Przeszłość i przyszłość laserów półprzewodnikowych dużej mocy

W miarę ciągłego wzrostu wydajności i mocy diody laserowe będą nadal zastępować tradycyjne technologie, zmieniać sposób obsługi i stymulować powstawanie nowych rzeczy.
Tradycyjnie ekonomiści uważają, że postęp technologiczny jest procesem stopniowym. Ostatnio branża skupiła się bardziej na przełomowych innowacjach, które mogą powodować brak ciągłości. Innowacje te, znane jako technologie ogólnego przeznaczenia (GPT), to „nowe idee lub technologie, które mogą mieć poważny wpływ na wiele aspektów gospodarki”. Ogólna technologia rozwija się zwykle przez kilka dziesięcioleci, a jeszcze dłużej powoduje wzrost produktywności. Początkowo nie były one dobrze rozumiane. Nawet po komercjalizacji technologii występowały długoterminowe opóźnienia we wdrażaniu produkcji. Dobrym przykładem są układy scalone. Tranzystory wprowadzono po raz pierwszy na początku XX wieku, ale powszechnie używano ich aż do późnego wieczora.
Jeden z twórców prawa Moore'a, Gordon Moore, przewidział w 1965 roku, że półprzewodniki będą się rozwijać w szybszym tempie, „przynosząc popularność elektroniki i popychając tę ​​naukę w wielu nowych dziedzinach”. Pomimo swoich odważnych i nieoczekiwanie trafnych przewidywań, zanim osiągnął produktywność i wzrost gospodarczy, przeszedł dziesięciolecia ciągłego doskonalenia.
Podobnie ograniczone jest zrozumienie dramatycznego rozwoju laserów półprzewodnikowych dużej mocy. W 1962 r. w przemyśle po raz pierwszy zademonstrowano konwersję elektronów na lasery, po czym nastąpił szereg postępów, które doprowadziły do ​​znacznej poprawy konwersji elektronów w procesy laserowe o wysokiej wydajności. Ulepszenia te mogą wspierać szereg ważnych zastosowań, w tym pamięć optyczną, sieci optyczne i szeroką gamę zastosowań przemysłowych.
Przypomnienie tych zmian i licznych ulepszeń, które wydobyły 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 będzie się zwiększał i będzie miał ogromny 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 arsenku galu (GaAs), które mają „dziwne” wzorce interferencji, co oznacza laser koherentny – narodziny pierwszego lasera półprzewodnikowego. Hall początkowo uważał, że laser półprzewodnikowy to „odległy strzał”, ponieważ ówczesne diody elektroluminescencyjne były bardzo nieefektywne. Jednocześnie był co do tego sceptyczny, ponieważ laser, który potwierdzono dwa lata temu i który już istnieje, wymaga „cienkiego lustra”.
Latem 1962 roku Halle powiedział, że był zszokowany bardziej wydajnymi diodami elektroluminescencyjnymi GaAs opracowanymi przez laboratorium MIT Lincoln. Następnie powiedział, że miał szczęście, że mógł przeprowadzić testy z niektórymi wysokiej jakości materiałami GaAs i wykorzystał swoje doświadczenie jako astronom-amator do opracowania sposobu polerowania krawędzi chipów GaAs w celu utworzenia wnęki.
Udana demonstracja Halla opiera się na konstrukcji odbić promieniowania tam i z powrotem na granicy faz, a nie odbić pionowych. Skromnie stwierdził, że „nie zdarzyło się, żeby ktoś wpadł na taki pomysł”. W rzeczywistości projekt Halla jest w zasadzie szczęśliwym zbiegiem okoliczności, ponieważ materiał półprzewodnikowy tworzący falowód ma jednocześnie właściwość ograniczania nośników bipolarnych. W przeciwnym razie nie byłoby możliwe zrealizowanie lasera półprzewodnikowego. Stosując różne materiały półprzewodnikowe, można utworzyć falowód płytowy tak, aby fotony nakładały się na nośniki.
