Минатото и иднината на полупроводнички ласери со голема моќност

Бидејќи ефикасноста и моќноста продолжуваат да се зголемуваат, ласерските диоди ќе продолжат да ги заменуваат традиционалните технологии, да го менуваат начинот на ракување и да стимулираат раѓање на нови работи.
Традиционално, економистите веруваат дека технолошкиот напредок е постепен процес. Неодамна, индустријата повеќе се фокусираше на нарушувачки иновации што можат да предизвикаат дисконтинуитети. Овие иновации, познати како технологии за општа намена (GPT), се „длабоки нови идеи или технологии кои можат да имаат големо влијание врз многу аспекти на економијата“. За развој на општата технологија обично се потребни неколку децении, па дури и подолго ќе донесе зголемување на продуктивноста. Отпрвин, тие не беа добро разбрани. Дури и откако технологијата беше комерцијализирана, имаше долгорочно заостанување во усвојувањето на производството. Интегрираните кола се добар пример. Транзисторите за прв пат беа воведени на почетокот на 20 век, но тие беа широко користени до доцна вечерта.
Еден од основачите на законот на Мур, Гордон Мур, предвиде во 1965 година дека полупроводниците ќе се развиваат со поголема брзина, „доведувајќи ја популарноста на електрониката и туркајќи ја оваа наука на многу нови полиња“. И покрај неговите смели и неочекувано точни предвидувања, тој претрпе децении континуирано подобрување пред да постигне продуктивност и економски раст.
Слично на тоа, разбирањето за драматичниот развој на полупроводнички ласери со голема моќност е ограничено. Во 1962 година, индустријата прво демонстрираше претворање на електрони во ласери, проследено со бројни достигнувања што доведоа до значителни подобрувања во претворањето на електроните во ласерски процеси со висок принос. Овие подобрувања можат да поддржат низа важни апликации, вклучувајќи оптичко складирање, оптичко вмрежување и широк спектар на индустриски апликации.
Потсетувајќи на овие случувања и бројните подобрувања што тие ги изнесоа на виделина, ја истакнаа можноста за поголемо и пошироко влијание врз многу аспекти на економијата. Всушност, со континуираното подобрување на полупроводничките ласери со голема моќност, обемот на важни апликации ќе се зголеми и ќе има големо влијание врз економскиот раст.
Историја на полупроводник со голема моќност на полупроводник
На 16 септември 1962 година, тим предводен од Generalенерал електрик, Роберт Хол, демонстрираше инфрацрвена емисија на полупроводници на галиум арсенид (GaAs), кои имаат „чудни“ модели на мешање, што значи кохерентност Ласер - раѓање на првиот полупроводнички ласер. Хол првично веруваше дека полупроводничкиот ласер е „далечен удар“ бидејќи тогаш диодите што емитуваат светлина беа многу неефикасни. Во исто време, тој исто така беше скептичен во врска со ова бидејќи ласерот што беше потврден пред две години и веќе постои, бара „добро огледало“.
Во летото 1962 година, Хали рече дека е шокиран од поефикасните диоди што емитуваат светлина GaAs развиени од лабораторијата за Линколн МИТ. Последователно, тој рече дека имал среќа да може да тестира со некои високо квалитетни материјали GaA и го искористил своето искуство како аматерски астроном за да развие начин за полирање на рабовите на чиповите GaAs за формирање празнина.
Успешната демонстрација на Хол се базира на дизајнот на отскокнување на зрачењето напред и назад на интерфејсот, наместо на вертикалното отскокнување. Тој скромно рече дека никој „не се случил да ја смисли оваа идеја“. Всушност, дизајнот на Хол во суштина е среќна коинциденција што полупроводничкиот материјал што го формира брановодот, исто така, има својство да ги ограничува биполарните носачи истовремено. Инаку, невозможно е да се реализира полупроводнички ласер. Со употреба на неразлични полупроводнички материјали, може да се формира брановодник на плоча за да се преклопат фотоните со носачите.
