Минатото и иднината на полупроводничките ласери со висока моќност

Како што ефикасноста и моќноста продолжуваат да се зголемуваат, ласерските диоди ќе продолжат да ги заменуваат традиционалните технологии, да го менуваат начинот на кој се ракуваат со работите и да го стимулираат раѓањето на нови работи.
Традиционално, економистите веруваат дека технолошкиот напредок е постепен процес. Неодамна, индустријата се фокусираше повеќе на нарушувачките иновации кои можат да предизвикаат дисконтинуитети. Овие иновации, познати како технологии за општа намена (GPTs), се „длабоки нови идеи или технологии кои можат да имаат големо влијание врз многу аспекти на економијата“. Општата технологија обично трае неколку децении за да се развие, а уште подолго ќе донесе зголемување на продуктивноста. На почетокот не беа добро разбрани. Дури и откако технологијата беше комерцијализирана, имаше долгорочно заостанување во усвојувањето на производството. Добар пример се интегрираните кола. Транзисторите за прв пат беа претставени на почетокот на 20 век, но тие беа широко користени до доцните вечерни часови.
Еден од основачите на законот на Мур, Гордон Мур, во 1965 година предвиде дека полупроводниците ќе се развиваат со поголема брзина, „донесувајќи ја популарноста на електрониката и туркајќи ја оваа наука во многу нови полиња“. И покрај неговите смели и неочекувано точни предвидувања, тој помина низ децении на континуирано подобрување пред да постигне продуктивност и економски раст.
Слично на тоа, разбирањето на драматичниот развој на полупроводничките ласери со висока моќност е ограничено. Во 1962 година, индустријата за прв пат ја демонстрираше конверзијата на електроните во ласери, проследена со голем број достигнувања кои доведоа до значителни подобрувања во конверзијата на електроните во ласерски процеси со висок принос. Овие подобрувања можат да поддржат низа важни апликации, вклучувајќи оптичко складирање, оптичко вмрежување и широк опсег на индустриски апликации.
Потсетувајќи се на овие случувања и на 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 висока моќност, опсегот на важни апликации ќе се зголеми и ќе има големо влијание врз економскиот раст.
Историја на високомоќен полупроводнички ласер
На 16 септември 1962 година, тим предводен од Роберт Хол од Џенерал Електрик ја демонстрираше инфрацрвената емисија на полупроводници на галиум арсенид (GaAs), кои имаат „чудни“ модели на пречки, што значи кохерентен ласер - раѓањето на првиот полупроводнички ласер. Хол првично верувал дека полупроводничкиот ласер е „долг истрел“ бидејќи диодите што емитуваат светлина во тоа време биле многу неефикасни. Во исто време, тој исто така беше скептичен за ова, бидејќи ласерот кој беше потврден пред две години и веќе постои бара „фино огледало“.
Во летото 1962 година, Хали рече дека е шокиран од поефикасните диоди кои емитуваат светлина GaAs развиени од лабораторијата MIT Lincoln. Последователно, тој рече дека имал среќа што можел да тестира со некои висококвалитетни материјали GaAs и го искористил своето искуство како аматер астроном за да развие начин да ги полира рабовите на GaAs чиповите за да формира шуплина.
Успешната демонстрација на Хол се заснова на дизајнот на отскокнување на радијација напред-назад на интерфејсот, наместо на вертикално отскокнување. Тој скромно рече дека никој „не се случил да дојде до оваа идеја“. Всушност, дизајнот на Хол во суштина е среќна случајност што полупроводничкиот материјал што го формира брановодот, исто така, има својство да ги ограничува биполарните носители во исто време. Во спротивно, невозможно е да се реализира полупроводнички ласер. Со користење на различни полупроводнички материјали, може да се формира плочест брановод за преклопување на фотоните со носачите.