Te wstępne demonstracje w General Electric były poważnym przełomem. Lasery te są jednak dalekie od urządzeń praktycznych. Aby ułatwić narodziny laserów półprzewodnikowych dużej mocy, należy dokonać fuzji różnych technologii. Kluczowe innowacje technologiczne rozpoczęły się od zrozumienia materiałów półprzewodnikowych z bezpośrednią przerwą wzbronioną i technik wzrostu kryształów.
Późniejsze osiągnięcia obejmowały wynalezienie podwójnych laserów heterozłączowych i późniejszy rozwój laserów ze studnią kwantową. Kluczem do dalszego udoskonalania tych podstawowych technologii jest poprawa wydajności i rozwój pasywacji wnękowej, rozpraszania ciepła i technologii pakowania.
Jasność
Innowacje wprowadzone w ciągu ostatnich kilku dekad 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 rdzeniu światłowodowym. Najbardziej zaawansowane lasery półprzewodnikowe dużej mocy mogą obecnie wytwarzać ponad 250 watów światłowodu o średnicy 105 mikronów przy jednej długości fali – co stanowi 10-krotny wzrost co osiem lat.

Moore wymyślił „mocowanie większej liczby elementów w układzie scalonym” – wówczas liczba tranzystorów w chipie zwiększała się 10-krotnie co 7 lat. Przypadkowo lasery półprzewodnikowe dużej mocy wprowadzają do światłowodu więcej fotonów z podobną wykładniczą szybkością (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 podstawy, aby sądzić, że innowacje w technologii laserów półprzewodnikowych są dalekie od ukończenia. Dobrze znana fizyka może jeszcze bardziej poprawić wydajność laserów półprzewodnikowych poprzez ciągły rozwój technologiczny.
Na przykład nośniki wzmacniające kropki kwantowe mogą znacznie zwiększyć wydajność w porównaniu z obecnymi urządzeniami ze studniami kwantowymi. Jasność w niskiej osi oferuje potencjał poprawy o kolejny rząd wielkości. Nowe materiały opakowaniowe o lepszym dopasowaniu termicznym i rozszerzalnościowym zapewnią ulepszenia potrzebne do ciągłej regulacji mocy i uproszczonego zarządzania temperaturą. Te kluczowe osiągnięcia pozwolą opracować plan rozwoju laserów półprzewodnikowych dużej mocy w nadchodzących dziesięcioleciach.
Lasery na ciele stałym i światłowodowe pompowane diodami
Ulepszenia laserów półprzewodnikowych dużej mocy umożliwiły rozwój dalszych technologii laserowych; w dalszych technologiach laserowych lasery półprzewodnikowe wykorzystuje się do wzbudzania (pompowania) domieszkowanych kryształów (lasery półprzewodnikowe pompowane diodami) lub domieszkowanych włókien (lasery światłowodowe).
Chociaż lasery półprzewodnikowe zapewniają wysoką wydajność i tanią energię lasera, istnieją dwa kluczowe ograniczenia: nie magazynują energii, a ich jasność jest ograniczona. Zasadniczo te dwa lasery muszą być wykorzystywane do wielu zastosowań: jeden do przekształcania energii elektrycznej w emisję lasera, a drugi do zwiększania jasności emisji lasera.
Lasery na ciele stałym pompowane diodami. Pod koniec lat 80. zastosowanie laserów półprzewodnikowych do pompowania laserów na ciele stałym zaczęło zyskiwać na popularności w zastosowaniach komercyjnych. Lasery na ciele stałym pompowane diodami (DPSSL) znacznie zmniejszają rozmiar i złożoność systemów zarządzania ciepłem (głównie chłodnic z recyrkulacją) 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 lasera na ciele stałym; obciążenie cieplne jest znacznie zmniejszone w porównaniu z szerokopasmowym widmem emisji lampy łukowej. Ze względu na popularność laserów germanowych o długości fali 1064 nm, długość fali pompy 808 nm stała się od ponad 20 lat największą długością fali w laserach półprzewodnikowych.