Овие прелиминарни демонстрации во „Generalенерал електрик“ беа голем успех. Сепак, овие ласери се далеку од практични уреди. Со цел да се промовира раѓањето на полупроводнички ласери со голема моќност, мора да се реализира фузија на различни технологии. Клучните технолошки иновации започнаа со разбирање на полупроводнички материјали со директен опсег и техники за раст на кристали.
Подоцнежните случувања вклучуваат изум на ласери со двојна хетерофункција и последователен развој на ласери на квантни бунари. Клучот за понатамошно унапредување на овие основни технологии лежи во подобрување на ефикасноста и развој на пасивација на празнина, дисипација на топлина и технологија на пакување.
Осветленост
Иновациите во последните неколку децении донесоа возбудливи подобрувања. Особено, подобрувањето на осветленоста е одлично. Во 1985 година, врвниот полупроводнички ласер со голема моќност беше во можност да спои 105 миливати моќност во јадро од 105 микрони. Најнапредните полупроводнички ласери со голема моќност сега можат да произведат повеќе од 250 вати влакна од 105 микрони со една бранова должина - зголемување за 10 пати на секои осум години.

Мур замисли „фиксирање на повеќе компоненти на интегралното коло“ - тогаш, бројот на транзистори по чип се зголеми за 10 пати на секои 7 години. Случајно, полупроводничките ласери со голема моќност вметнуваат повеќе фотони во влакното со слични експоненцијални стапки (види слика 1).

Слика 1. Осветленост на полупроводнички ласери со голема моќност и споредба со законот на Мур
Подобрувањето на осветленоста на полупроводничките ласери со голема моќност го промовираше развојот на разни непредвидени технологии. Иако продолжувањето на овој тренд бара повеќе иновации, постои причина да се верува дека иновацијата во полупроводничката ласерска технологија е далеку од завршена. Добро познатата физика може дополнително да ги подобри перформансите на полупроводничките ласери преку постојан технолошки развој.
На пример, медиумите за добивање квантна точка можат значително да ја зголемат ефикасноста во споредба со сегашните уреди за квантни бунари. Бавната осветленост на оската нуди уште еден редослед на потенцијал за подобрување на големината. Новите материјали за пакување со подобрено термичко и експанзивно совпаѓање ќе овозможат подобрувања потребни за континуирано прилагодување на напојувањето и поедноставено термичко управување. Овие клучни случувања ќе обезбедат патоказ за развој на полупроводнички ласери со голема моќност во следните децении.
Ласери со цврста состојба и влакна пумпани со диоди
Подобрувањата во полупроводнички ласери со голема моќност го овозможија развојот на низводно ласерските технологии; во низводните ласерски технологии, полупроводничките ласери се користат за возбудување (пумпање) на допинг кристали (диодни пумпани ласери со цврста состојба) или на допинг влакна (ласери на влакна).
Иако полупроводничките ласери обезбедуваат високо-ефикасна, ниска цена ласерска енергија, постојат две клучни ограничувања: тие не складираат енергија и нивната осветленост е ограничена. Во основа, овие два ласера ​​треба да се користат за многу апликации: едниот за претворање на електрична енергија во ласерска емисија и другиот за подобрување на осветленоста на ласерската емисија.
Ласери со цврста состојба пумпани со диоди. Кон крајот на осумдесеттите години, употребата на полупроводнички ласери за пумпање на ласери со цврста состојба започна да добива популарност во комерцијалните апликации. Ласери со цврста состојба испумпани со диоди (DPSSL) значително ја намалуваат големината и комплексноста на системите за термичко управување (главно ладилници за кружење) и добиваат модули кои имаат историски комбинирани лачни ламби за пумпање на ласерски кристали во цврста состојба.
Брановите должини на полупроводничките ласери се избираат врз основа на нивното преклопување со спектралните својства на апсорпција на медиумскиот ласер во цврста состојба; топлинското оптоварување е значително намалено во споредба со спектарот на емисии со широк опсег на лачната ламба. Поради популарноста на ласерите базирани на германиум од 1064 nm, брановата должина на пумпата од 808 nm стана најголема бранова должина во полупроводнички ласери повеќе од 20 години.
