Minulosť a budúcnosť vysokovýkonných polovodičových laserov

Ako sa bude stále zvyšovať účinnosť a výkon, laserové diódy budú aj naďalej nahrádzať tradičné technológie, meniť spôsob zaobchádzania s vecami a stimulovať zrod nových vecí.
Ekonómovia sú tradične presvedčení, že technologický pokrok je postupný proces. V poslednom období sa priemysel viac zameriava na prelomové inovácie, ktoré môžu spôsobiť prerušenie činnosti. Tieto inovácie, známe ako technológie na všeobecné použitie (GPT), sú „hlbokými novými myšlienkami alebo technológiami, ktoré môžu mať zásadný vplyv na mnohé aspekty ekonomiky“. Vývoj všeobecnej technológie sa zvyčajne trvá niekoľko desaťročí a ešte dlhšie prinesie zvýšenie produktivity. Spočiatku neboli dobre pochopené. Dokonca aj po komercializácii technológie došlo k dlhodobému oneskoreniu pri zavádzaní výroby. Dobrým príkladom sú integrované obvody. Tranzistory boli prvýkrát predstavené na začiatku 20. storočia, ale boli hojne využívané až do neskorých večerných hodín.
Jeden zo zakladateľov Moorovho zákona Gordon Moore v roku 1965 predpovedal, že polovodiče sa budú vyvíjať rýchlejším tempom, „čím prinesú popularitu elektroniky a posunú túto vedu do mnohých nových oblastí“. Napriek svojim odvážnym a neočakávane presným predpovediam prešiel desaťročiami neustáleho zlepšovania, kým dosiahol produktivitu a ekonomický rast.
Podobne je obmedzené pochopenie dramatického vývoja vysokovýkonných polovodičových laserov. V roku 1962 priemysel prvýkrát demonštroval premenu elektrónov na lasery, po ktorej nasledoval rad pokrokov, ktoré viedli k významnému zlepšeniu premeny elektrónov na vysoko výnosné laserové procesy. Tieto vylepšenia môžu podporovať celý rad dôležitých aplikácií vrátane optického úložiska, optických sietí a širokej škály priemyselných aplikácií.
Pripomínajúc tento vývoj a početné zlepšenia, ktoré priniesli na svetlo, poukázali na možnosť väčšieho a rozsiahlejšieho vplyvu na mnohé aspekty hospodárstva. V skutočnosti sa s neustálym zdokonaľovaním vysokovýkonných polovodičových laserov rozšíri rozsah dôležitých aplikácií, ktoré budú mať výrazný vplyv na ekonomický rast.
História vysokovýkonného polovodičového laseru
16. septembra 1962 tím vedený Robertom Hall z General Electric demonštroval infračervenú emisiu polovodičov arzenidu gália (GaAs), ktoré majú „čudné“ interferenčné vzory, čo znamená koherenciu Laser - zrod prvého polovodičového laseru. Hall sa spočiatku domnieval, že polovodičový laser bol „ďalekým výstrelom“, pretože vtedajšie svetlo emitujúce diódy boli veľmi neúčinné. Zároveň k tomu bol skeptický, pretože laser, ktorý bol potvrdený pred dvoma rokmi a ktorý už existuje, vyžaduje „jemné zrkadlo“.
V lete 1962 Halle uviedol, že ho šokovali účinnejšie svetelné diódy GaAs vyvinuté laboratórnym laboratóriom MIT Lincoln. Následne uviedol, že mal to šťastie, že mohol testovať s niektorými vysoko kvalitnými materiálmi GaAs, a svoje skúsenosti amatérskeho astronóma využil pri vývoji spôsobu leštenia okrajov čipov GaAs na vytvorenie dutiny.
Hallova úspešná demonštrácia je založená na návrhu odrazov žiarenia tam a späť na rozhraní, a nie na vertikálnom odraze. Skromne povedal, že nikto „náhodou neprišiel s týmto nápadom“. V skutočnosti je Hallov návrh v podstate šťastnou zhodou okolností, že polovodičový materiál tvoriaci vlnovod má tiež vlastnosť obmedzovať bipolárne nosiče súčasne. Inak je nemožné realizovať polovodičový laser. Použitím nepodobných polovodičových materiálov možno vytvoriť doskový vlnovod, ktorý prekrýva fotóny s nosičmi.
Tieto predbežné demonštrácie v spoločnosti General Electric boli veľkým prielomom. Tieto lasery však majú ďaleko od praktických zariadení. Na podporu zrodu vysoko výkonných polovodičových laserov je potrebné uskutočniť fúziu rôznych technológií. Kľúčové technologické inovácie začali pochopením priamych polovodičových materiálov s bandgapom a technikami rastu kryštálov.