Wraz ze wzrostem jasności wielomodowych laserów półprzewodnikowych i możliwością stabilizacji wąskiej szerokości linii emitera za pomocą objętościowych siatek Bragga (VBG) w połowie 2000 roku, osiągnięta została druga generacja poprawionej wydajności pompowania diod. Słabsze i wąskie widmowo właściwości absorpcyjne wokół 880 nm stały się gorącymi punktami dla diod pompujących o wysokiej jasności. Diody te mogą osiągnąć stabilność widmową. Te lasery o wyższej wydajności mogą bezpośrednio wzbudzać górny poziom lasera 4F3/2 w krzemie, redukując defekty kwantowe, poprawiając w ten sposób ekstrakcję wyższych średnich modów podstawowych, które w przeciwnym razie byłyby ograniczone przez soczewki termiczne.
Na początku 2010 roku byliśmy świadkami trendu skalowania dużej mocy w przypadku lasera 1064 nm z pojedynczym trybem krzyżowym i powiązanej serii laserów konwersji częstotliwości działających w pasmach widzialnym i ultrafioletowym. Ze względu na dłuższe czasy życia Nd:YAG i Nd:YVO4 w stanach wysokiej energii, te operacje przełączania DPSSL Q zapewniają wysoką energię impulsu i moc szczytową, co czyni je idealnymi do ablacyjnego przetwarzania materiałów i zastosowań w zakresie precyzyjnej mikroobróbki.
laser światłowodowy. Lasery światłowodowe zapewniają bardziej efektywny sposób przekształcania jasności laserów półprzewodnikowych dużej mocy. Chociaż optyka ze zwielokrotnieniem długości fali może przekształcić laser półprzewodnikowy o stosunkowo niskiej luminancji w jaśniejszy laser półprzewodnikowy, dzieje się to kosztem zwiększonej szerokości widma i złożoności optomechanicznej. Wykazano, że lasery światłowodowe są szczególnie skuteczne w konwersji fotometrycznej.
Podwójnie platerowane włókna wprowadzone w latach 90. XX wieku wykorzystują włókna jednomodowe otoczone płaszczem wielomodowym, umożliwiając efektywne wstrzykiwanie do włókna wielomodowych laserów półprzewodnikowych pompowanych półprzewodnikami o większej mocy i niższych kosztach, tworząc bardziej ekonomiczny sposób konwersji laser półprzewodnikowy dużej mocy na jaśniejszy laser. W przypadku włókien domieszkowanych iterbem (Yb) pompa wzbudza szeroką absorpcję skupioną przy długości fali 915 nm lub wąskie pasmo przy długości fali około 976 nm. Gdy długość fali pompy zbliża się do długości fali 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 pompowane diodą polegają na poprawie jasności lasera diodowego. Ogólnie rzecz biorąc, w miarę ciągłego zwiększania się jasności laserów diodowych wzrasta również udział mocy lasera pompowanego przez nie. Zwiększona jasność laserów półprzewodnikowych umożliwia bardziej efektywną konwersję jasności.
Jak można się spodziewać, w przyszłych systemach konieczna będzie jasność przestrzenna i widmowa, co umożliwi pompowanie niskich defektów kwantowych z wąską charakterystyką absorpcji w laserach na ciele stałym oraz gęste multipleksowanie długości fal do bezpośrednich zastosowań laserów 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.
Przy 10-krotnym wzroście kosztów i wydajności na dekadę, lasery półprzewodnikowe dużej mocy zakłócają normalne funkcjonowanie rynku w nieprzewidywalny sposób. Chociaż trudno jest dokładnie przewidzieć przyszłe zastosowania, bardzo istotne jest dokonanie przeglądu historii rozwoju ostatnich trzech dekad i określenie ramowych możliwości rozwoju na następną dekadę (patrz rysunek 2).