Со зголемувањето на осветленоста на мултимодните полупроводнички ласери и можноста за стабилизирање на тесната ширина на емитерската линија со волуменски решетки Брег (VBG) во средината на 2000 година, беше постигната втората генерација на подобрена ефикасност на пумпање на диоди. Послабите и спектрално тесни карактеристики на апсорпција околу 880 nm станаа жаришта за диоди за пумпа со голема осветленост. Овие диоди можат да постигнат спектрална стабилност. Овие ласери со повисоки перформанси можат директно да го возбудат горното ниво на ласерот 4F3 / 2 во силикон, намалувајќи ги квантните дефекти, подобрувајќи го на тој начин екстракцијата на фундаменталните режими со повисок просек, кои во спротивно би биле ограничени со термички леќи.
До почетокот на 2010 година, сведоци сме на трендот на скалирање со голема моќност на ласерот со еден крос-режим 1064nm и сродните серии на ласери за конверзија на фреквенцијата кои работат во видливите и ултравиолетовите опсези. Поради подолгите животи на висока енергија во состојба на Nd: YAG и Nd: YVO4, овие DPSSL Q прекинувачки операции обезбедуваат висока пулсна енергија и врвна моќност, што ги прави идеални за аблативна обработка на материјалот и висока прецизност на микро-машинската апликација.
ласер со оптички влакна. Ласерите со влакна обезбедуваат поефикасен начин за претворање на осветленоста на полупроводнички ласери со голема моќност. Иако оптиката со мултиплексирана бранова должина може да претвори релативно ниско-светлосен полупроводнички ласер во посветл полупроводнички ласер, ова е на штета на зголемената спектрална ширина и оптомеханичката комплексност. Ласерите со влакна се покажаа како особено ефикасни при фотометриска конверзија.
Двојно облечените влакна воведени во 90-тите години на минатиот век користат влакна во еден режим опкружени со мултимодно обложување, овозможувајќи мултимодни ласери со поголема моќност и пониски цени со полупроводнички пумпи ефикасно да се инјектираат во влакната, создавајќи поекономичен начин за претворање на полупроводнички ласер со голема моќност во посветол ласер. За допинг влакната со јтербиум (Yb), пумпата возбудува широка апсорпција центрирана на 915 nm или карактеристика на тесен опсег околу 976 nm. Како што брановата должина на пумпата се приближува до ласената бранова должина на ласер со влакна, таканаречените квантни дефекти се намалуваат, а со тоа се зголемува ефикасноста и се минимизира количината на дисипација на топлина.
И ласерите со влакна и ласерите со цврста состојба диодирани се потпираат на подобрувања во осветленоста на диодниот ласер. Општо, како што осветленоста на диодните ласери продолжува да се подобрува, процентот на ласерската моќ што тие ја пумпаат исто така се зголемува. Зголемената осветленост на полупроводничките ласери олеснува поефикасна конверзија на осветленоста.
Како што би очекувале, просторната и спектралната осветленост ќе бидат неопходни за идните системи, што ќе овозможи пумпање со низок квантен дефект со тесни карактеристики на апсорпција во ласери со цврста состојба и мултиплексирање на густа бранова должина за директни полупроводнички ласерски апликации. Планот станува возможен.
Пазар и примена
Развојот на полупроводнички ласери со голема моќност овозможи многу важни апликации. Овие ласери заменија многу традиционални технологии и имплементираа нови категории на производи.
Со 10 пати поголемо зголемување на трошоците и перформансите по деценија, полупроводничките ласери со голема моќност го нарушуваат нормалното работење на пазарот на непредвидливи начини. Иако е тешко точно да се предвидат идните апликации, многу е значајно да се разгледа историјата на развојот во изминатите три децении и да се обезбедат рамковни можности за развој на следната декада (види слика 2).