Овие прелиминарни демонстрации во Џенерал Електрик беа голем пробив. Сепак, овие ласери се далеку од практични уреди. За да се промовира раѓањето на полупроводнички ласери со висока моќност, мора да се реализира фузија на различни технологии. Клучните технолошки иновации започнаа со разбирање на полупроводничките материјали со директен пропуст и техниките за раст на кристалите.
Подоцнежните случувања го вклучија пронаоѓањето на ласери со двојна хетероспој и последователниот развој на ласери за квантни бунари. Клучот за понатамошно унапредување на овие основни технологии лежи во подобрувањето на ефикасноста и развојот на пасивација на шуплината, дисипација на топлина и технологија на пакување.
Осветленост
Иновациите во изминатите неколку децении донесоа возбудливи подобрувања. Особено, подобрувањето на осветленоста е одлично. Во 1985 година, најсовремениот полупроводнички ласер со висока моќност можеше да спои 105 миливати моќ во јадрото влакно од 105 микрони. Најнапредните полупроводнички ласери со висока моќност сега можат да произведат повеќе од 250 вати влакна од 105 микрони со една бранова должина - 10 пати се зголемува на секои осум години.

Мур замислил „поправање повеќе компоненти на интегрираното коло“ - тогаш, бројот на транзистори по чип се зголемувал за 10 пати на секои 7 години. Случајно, полупроводничките ласери со висока моќност инкорпорираат повеќе фотони во влакното со слични експоненцијални стапки (види Слика 1).

Слика 1. Осветленост на полупроводнички ласери со голема моќност и споредба со Муровиот закон
Подобрувањето на осветленоста на полупроводничките ласери со голема моќност го промовираше развојот на различни непредвидени технологии. Иако продолжувањето на овој тренд бара повеќе иновации, постои причина да се верува дека иновацијата на полупроводничката ласерска технологија е далеку од завршена. Добро познатата физика може дополнително да ги подобри перформансите на полупроводничките ласери преку континуиран технолошки развој.
На пример, медиумот за засилување на квантната точка може значително да ја зголеми ефикасноста во споредба со сегашните уреди со квантни бунари. Бавната осветленост на оската нуди потенцијал за подобрување на друг редослед на големина. Новите материјали за пакување со подобрено термичко и експанзивно усогласување ќе ги обезбедат подобрувањата потребни за постојано прилагодување на моќноста и поедноставено термичко управување. Овие клучни случувања ќе обезбедат патоказ за развој на полупроводнички ласери со висока моќност во наредните децении.
Ласери со цврста состојба и влакна со диоди
Подобрувањата во полупроводничките ласери со висока моќност го овозможија развојот на низводните ласерски технологии; во низводните ласерски технологии, полупроводничките ласери се користат за возбудување (пумпање) допирани кристали (ласери со цврста состојба пумпани со диоди) или допирани влакна (ласери со влакна).
Иако полупроводничките ласери обезбедуваат ласерска енергија со висока ефикасност и ниска цена, постојат две клучни ограничувања: тие не складираат енергија и нивната осветленост е ограничена. Во основа, овие два ласери треба да се користат за многу апликации: еден за претворање на електрична енергија во ласерска емисија, а другиот за подобрување на осветленоста на ласерската емисија.
Ласери со цврста состојба со диоди. Во доцните 1980-ти, употребата на полупроводнички ласери за пумпање ласери со цврста состојба почна да се здобива со популарност во комерцијалните апликации. Ласерите со цврста состојба со диоди (DPSSL) во голема мера ја намалуваат големината и сложеноста на системите за термичко управување (главно рециркулирачки ладилници) и добиваат модули кои имаат историски комбинирани лачни светилки за пумпање ласерски кристали во цврста состојба.
Брановите должини на полупроводничките ласери се избираат врз основа на нивното преклопување со спектралните апсорпциони својства на медиумот за засилување на ласерот во цврста состојба; топлинското оптоварување е значително намалено во споредба со емисиониот спектар на широк опсег на лачната ламба. Поради популарноста на ласерите базирани на германиум од 1064 nm, брановата должина на пумпата од 808 nm стана најголемата бранова должина кај полупроводничките ласери повеќе од 20 години.