Rysunek 2. Zastosowanie paliwa do wytwarzania jasności lasera półprzewodnikowego dużej mocy (koszt standaryzacji na wat jasności)
Lata 80.: Pamięć optyczna i początkowe zastosowania niszowe. Pamięć optyczna to pierwsze zastosowanie na dużą skalę w branży laserów półprzewodnikowych. Krótko po tym, jak Hall po raz pierwszy pokazał laser półprzewodnikowy na podczerwień, General Electrics Nick Holonyak pokazał także pierwszy widzialny czerwony laser półprzewodnikowy. Dwadzieścia lat później na rynek wprowadzono dyski kompaktowe (CD), a następnie rynek pamięci optycznych.
Ciągłe innowacje w technologii laserów półprzewodnikowych doprowadziły do ​​rozwoju technologii optycznego przechowywania danych, takich jak dyski cyfrowe (DVD) i dyski Blu-ray (BD). Jest to pierwszy duży rynek laserów półprzewodnikowych, ale ogólnie skromne poziomy mocy ograniczają inne zastosowania do stosunkowo małych rynków niszowych, takich jak druk termiczny, zastosowania medyczne oraz wybrane zastosowania w przemyśle lotniczym i obronnym.
Lata 90.: Dominują sieci optyczne. W latach 90. kluczem do sieci komunikacyjnych stały się lasery półprzewodnikowe. Lasery półprzewodnikowe służą do przesyłania sygnałów w sieciach światłowodowych, ale jednomodowe lasery pompowe o większej mocy do wzmacniaczy optycznych mają kluczowe znaczenie dla osiągnięcia skali sieci optycznych i rzeczywistego wspierania wzrostu ilości danych w Internecie.
Spowodowany przez nią boom w branży telekomunikacyjnej ma daleko idące skutki, na przykładzie 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 należącymi do Newport Group. Został wprowadzony na rynek w 1995 roku, a jego kapitalizacja rynkowa wynosiła około 100 milionów dolarów. Pięć lat później SDL została sprzedana firmie JDSU za ponad 40 miliardów dolarów w szczytowym okresie branży telekomunikacyjnej, co było jednym z największych przejęć technologicznych w historii. Wkrótce potem pękła bańka telekomunikacyjna i zniszczyła kapitał warty biliony dolarów, obecnie uważaną za największą bańkę w historii.
Lata 2000: 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 tradycyjne procesy produkcyjne, takie jak cięcie i lutowanie, po nowe zaawansowane technologie produkcyjne, takie jak produkcja przyrostowa części metalowych drukowanych w 3D. Zastosowania w mikroprodukcji są bardziej zróżnicowane, ponieważ kluczowe produkty, takie jak smartfony, zostały skomercjalizowane przy użyciu tych laserów. Zastosowania w przemyśle lotniczym i obronnym obejmują szeroką gamę zastosowań o znaczeniu krytycznym i prawdopodobnie w przyszłości obejmą systemy energii kierunkowej nowej generacji.
podsumowując 
Ponad 50 lat temu Moore nie zaproponował nowego podstawowego prawa fizyki, ale dokonał ogromnych ulepszeń w układach scalonych, które po raz pierwszy badano dziesięć lat temu. Jego proroctwo trwało dziesięciolecia i przyniosło ze sobą szereg przełomowych innowacji, które w 1965 roku były nie do pomyślenia.
Kiedy ponad 50 lat temu Hall zademonstrował lasery półprzewodnikowe, zapoczątkowało to rewolucję technologiczną. Podobnie jak w przypadku prawa Moore'a, nikt nie jest w stanie przewidzieć szybkiego rozwoju, jaki ulegną później laserom półprzewodnikowym o dużej intensywności, uzyskanym dzięki dużej liczbie innowacji.
W fizyce nie ma fundamentalnej reguły kontrolującej te ulepszenia technologiczne, ale ciągły postęp technologiczny może poprawić jasność lasera. Tendencja ta będzie w dalszym ciągu wypierać tradycyjne technologie, tym samym jeszcze bardziej zmieniając sposób rozwoju. Lasery półprzewodnikowe dużej mocy, co ważniejsze dla wzrostu gospodarczego, będą również sprzyjać narodzinom nowych rzeczy.