Neskorší vývoj zahŕňal vynález dvojitých heterojunkčných laserov a následný vývoj kvantových laserov na jamky. Kľúč k ďalšiemu zdokonaľovaniu týchto základných technológií spočíva v zlepšení účinnosti a vývoji pasivácie dutín, rozptylu tepla a technológie balenia.
Jas
Inovácie za posledných niekoľko desaťročí priniesli vzrušujúce zlepšenia. Vynikajúce je najmä vylepšenie jasu. V roku 1985 bol najmodernejší vysokovýkonný polovodičový laser schopný spojiť výkon 105 miliwattov do vlákna s veľkosťou jadra 105 mikrónov. Najpokročilejšie vysokovýkonné polovodičové lasery môžu teraz produkovať viac ako 250 wattov 105-mikrónového vlákna s jednou vlnovou dĺžkou - desaťkrát viac ako každých osem rokov.

Moore vymyslel „pripevnenie viacerých komponentov k integrovanému obvodu“ - potom sa počet tranzistorov na čip zvýšil každých 10 rokov 10-krát. Zhodou okolností vysokovýkonné polovodičové lasery začleňujú do vlákna viac fotónov pri podobných exponenciálnych rýchlostiach (pozri obrázok 1).

Obrázok 1. Jas vysokovýkonných polovodičových laserov a porovnanie s Moorovým zákonom
Zlepšenie jasu vysokovýkonných polovodičových laserov podporilo vývoj rôznych nepredvídaných technológií. Aj keď si pokračovanie tohto trendu vyžaduje viac inovácií, je potrebné sa domnievať, že inovácia technológie polovodičových laserov nie je ani zďaleka dokončená. Známa fyzika môže kontinuálnym technologickým vývojom ďalej zlepšovať výkon polovodičových laserov.
Napríklad médiá so ziskom kvantovej bodky môžu výrazne zvýšiť účinnosť v porovnaní so súčasnými zariadeniami s kvantovými jamkami. Pomalý jas osi ponúka ďalší rad potenciálu na zlepšenie veľkosti. Nové obalové materiály so zdokonalenou tepelnou a expanznou zhodou poskytnú vylepšenia potrebné na nepretržité prispôsobovanie napájania a zjednodušenú správu tepla. Tento kľúčový vývoj poskytne plán vývoja vysoko výkonných polovodičových laserov v nasledujúcich desaťročiach.
Diódami čerpané polovodičové a vláknové lasery
Vylepšenia vysokovýkonných polovodičových laserov umožnili vývoj následných laserových technológií; v následných laserových technológiách sa polovodičové lasery používajú na excitáciu (prečerpanie) dopovaných kryštálov (diódami čerpané polovodičové lasery) alebo dopovaných vlákien (vláknové lasery).
Aj keď polovodičové lasery poskytujú vysokoúčinnú a lacnú laserovú energiu, existujú dve kľúčové obmedzenia: neukladajú energiu a ich jas je obmedzený. Tieto dva lasery je v zásade potrebné použiť pre mnoho aplikácií: jeden na premenu elektriny na laserovú emisiu a druhý na zvýšenie jasu laserovej emisie.
Diódou čerpané polovodičové lasery. Koncom 80. rokov 20. storočia si používanie komerčných polovodičových laserov na čerpanie polovodičových laserov začalo získavať na popularite. Diódami čerpané polovodičové lasery (DPSSL) výrazne znižujú veľkosť a zložitosť systémov tepelného riadenia (hlavne recirkulačných chladičov) a získavajú moduly, ktoré majú historicky kombinované oblúkové žiarovky na čerpanie polovodičových laserových kryštálov.
Vlnové dĺžky polovodičových laserov sa vyberajú na základe ich prekrytia so spektrálnymi absorpčnými vlastnosťami média pre zisk v pevnom stave lasera; tepelné zaťaženie je výrazne znížené v porovnaní so širokopásmovým emisným spektrom oblúkovej žiarovky. Vzhľadom na popularitu 1064 nm laserov na báze germánia sa vlnová dĺžka čerpadla 808 nm stala najväčšou vlnovou dĺžkou v polovodičových laseroch už viac ako 20 rokov.
So zvýšením jasu multimódových polovodičových laserov a schopnosťou stabilizovať úzku šírku čiary emitoru pomocou objemových Braggových mriežok (VBG) v polovici roku 2000 sa dosiahla druhá generácia zlepšenej účinnosti čerpania diód. Slabšie a spektrálne úzke absorpčné vlastnosti okolo 880 nm sa stali horúcimi miestami pre vysokoúčinné čerpadlové diódy. Tieto diódy môžu dosiahnuť spektrálnu stabilitu. Tieto vysoko výkonné lasery môžu priamo excitovať hornú hladinu lasera 4F3 / 2 v kremíku, čím znižujú kvantové chyby, a tým zlepšujú extrakciu vyšších priemerných základných režimov, ktoré by inak boli obmedzené tepelnými šošovkami.