Со зголемувањето на осветленоста на мултимодни полупроводнички ласери и способноста да се стабилизира тесната ширина на емитерската линија со волуменски Браг решетки (VBG) во средината на 2000 година, беше постигната втората генерација на подобрена ефикасност на пумпање на диодите. Послабите и спектрално тесни карактеристики на апсорпција околу 880 nm станаа жаришта за диодите на пумпите со висока 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 силициум, намалувајќи ги квантните дефекти, а со тоа подобрување на екстракцијата на повисокопросечни основни режими кои инаку би биле ограничени со термички леќи.
До почетокот на 2010 година, бевме сведоци на трендот на скалирање со голема моќност на ласерот со еден вкрстен режим од 1064nm и сродните серии на ласери за конверзија на фреквенција кои работат во видливите и ултравиолетовите појаси. Поради подолгиот век на висока енергетска состојба на Nd:YAG и Nd:YVO4, овие операции за префрлување DPSSL Q обезбедуваат висока пулсна енергија и врвна моќност, што ги прави идеални за аблативна обработка на материјали и апликации за микромашинска обработка со висока прецизност.
ласер со оптички влакна. Ласерите со влакна обезбедуваат поефикасен начин за конвертирање на осветленоста на полупроводничките ласери со висока моќност. Иако оптиката со мултиплексирана бранова должина може да конвертира полупроводнички ласер со релативно ниска осветленост во посветол полупроводнички ласер, ова е на сметка на зголемената спектрална ширина и оптомеханичката сложеност. Се покажа дека ласерите со влакна се особено ефикасни во фотометриската конверзија.
Двојно обложените влакна воведени во 1990-тите користат едномодни влакна опкружени со мултимодна обвивка, овозможувајќи ефикасно да се вбризгаат во влакното со поголема моќност и поевтини мултимодни полупроводнички пумпани ласери, создавајќи поекономичен начин за претворање на полупроводнички ласер со висока моќност во посветол ласер. За допирани влакна со итербиум (Yb), пумпата возбудува широка апсорпција со центар на 915 nm или карактеристика на тесен појас околу 976 nm. Како што брановата должина на пумпата се приближува до брановата должина на ласерот на ласерот со влакна, таканаречените квантни дефекти се намалуваат, со што се максимизира ефикасноста и се минимизира количината на дисипација на топлина.
И ласерите со влакна и ласерите со цврста состојба со диоди се потпираат на подобрувања во осветленоста на диодниот ласер. Општо земено, како што осветленоста на диодните ласери продолжува да се подобрува, процентот на ласерската моќност што тие ја пумпаат исто така се зголемува. Зголемената осветленост на полупроводничките ласери ја олеснува поефикасната конверзија на осветленоста.
Како што би очекувале, просторната и спектралната осветленост ќе биде неопходна за идните системи, што ќе овозможи пумпање со ниски квантни дефекти со тесни карактеристики на апсорпција кај ласерите во цврста состојба и мултиплексирање со густа бранова должина за директни полупроводнички ласерски апликации. Планот станува возможен.
Пазар и апликација
Развојот на полупроводнички ласери со висока моќност овозможи многу важни апликации. Овие ласери заменија многу традиционални технологии и имплементираа нови категории на производи.
Со 10-кратно зголемување на трошоците и перформансите по деценија, полупроводничките ласери со висока моќност го нарушуваат нормалното функционирање на пазарот на непредвидлив начин. Иако е тешко точно да се предвидат идните апликации, многу е значајно да се прегледа развојната историја од изминатите три децении и да се обезбедат рамковни можности за развој на следната деценија (види Слика 2).

