Przeszłość i przyszłość laserów półprzewodnikowych dużej mocy

Wraz ze wzrostem wydajności i mocy diody laserowe będą nadal zastępować tradycyjne technologie, zmieniać sposób obsługi i stymulować narodziny nowych rzeczy.
Ekonomiści tradycyjnie uważają, że postęp technologiczny jest procesem stopniowym. Ostatnio branża skupiła się bardziej na przełomowych innowacjach, które mogą powodować nieciągłości. Te innowacje, znane jako technologie ogólnego przeznaczenia (GPT), to „nowe, głębokie pomysły lub technologie, które mogą mieć duży wpływ na wiele aspektów gospodarki”. Opracowanie ogólnej technologii zwykle trwa kilka dziesięcioleci, a nawet dłużej przyniesie wzrost produktywności. Początkowo nie byli dobrze rozumiani. Nawet po skomercjalizowaniu technologii nastąpiło długotrwałe opóźnienie w przyjęciu do produkcji. Dobrym przykładem są układy scalone. Tranzystory zostały wprowadzone po raz pierwszy na początku XX wieku, ale były szeroko stosowane do późnych godzin wieczornych.
Jeden z twórców prawa Moore'a, Gordon Moore, przewidział w 1965 roku, że półprzewodniki będą się rozwijać w szybszym tempie, „zwiększając popularność elektroniki i wprowadzając tę ​​naukę w wiele nowych dziedzin”. Pomimo swoich śmiałych i nieoczekiwanie trafnych prognoz przeszedł dziesięciolecia ciągłego doskonalenia, zanim osiągnął produktywność i wzrost gospodarczy.
Podobnie, zrozumienie dramatycznego rozwoju laserów półprzewodnikowych dużej mocy jest ograniczone. W 1962 roku przemysł po raz pierwszy zademonstrował konwersję elektronów w lasery, a następnie szereg postępów, które doprowadziły do ​​znacznych ulepszeń w konwersji elektronów do procesów laserowych o wysokiej wydajności. Te ulepszenia mogą obsługiwać szereg ważnych zastosowań, w tym pamięć optyczną, sieci optyczne i szeroki zakres zastosowań przemysłowych.
Przywołanie tych wydarzeń i licznych ulepszeń, które przyniosły one na światło dzienne, uwydatniło możliwość większego i bardziej powszechnego wpływu na wiele aspektów gospodarki. W rzeczywistości, wraz z ciągłym udoskonalaniem laserów półprzewodnikowych dużej mocy, zakres ważnych zastosowań wzrośnie i będzie miał głęboki wpływ na wzrost gospodarczy.
Historia lasera półprzewodnikowego dużej mocy
16 września 1962 roku zespół kierowany przez Roberta Halla z General Electric zademonstrował emisję w podczerwieni półprzewodników z arsenku galu (GaAs), które mają „dziwne” wzory interferencji, co oznacza laser koherencyjny - narodziny pierwszego lasera półprzewodnikowego. Hall początkowo uważał, że laser półprzewodnikowy to „długa szansa”, ponieważ diody elektroluminescencyjne były wówczas bardzo nieefektywne. Jednocześnie był wobec tego sceptyczny, ponieważ laser, który został potwierdzony dwa lata temu i już istnieje, wymaga „dobrego lustra”.
Latem 1962 roku Halle powiedział, że był zszokowany bardziej wydajnymi diodami elektroluminescencyjnymi GaAs opracowanymi przez MIT Lincoln Laboratory. Następnie powiedział, że miał szczęście, że mógł testować z niektórymi wysokiej jakości materiałami GaAs i wykorzystał swoje doświadczenie jako astronom amator, aby opracować sposób na wypolerowanie krawędzi chipów GaAs w celu utworzenia wnęki.
Udana demonstracja Halla opiera się na projektowaniu odbijania się promieniowania w przód iw tył na granicy faz, a nie odbijania pionowego. Powiedział skromnie, że nikt „nie wpadł na ten pomysł”. W rzeczywistości projekt Halla jest zasadniczo szczęśliwym zbiegiem okoliczności, że materiał półprzewodnikowy tworzący falowód ma również właściwość ograniczania nośników bipolarnych w tym samym czasie. W przeciwnym razie nie można zrealizować lasera półprzewodnikowego. Używając odmiennych materiałów półprzewodnikowych, można utworzyć falowód płytowy tak, aby zachodził na fotony z nośnikami.
