser - rojstvo prvega polprevodniškega laserja. Hall je sprva verjel, da je polprevodniški laser "dolg strel", ker so bile takratne svetleče diode zelo neučinkovite. Ob tem je bil glede tega tudi skeptičen, saj pred dvema letoma potrjeni laser, ki že obstaja, zahteva "fino ogledalo".
Poleti 1962 je Halle dejal, da je bil šokiran nad učinkovitejšimi svetlečimi diodami GaAs, ki jih je razvil laboratorij MIT Lincoln. Kasneje je dejal, da je imel srečo, da je lahko testiral z nekaj visokokakovostnimi materiali GaAs, in uporabil svoje izkušnje kot amaterski astronom, da je razvil način za poliranje robov GaAs čipov, da se oblikuje votlina.
Hallova uspešna predstavitev temelji na zasnovi odbijanja sevanja naprej in nazaj na vmesniku namesto navpičnega odbijanja. Skromno je dejal, da nihče "ni slučajno prišel na to idejo". Pravzaprav je Hallova zasnova v bistvu srečno naključje, da ima polprevodniški material, ki tvori valovod, tudi lastnost omejevanja bipolarnih nosilcev hkrati. V nasprotnem primeru je nemogoče realizirati polprevodniški laser. Z uporabo različnih polprevodniških materialov je mogoče oblikovati ploščati valovod, ki prekriva fotone z nosilci.
Te predhodne predstavitve v podjetju General Electric so bile velik preboj. Vendar ti laserji še zdaleč niso praktične naprave. Da bi spodbudili rojstvo visokozmogljivih polprevodniških laserjev, je treba uresničiti fuzijo različnih tehnologij. Ključne tehnološke inovacije so se začele z razumevanjem polprevodniških materialov z neposrednim pasovnim presledkom in tehnik rasti kristalov.
Poznejši razvoj je vključeval izum laserjev z dvojno heterospojnico in poznejši razvoj laserjev s kvantnimi vrtinami. Ključ do nadaljnjega izboljšanja teh temeljnih tehnologij je izboljšanje učinkovitosti in razvoj pasivizacije votlin, odvajanja toplote in tehnologije pakiranja.
Svetlost
Inovacije v zadnjih nekaj desetletjih so prinesle vznemirljive izboljšave. Predvsem izboljšanje svetlosti je odlično. Leta 1985 je najsodobnejši polprevodniški laser visoke moči združil 105 milivatov moči v 105 mikronsko jedro vlakna. Najnaprednejši visokozmogljivi polprevodniški laserji lahko zdaj proizvedejo več kot 250 vatov 105-mikronskih vlaken z eno samo valovno dolžino - 10-kratno povečanje vsakih osem let.

Moore si je zamislil "popraviti več komponent na integrirano vezje" - nato se je število tranzistorjev na čip povečalo za 10-krat vsakih 7 let. Po naključju visokozmogljivi polprevodniški laserji vgradijo več fotonov v vlakno s podobnimi eksponentnimi hitrostmi (glej sliko 1).

Slika 1. Svetlost visokozmogljivih polprevodniških laserjev in primerjava z Moorovim zakonom
Izboljšanje svetlosti visokozmogljivih polprevodniških laserjev je spodbudilo razvoj različnih nepredvidenih tehnologij. Čeprav nadaljevanje tega trenda zahteva več inovacij, obstaja razlog za domnevo, da inovacije polprevodniške laserske tehnologije še zdaleč niso dokončane. Dobro znani fiziki lahko z nenehnim tehnološkim razvojem še izboljšajo delovanje polprevodniških laserjev.
Na primer, mediji za pridobivanje kvantnih pik lahko znatno povečajo učinkovitost v primerjavi s trenutnimi napravami s kvantnimi vrtinami. Počasna svetlost osi ponuja še en red velikosti možnosti za izboljšanje. Novi embalažni materiali z izboljšano toplotno in ekspanzijsko usklajenostjo bodo zagotovili izboljšave, potrebne za stalno prilagajanje moči in poenostavljeno upravljanje toplote. Ta ključni razvoj bo zagotovil načrt za razvoj visokozmogljivih polprevodniških laserjev v prihodnjih desetletjih.
Polprevodniški in vlakneni laserji z diodnim črpanjem
Izboljšave visokozmogljivih polprevodniških laserjev so omogočile razvoj nadaljnjih laserskih tehnologij; v kasnejših laserskih tehnologijah se polprevodniški laserji uporabljajo za vzbujanje (črpanje) dopiranih kristalov (polprevodniški laserji z diodnim črpanjem) ali dopiranih vlaken (vlakneni laserji).
Čeprav polprevodniški laserji zagotavljajo visoko učinkovito in poceni lasersko energijo, obstajata dve ključni omejitvi: ne shranjujejo energije in njihova svetlost je omejena. V bistvu je treba ta dva laserja uporabiti za številne aplikacije: enega za pretvorbo električne energije v lasersko sevanje in drugega za izboljšanje svetlosti laserskega sevanja.