Слика 2. Примена на гориво со осветленост на полупроводнички ласер со висока моќност (трошок за стандардизација по ватна осветленост)
1980-ти: Оптичко складирање и почетни ниши апликации. Оптичкото складирање е првата примена од големи размери во индустријата за полупроводнички ласери. Набргу откако Хол првпат го покажа инфрацрвениот полупроводнички ласер, Џенерал Електрикс Ник Холоњак го покажа и првиот видлив црвен полупроводнички ласер. Дваесет години подоцна, компактните дискови (ЦД) беа претставени на пазарот, а потоа и пазарот за оптичко складирање.
Постојаната иновација на полупроводничката ласерска технологија доведе до развој на технологии за оптичко складирање како што се дигитален разноврсен диск (DVD) и Blu-ray Disc (BD). Ова е првиот голем пазар за полупроводнички ласери, но генерално скромните нивоа на моќност ги ограничуваат другите апликации на релативно мали ниши пазари како што се термалното печатење, медицинските апликации и избраните апликации за воздушна и одбрана.
1990-тите: Оптичките мрежи преовладуваат. Во 1990-тите, полупроводничките ласери станаа клучот за комуникациските мрежи. Полупроводничките ласери се користат за пренос на сигнали преку мрежи со оптички влакна, но ласерите со единечен режим на пумпа со поголема моќност за оптички засилувачи се клучни за постигнување на обемот на оптичките мрежи и вистинскиот поддршка на растот на интернет податоците.
Бумот на телекомуникациската индустрија донесен од него е далекусежен, земајќи ги како пример Spectra Diode Labs (SDL), еден од првите пионери во индустријата за ласери со висока моќност. Основана во 1983 година, SDL е заедничко вложување помеѓу ласерските брендови на Њупорт Груп, Spectra-Physics и Xerox. Лансирана е во 1995 година со пазарна капитализација од приближно 100 милиони долари. Пет години подоцна, SDL беше продаден на JDSU за повеќе од 40 милијарди долари за време на врвот на телекомуникациската индустрија, едно од најголемите технолошки аквизиции во историјата. Набргу потоа, телекомуникацискиот меур пукна и уништи трилиони долари капитал, кој сега се смета за најголемиот балон во историјата.
2000-ти: Ласерите станаа алатка. Иако пукањето на балонот на телекомуникацискиот пазар е крајно деструктивно, огромната инвестиција во полупроводнички ласери со висока моќност ги постави темелите за пошироко прифаќање. Како што се зголемуваат перформансите и трошоците, овие ласери почнуваат да ги заменуваат традиционалните гасни ласери или други извори на конверзија на енергија во различни процеси.
Полупроводничките ласери станаа широко употребувана алатка. Индустриските апликации се движат од традиционални производствени процеси како што се сечење и лемење до нови напредни производствени технологии како што е производството на адитиви на 3D печатени метални делови. Апликациите за микропроизводство се поразновидни, бидејќи клучните производи како паметните телефони се комерцијализирани со овие ласери. Воздухопловните и одбранбените апликации вклучуваат широк опсег на апликации кои се критични за мисијата и најверојатно ќе вклучат системи за насочена енергија од следната генерација во иднина.
да сумираме 
Пред повеќе од 50 години, Мур не предложи нов основен закон на физиката, туку направи големи подобрувања на интегрираните кола кои првпат беа проучувани пред десет години. Неговото пророштво траеше со децении и со себе донесе низа нарушувачки иновации кои 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 брзиот развој што последователно ќе го претрпат полупроводничките ласери со висок интензитет постигнат со голем број иновации.
Не постои основно правило во физиката за контролирање на овие технолошки подобрувања, но континуираниот технолошки напредок може да го унапреди ласерот во однос на осветленоста. Овој тренд ќе продолжи да ги заменува традиционалните технологии, со што дополнително ќе го промени начинот на кој се развиваат работите. Поважно за економскиот раст, полупроводничките ласери со висока моќност, исто така, ќе го промовираат раѓањето на нови работи.