Te wstępne demonstracje w General Electric były wielkim przełomem. Jednak te lasery są dalekie od praktycznych urządzeń. Aby promować narodziny laserów półprzewodnikowych dużej mocy, konieczne jest połączenie różnych technologii. Kluczowe innowacje technologiczne rozpoczęły się od zrozumienia materiałów półprzewodnikowych z bezpośrednią przerwą wzbronioną i technik wzrostu kryształów.
Późniejsze osiągnięcia obejmowały wynalezienie laserów podwójnie heterozłączowych i późniejszy rozwój laserów ze studniami kwantowymi. Kluczem do dalszego ulepszania tych podstawowych technologii jest poprawa wydajności i rozwój pasywacji wnęki, rozpraszania ciepła i technologii pakowania.
Jasność
Innowacje w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci przyniosły ekscytujące ulepszenia. W szczególności poprawa jasności jest doskonała. W 1985 roku najnowocześniejszy laser półprzewodnikowy dużej mocy był w stanie połączyć 105 miliwatów mocy w 105-mikronowym włóknie rdzeniowym. Najbardziej zaawansowane lasery półprzewodnikowe dużej mocy mogą obecnie wytwarzać ponad 250 watów 105-mikronowego włókna przy jednej długości fali - 10-krotny wzrost co osiem lat.

Moore wymyślił „mocowanie większej liczby komponentów do układu scalonego” - wtedy liczba tranzystorów w chipie wzrastała dziesięciokrotnie co 7 lat. Przypadkowo lasery półprzewodnikowe dużej mocy wprowadzają do światłowodu więcej fotonów z podobnymi szybkościami wykładniczymi (patrz Rysunek 1).

Rysunek 1. Jasność laserów półprzewodnikowych dużej mocy i porównanie z prawem Moore'a
Poprawa jasności laserów półprzewodnikowych dużej mocy sprzyja rozwojowi różnych nieprzewidzianych technologii. Chociaż kontynuacja tego trendu wymaga dalszych innowacji, istnieją powody, by sądzić, że innowacja w technologii laserów półprzewodnikowych jest daleka od ukończenia. Dobrze znana fizyka może dodatkowo poprawić wydajność laserów półprzewodnikowych dzięki ciągłemu rozwojowi technologicznemu.
Na przykład media wykorzystujące kropkę kwantową mogą znacznie zwiększyć wydajność w porównaniu z obecnymi urządzeniami ze studniami kwantowymi. Powolna jasność osi oferuje kolejny rząd wielkości potencjału poprawy. Nowe materiały opakowaniowe z ulepszonym dopasowaniem termicznym i rozszerzalnościowym zapewnią udoskonalenia potrzebne do ciągłej regulacji mocy i uproszczonego zarządzania temperaturą. Te kluczowe osiągnięcia będą stanowić mapę drogową dla rozwoju laserów półprzewodnikowych dużej mocy w nadchodzących dziesięcioleciach.
Lasery półprzewodnikowe i światłowodowe z pompą diodową
Udoskonalenia w laserach półprzewodnikowych dużej mocy umożliwiły rozwój dalszych technologii laserowych; w dalszych technologiach laserowych lasery półprzewodnikowe są wykorzystywane do wzbudzania (pompowania) kryształów domieszkowanych (lasery na ciele stałym z pompą diodową) lub włókien domieszkowanych (lasery światłowodowe).
Chociaż lasery półprzewodnikowe zapewniają wysoką wydajność i niską cenę energii lasera, istnieją dwa kluczowe ograniczenia: nie magazynują energii, a ich jasność jest ograniczona. Zasadniczo te dwa lasery muszą być używane w wielu zastosowaniach: jeden do przekształcania energii elektrycznej w emisję laserową, a drugi do zwiększania jasności emisji laserowej.
Lasery na ciele stałym z pompą diodową. Pod koniec lat osiemdziesiątych popularność w zastosowaniach komercyjnych zaczęło zdobywać zastosowanie laserów półprzewodnikowych do pompowania laserów na ciele stałym. Lasery na ciele stałym z pompą diodową (DPSSL) znacznie zmniejszają rozmiar i złożoność systemów zarządzania temperaturą (głównie chłodnic recyrkulacyjnych) i uzyskują moduły, które w przeszłości łączyły lampy łukowe do pompowania kryształów lasera na ciele stałym.
Długości fal laserów półprzewodnikowych dobiera się na podstawie ich nakładania się z właściwościami absorpcji widmowej ośrodka wzmacniającego laser na ciele stałym; obciążenie cieplne jest znacznie zmniejszone w porównaniu z szerokopasmowym widmem emisji lampy łukowej. Ze względu na popularność laserów na bazie germanu 1064 nm, długość fali pompy 808 nm stała się największą długością fali laserów półprzewodnikowych od ponad 20 lat.