Слика 2. Голема моќност полупроводничка ласерска осветленост примена на гориво (цена за стандардизација по вати осветленост)
1980-тите: Оптичко складирање и првични апликации за лажат. Оптичкото складирање е прва голема апликација во индустријата за полупроводници со ласер. Набргу откако Хол први го покажа инфрацрвениот полупроводнички ласер, Generalенерал Електрикс Ник Холоњак исто така го покажа првиот видлив црвен полупроводнички ласер. Дваесет години подоцна, на пазарот беа воведени компактни дискови (ЦД), проследени со пазар на оптичко складирање.
Постојаната иновација на полупроводничката ласерска технологија доведе до развој на технологии за оптичко складирање како што се дигитален разноврсен диск (ДВД) и Blu-ray диск (БД). Ова е првиот голем пазар за полупроводнички ласери, но генерално, скромните нивоа на моќност ги ограничуваат другите апликации на релативно мали пазари на лажат, како што се термичко печатење, медицински апликации и избрани апликации за вселенска и одбрана.
1990-тите: Преовладуваат оптичките мрежи. Во 90-тите, полупроводничките ласери станаа клуч за комуникациските мрежи. Полупроводнички ласери се користат за пренос на сигнали преку мрежи на оптички влакна, но ласерите со еден режим на пумпа со поголема моќност за оптички засилувачи се од клучно значење за постигнување на обем на оптички мрежи и вистински поддршка на растот на интернет-податоците.
Бум на телекомуникациската индустрија донесена од него е далекусежен, земајќи ги Spectra Diode Labs (SDL), еден од првите пионери во ласерската индустрија за полупроводници со голема моќност. Основана во 1983 година, СДЛ е заедничко вложување помеѓу ласерските брендови на Групата portупорт, Спектра-физика и Ксерокс. Лансиран е во 1995 година со пазарна капитализација од приближно 100 милиони УСД. Пет години подоцна, SDL беше продаден на JDSU за повеќе од 40 милијарди долари за време на врвот на телеком индустријата, едно од најголемите технолошки аквизиции во историјата. Наскоро, меурот од телекомуникациите пукна и уништи трилиони долари капитал, сега се смета за најголемиот меур во историјата.
2000-тите: Ласерите станаа алатка. Иако пукањето на меурот на телекомуникацискиот пазар е исклучително деструктивно, огромната инвестиција во полупроводнички ласери со голема моќност ги постави темелите за пошироко усвојување. Како што се зголемуваат перформансите и трошоците, овие ласери почнуваат да ги заменуваат традиционалните ласери на гас или други извори на конверзија на енергија во различни процеси.
Полупроводнички ласери станаа широко користена алатка. Индустриските апликации се движат од традиционални процеси на производство како што се сечење и лемење до нови напредни технологии на производство како што се производство на додатоци на 3Д печатени метални делови. Апликациите за микро-производство се поразновидни, бидејќи клучните производи, како што се паметните телефони, се комерцијализирани со овие ласери. Воздухопловните и одбранбените апликации вклучуваат широк спектар на апликации критични за мисијата и најверојатно ќе вклучуваат системи за насочена енергија од следната генерација во иднина.
да резимираме
Пред повеќе од 50 години, Мур не предложи нов основен закон за физика, но направи големи подобрувања во интегралните кола што беа проучени за прв пат пред десет години. Неговото пророштво траеше со децении и со себе донесе низа нарушувачки иновации што беа незамисливи во 1965 година.
Кога Хол демонстрираше полупроводнички ласери пред повеќе од 50 години, тоа предизвика технолошка револуција. Како и со законот на Мур, никој не може да го предвиди развојот со голема брзина што последователно ќе претрпи полу-спроводнички ласери со голем интензитет.
Не постои основно правило во физиката за контрола на овие технолошки подобрувања, но постојаното технолошко напредување може да го унапреди ласерот во однос на осветленоста. Овој тренд ќе продолжи да ги заменува традиционалните технологии, со што дополнително се менува начинот на развој на работите. Поважно за економскиот раст, полупроводничките ласери со голема моќност исто така ќе промовираат раѓање на нови работи.