Polprevodniški laserji z diodnim črpanjem. V poznih osemdesetih letih je uporaba polprevodniških laserjev za črpanje polprevodniških laserjev začela postajati priljubljena v komercialnih aplikacijah. Polprevodniški laserji z diodnim črpanjem (DPSSL) močno zmanjšajo velikost in kompleksnost sistemov za upravljanje toplote (predvsem recirkulacijskih hladilnikov) in pridobijo module, ki so v preteklosti kombinirali obločne svetilke za črpanje polprevodniških laserskih kristalov.
Valovne dolžine polprevodniških laserjev so izbrane na podlagi njihovega prekrivanja s spektralnimi absorpcijskimi lastnostmi pridobitvenega medija polprevodniškega laserja; toplotna obremenitev je močno zmanjšana v primerjavi s širokopasovnim emisijskim spektrom obločne svetilke. Zaradi priljubljenosti 1064 nm laserjev na osnovi germanija je valovna dolžina črpalke 808 nm v zadnjih 20 letih postala največja valovna dolžina v polprevodniških laserjih.
S povečanjem svetlosti večmodnih polprevodniških laserjev in zmožnostjo stabilizacije ozke širine črte oddajnika z volumskimi Braggovimi rešetkami (VBG) sredi leta 2000 je bila dosežena druga generacija izboljšane učinkovitosti diodnega črpanja. Šibkejše in spektralno ozke absorpcijske lastnosti okoli 880 nm so postale vroče točke za črpalne diode z visoko svetlostjo. Te diode lahko dosežejo spektralno stabilnost. Ti zmogljivejši laserji lahko neposredno vzbudijo zgornjo raven laserja 4F3/2 v siliciju, zmanjšajo kvantne napake in tako izboljšajo ekstrakcijo višjih povprečnih osnovnih načinov, ki bi jih sicer omejile termalne leče.
Do začetka leta 2010 smo bili priča trendu skaliranja visoke moči enojnega navzkrižnega 1064nm laserja in sorodnih serij laserjev za pretvorbo frekvence, ki delujejo v vidnem in ultravijoličnem pasu. Zaradi daljše življenjske dobe visokoenergijskih stanj Nd:YAG in Nd:YVO4 te preklopne operacije DPSSL Q zagotavljajo visoko impulzno energijo in konično moč, zaradi česar so idealne za ablativno obdelavo materialov in visoko natančne mikroobdelovalne aplikacije.
laser z optičnimi vlakni. Vlakneni laserji zagotavljajo učinkovitejši način za pretvorbo svetlosti visokozmogljivih polprevodniških laserjev. Čeprav lahko optika z multipleksom valovne dolžine pretvori polprevodniški laser z relativno nizko svetilnostjo v svetlejši polprevodniški laser, je to na račun povečane spektralne širine in optomehanske kompleksnosti. Vlakneni laserji so se izkazali za posebej učinkovite pri fotometrični pretvorbi.
Dvojno obložena vlakna, ki so bila uvedena v devetdesetih letih prejšnjega stoletja, uporabljajo enomodna vlakna, obdana z večmodnim ovojom, kar omogoča učinkovito vbrizgavanje močnejših in cenejših večmodnih laserjev s polprevodniškim črpanjem v vlakno, kar ustvarja bolj ekonomičen način za pretvorbo polprevodniški laser visoke moči v svetlejši laser. Pri vlaknih, dopiranih z iterbijem (Yb), črpalka vzbuja široko absorpcijo s središčem pri 915 nm ali ozko pasovno značilnost okoli 976 nm. Ko se valovna dolžina črpalke približa valovni dolžini laserskega laserja, se tako imenovane kvantne napake zmanjšajo, s čimer se poveča učinkovitost in zmanjša količina odvajanja toplote.
Tako vlakneni laserji kot polprevodniški laserji z diodnim črpanjem temeljijo na izboljšavah svetlosti diodnega laserja. Na splošno, ko se svetlost diodnih laserjev še naprej izboljšuje, se povečuje tudi delež laserske moči, ki jo črpajo. Povečana svetlost polprevodniških laserjev omogoča učinkovitejšo pretvorbo svetlosti.
Kot bi pričakovali, bo prostorska in spektralna svetlost potrebna za prihodnje sisteme, ki bodo omogočili nizko kvantno črpanje napak z ozkimi absorpcijskimi značilnostmi v polprevodniških laserjih in gosto multipleksiranje valovnih dolžin za neposredne polprevodniške laserske aplikacije. Načrt postane mogoč.
Trg in uporaba
Razvoj visokozmogljivih polprevodniških laserjev je omogočil številne pomembne aplikacije. Ti laserji so nadomestili številne tradicionalne tehnologije in uvedli nove kategorije izdelkov.