Wraz ze wzrostem jasności wielomodowych laserów półprzewodnikowych i możliwości stabilizacji wąskiej szerokości linii emitera za pomocą objętościowych siatek Bragga (VBG) w połowie 2000 r. Uzyskano drugą generację poprawionej wydajności pompowania diod. Słabsza i widmowo wąska absorpcja w okolicach 880 nm stała się gorącymi punktami dla diod pomp o wysokiej jasności. Te diody mogą osiągnąć stabilność widmową. Te wysokowydajne lasery mogą bezpośrednio pobudzić górny poziom lasera 4F3 / 2 w krzemie, redukując defekty kwantowe, a tym samym poprawiając ekstrakcję wyższych średnich podstawowych trybów, które w przeciwnym razie byłyby ograniczone przez soczewki termiczne.
Na początku 2010 roku byliśmy świadkami trendu skalowania dużej mocy lasera 1064nm z pojedynczym krzyżem i powiązanych serii laserów z konwersją częstotliwości pracujących w pasmach widzialnego i ultrafioletowego. Ze względu na dłuższe okresy życia w stanie wysokiej energii Nd: YAG i Nd: YVO4, te operacje przełączania DPSSL Q zapewniają wysoką energię impulsu i moc szczytową, co czyni je idealnymi do ablacyjnej obróbki materiałów i zastosowań mikroobróbki o wysokiej precyzji.
laser światłowodowy. Lasery światłowodowe zapewniają bardziej efektywny sposób przekształcania jasności laserów półprzewodnikowych dużej mocy. Chociaż optyka multipleksowana długości fali może przekształcić laser półprzewodnikowy o stosunkowo niskiej luminancji w jaśniejszy laser półprzewodnikowy, odbywa się to kosztem zwiększonej szerokości widmowej i złożoności optomechanicznej. Wykazano, że lasery światłowodowe są szczególnie skuteczne w konwersji fotometrycznej.
Włókna z podwójnym płaszczem wprowadzone w latach dziewięćdziesiątych XX wieku wykorzystują włókna jednomodowe otoczone płaszczem wielomodowym, umożliwiając wydajniejsze i tańsze wielomodowe lasery z pompą półprzewodnikową o większej mocy, tworząc bardziej ekonomiczny sposób przekształcania laser półprzewodnikowy dużej mocy w jaśniejszy laser. W przypadku włókien domieszkowanych iterem (Yb) pompa wzbudza szeroką absorpcję skupioną przy 915 nm lub wąskie pasmo około 976 nm. Gdy długość fali pompy zbliża się do długości fali lasera lasera światłowodowego, tak zwane defekty kwantowe są redukowane, maksymalizując w ten sposób wydajność i minimalizując ilość rozpraszania ciepła.
Zarówno lasery światłowodowe, jak i lasery na ciele stałym z pompą diodową polegają na poprawie jasności lasera diodowego. Ogólnie rzecz biorąc, wraz z ciągłą poprawą jasności laserów diodowych zwiększa się również udział mocy lasera, którą pompują. Zwiększona jasność laserów półprzewodnikowych umożliwia bardziej wydajną konwersję jasności.
Jak można się spodziewać, jasność przestrzenna i widmowa będzie niezbędna dla przyszłych systemów, które umożliwią pompowanie z niską defektem kwantowym z wąską charakterystyką absorpcji w laserach na ciele stałym i gęstym multipleksowaniem fal do zastosowań w bezpośrednich laserach półprzewodnikowych. Plan staje się możliwy.
Rynek i zastosowanie
Rozwój laserów półprzewodnikowych dużej mocy umożliwił wiele ważnych zastosowań. Lasery te zastąpiły wiele tradycyjnych technologii i wprowadziły nowe kategorie produktów.
Dzięki 10-krotnemu wzrostowi kosztów i wydajności na dekadę, lasery półprzewodnikowe dużej mocy zakłócają normalne funkcjonowanie rynku w nieprzewidywalny sposób. Chociaż trudno jest dokładnie przewidzieć przyszłe aplikacje, bardzo ważne jest przeanalizowanie historii rozwoju z ostatnich trzech dekad i zapewnienie ramowych możliwości rozwoju w następnej dekadzie (patrz Rysunek 2).

Rysunek 2. Zastosowanie paliwa do lasera półprzewodnikowego dużej mocy o jasności (koszt standaryzacji na wat jasności)
Lata 80 .: Pamięć optyczna i pierwsze zastosowania niszowe. Pamięć optyczna to pierwsze zastosowanie na dużą skalę w branży laserów półprzewodnikowych. Wkrótce po tym, jak Hall po raz pierwszy pokazał podczerwony laser półprzewodnikowy, General Electrics Nick Holonyak pokazał również pierwszy widzialny czerwony laser półprzewodnikowy. Dwadzieścia lat później na rynek wprowadzono dyski kompaktowe (CD), a następnie rynek optycznej pamięci masowej.
Ciągłe innowacje technologii lasera półprzewodnikowego doprowadziły do ​​rozwoju technologii optycznego przechowywania danych, takich jak uniwersalne dyski cyfrowe (DVD) i dyski Blu-ray (BD). Jest to pierwszy duży rynek laserów półprzewodnikowych, ale generalnie skromne poziomy mocy ograniczają inne zastosowania do stosunkowo małych rynków niszowych, takich jak druk termiczny, zastosowania medyczne oraz wybrane zastosowania lotnicze i obronne.
Lata 90 .: Dominują sieci optyczne. W latach 90. lasery półprzewodnikowe stały się kluczem do sieci komunikacyjnych. Lasery półprzewodnikowe są używane do przesyłania sygnałów przez sieci światłowodowe, ale jednomodowe lasery pompujące o większej mocy do wzmacniaczy optycznych mają kluczowe znaczenie dla osiągnięcia skali sieci optycznych i rzeczywiście wspierają rozwój danych internetowych.
Boom w branży telekomunikacyjnej jest daleko idący, biorąc za przykład Spectra Diode Labs (SDL), jednego z pierwszych pionierów w branży laserów półprzewodnikowych dużej mocy. Założona w 1983 roku firma SDL jest spółką joint venture pomiędzy markami laserowymi Spectra-Physics i Xerox z grupy Newport. Został uruchomiony w 1995 roku z kapitalizacją rynkową około 100 milionów dolarów. Pięć lat później firma SDL została sprzedana firmie JDSU za ponad 40 miliardów dolarów podczas szczytu branży telekomunikacyjnej, jednego z największych przejęć technologii w historii. Niedługo potem pękła bańka telekomunikacyjna i zniszczyła biliony dolarów kapitału, który jest obecnie uważany za największą bańkę w historii.
2000s: Lasery stały się narzędziem. Chociaż pęknięcie bańki na rynku telekomunikacyjnym jest niezwykle destrukcyjne, ogromne inwestycje w lasery półprzewodnikowe dużej mocy położyły podwaliny pod szersze zastosowanie. Wraz ze wzrostem wydajności i kosztów lasery te zaczynają zastępować tradycyjne lasery gazowe lub inne źródła konwersji energii w różnych procesach.
Lasery półprzewodnikowe stały się szeroko stosowanym narzędziem. Zastosowania przemysłowe obejmują zarówno tradycyjne procesy produkcyjne, takie jak cięcie i lutowanie, jak i nowe zaawansowane technologie produkcyjne, takie jak wytwarzanie addytywne części metalowych drukowanych w 3D. Zastosowania mikroprodukcji są bardziej zróżnicowane, ponieważ kluczowe produkty, takie jak smartfony, zostały skomercjalizowane z tymi laserami. Zastosowania lotnicze i obronne obejmują szeroki zakres zastosowań o znaczeniu krytycznym i prawdopodobnie w przyszłości będą obejmować kierunkowe systemy energetyczne nowej generacji.
podsumowując
Ponad 50 lat temu Moore nie zaproponował nowego podstawowego prawa fizyki, ale dokonał wielkich ulepszeń w układach scalonych, które po raz pierwszy badano dziesięć lat temu. Jego proroctwo trwało przez dziesięciolecia i przyniosło ze sobą szereg przełomowych innowacji, które były nie do pomyślenia w 1965 roku.
Kiedy Hall zademonstrował lasery półprzewodnikowe ponad 50 lat temu, zapoczątkował rewolucję technologiczną. Podobnie jak w przypadku prawa Moore'a, nikt nie jest w stanie przewidzieć, jak szybko będą się rozwijać lasery półprzewodnikowe o dużej intensywności osiągnięte dzięki dużej liczbie innowacji.
W fizyce nie ma fundamentalnej zasady kontrolowania tych ulepszeń technologicznych, ale ciągły postęp technologiczny może przyspieszyć działanie lasera pod względem jasności. Tendencja ta będzie nadal zastępować tradycyjne technologie, a tym samym dalej zmieniać sposób rozwoju. Co ważniejsze dla wzrostu gospodarczego, lasery półprzewodnikowe dużej mocy będą również sprzyjać narodzinom nowych rzeczy.