Z 10-kratnim povečanjem stroškov in zmogljivosti na desetletje visokozmogljivi polprevodniški laserji motijo ​​normalno delovanje trga na nepredvidljive načine. Čeprav je težko natančno napovedati prihodnje aplikacije, je zelo pomembno pregledati zgodovino razvoja v zadnjih treh desetletjih in zagotoviti okvirne možnosti za razvoj v naslednjem desetletju (glej sliko 2).

Slika 2. Uporaba visokozmogljivega polprevodniškega laserskega svetilnega goriva (strošek standardizacije na vat svetilnosti)
1980: Optični pomnilnik in začetne nišne aplikacije. Optični pomnilnik je prva obsežna aplikacija v industriji polprevodniških laserjev. Kmalu po tem, ko je Hall prvič pokazal infrardeči polprevodniški laser, je General Electrics Nick Holonyak pokazal tudi prvi vidni rdeči polprevodniški laser. Dvajset let pozneje so bili na trgu predstavljeni zgoščenke (CD), ki jim je sledil trg optičnih pomnilnikov.
Nenehne inovacije polprevodniške laserske tehnologije so pripeljale do razvoja tehnologij za optično shranjevanje, kot sta digitalni vsestranski disk (DVD) in Blu-ray Disc (BD). To je prvi velik trg za polprevodniške laserje, vendar na splošno skromne ravni moči omejujejo druge aplikacije na razmeroma majhne tržne niše, kot so termično tiskanje, medicinske aplikacije ter izbrane vesoljske in obrambne aplikacije.
Devetdeseta: Prevladujejo optična omrežja. V devetdesetih letih prejšnjega stoletja so polprevodniški laserji postali ključ do komunikacijskih omrežij. Polprevodniški laserji se uporabljajo za prenos signalov po omrežjih z optičnimi vlakni, vendar so enosmerni črpalni laserji z večjo močjo za optične ojačevalnike ključnega pomena za doseganje obsega optičnih omrežij in resnično podporo rasti internetnih podatkov.
Razcvet telekomunikacijske industrije, ki ga prinaša, je daljnosežen, če vzamemo za primer Spectra Diode Labs (SDL), enega prvih pionirjev v industriji polprevodniških laserjev visoke moči. Podjetje SDL, ustanovljeno leta 1983, je skupno podjetje blagovnih znamk laserjev Spectra-Physics in Xerox skupine Newport. Uveden je bil leta 1995 s tržno kapitalizacijo približno 100 milijonov dolarjev. Pet let pozneje je bil SDL prodan JDSU za več kot 40 milijard dolarjev med vrhuncem telekomunikacijske industrije, kar je bila ena največjih tehnoloških pridobitev v zgodovini. Kmalu zatem je telekomunikacijski balon počil in uničil bilijone dolarjev kapitala, ki zdaj velja za največji balon v zgodovini.
2000: Laserji so postali orodje. Čeprav je pok balona na telekomunikacijskem trgu izjemno uničujoč, so ogromne naložbe v visokozmogljive polprevodniške laserje postavile temelje za širšo uporabo. Ker se zmogljivost in stroški povečujejo, ti laserji začenjajo nadomeščati tradicionalne plinske laserje ali druge vire pretvorbe energije v različnih procesih.
Polprevodniški laserji so postali široko uporabljeno orodje. Industrijske aplikacije segajo od tradicionalnih proizvodnih postopkov, kot sta rezanje in spajkanje, do novih naprednih proizvodnih tehnologij, kot je aditivna proizvodnja 3D-tiskanih kovinskih delov. Aplikacije mikroproizvodnje so bolj raznolike, saj so bili ključni izdelki, kot so pametni telefoni, komercializirani s temi laserji. Aplikacije v vesolju in obrambi vključujejo široko paleto kritičnih aplikacij in bodo v prihodnosti verjetno vključevale usmerjene energetske sisteme naslednje generacije.
da povzamem
Pred več kot 50 leti Moore ni predlagal novega osnovnega zakona fizike, ampak je močno izboljšal integrirana vezja, ki so jih prvič preučevali pred desetimi leti. Njegova prerokba je trajala desetletja in s seboj prinesla vrsto prelomnih inovacij, ki si jih leta 1965 ni bilo mogoče predstavljati.
Ko je Hall pred več kot 50 leti predstavil polprevodniške laserje, je to sprožilo tehnološko revolucijo. Tako kot pri Moorovem zakonu nihče ne more predvideti hitrega razvoja, ki ga bodo kasneje podvrgli visokointenzivni polprevodniški laserji, doseženi z velikim številom inovacij.
V fiziki ni temeljnega pravila za nadzor nad temi tehnološkimi izboljšavami, vendar lahko nenehen tehnološki napredek izboljša svetlost laserja. Ta trend bo še naprej nadomeščal tradicionalne tehnologije in tako še naprej spreminjal način razvoja stvari. Kar je še pomembneje za gospodarsko rast, bodo visokozmogljivi polprevodniški laserji spodbujali tudi rojstvo novih stvari.