Na začiatku roku 2010 sme boli svedkami trendu vysoko výkonného škálovania lasera s jedným krížom módu 1064 nm a súvisiacej série laserov s konverziou frekvencie pracujúcich vo viditeľnom a ultrafialovom pásme. Vďaka dlhšej životnosti vysoko energetických stavov Nd: YAG a Nd: YVO4 poskytujú tieto spínacie operácie DPSSL Q vysokú pulznú energiu a špičkový výkon, čo ich robí ideálnymi pre aplikácie s ablatívnym spracovaním materiálu a vysoko presné aplikácie pri mikroobrábaní.
optický laser. Vláknové lasery poskytujú efektívnejší spôsob premeny jasu vysokovýkonných polovodičových laserov. Aj keď optika s vlnovou dĺžkou a multiplexom dokáže premeniť polovodičový laser s relatívne nízkou svietivosťou na svetlejší polovodičový laser, je to na úkor zvýšenej spektrálnej šírky a optomechanickej zložitosti. Ukázalo sa, že vláknové lasery sú obzvlášť účinné pri fotometrickej premene.
Vlákna s dvojitým plášťom zavedené v 90. rokoch 20. storočia používajú vlákna s jedným režimom obklopené multimódovým obkladom, čo umožňuje efektívne vstrekovanie vysoko výkonných a lacnejších multimódových polovodičových čerpaných laserov do vlákna, čo vytvára ekonomickejší spôsob premeny vysokovýkonný polovodičový laser na jasnejší laser. Pre vlákna dotované yterbiom (Yb) pumpuje excitáciu širokej absorpcie so stredom pri 915 nm alebo úzkopásmového prvku okolo 976 nm. Keď sa vlnová dĺžka čerpadla blíži k vlnovej dĺžke laserového vlákna, znižujú sa takzvané kvantové chyby, čím sa maximalizuje účinnosť a minimalizuje množstvo rozptylu tepla.
Vláknové lasery aj polovodičové lasery napájané z diód sa spoliehajú na zlepšenie jasu diódového lasera. Všeobecne platí, že keď sa jas diódových laserov neustále zlepšuje, zvyšuje sa aj podiel laserového výkonu, ktorý pumpujú. Zvýšený jas polovodičových laserov umožňuje účinnejšiu konverziu jasu.
Ako by sme očakávali, priestorová a spektrálna jasnosť bude pre budúce systémy nevyhnutná, čo umožní čerpanie nízkych kvantových defektov s úzkymi absorpčnými charakteristikami v polovodičových laseroch a multiplexovanie s hustou vlnovou dĺžkou pre priame aplikácie polovodičových laserov. Plán sa stáva možným.
Trh a aplikácia
Vývoj vysokovýkonných polovodičových laserov umožnil mnoho dôležitých aplikácií. Tieto lasery nahradili mnoho tradičných technológií a implementovali nové kategórie výrobkov.
S desaťnásobným zvýšením nákladov a výkonu za desaťročie vysokovýkonné polovodičové lasery nepredvídateľným spôsobom narúšajú bežnú prevádzku trhu. Aj keď je ťažké presne predpovedať budúce aplikácie, je veľmi dôležité preskúmať históriu vývoja za posledné tri desaťročia a poskytnúť rámcové možnosti pre vývoj v nasledujúcom desaťročí (pozri obrázok 2).

Obrázok 2. Aplikácia vysoko výkonného polovodičového laserového laserového jasu (náklady na štandardizáciu na wattový jas)
80. roky: optické ukladanie a počiatočné špeciálne aplikácie. Optické úložisko je prvou rozsiahlou aplikáciou v priemysle polovodičových laserov. Krátko potom, čo Hall prvýkrát ukázal infračervený polovodičový laser, ukázal General Electrics Nick Holonyak aj prvý viditeľný červený polovodičový laser. O dvadsať rokov neskôr boli na trh uvedené kompaktné disky (CD), po ktorých nasledoval trh s optickými úložiskami.
Neustála inovácia technológie polovodičových laserov viedla k rozvoju technológií optického ukladania, ako sú digitálne univerzálne disky (DVD) a Blu-ray Disc (BD). Toto je prvý veľký trh s polovodičovými lasermi, ale všeobecne nízka úroveň výkonu obmedzuje iné aplikácie na relatívne malé špecializované trhy, ako je termálna tlač, lekárske aplikácie a vybrané letecké a obranné aplikácie.
90. roky: prevažujú optické siete. V 90. rokoch sa polovodičové lasery stali kľúčom ku komunikačným sieťam. Polovodičové lasery sa používajú na prenos signálov po sieťach s optickými vláknami, ale pre dosiahnutie rozsahu optických sietí a skutočnej podpory rastu údajov na internete sú kritické jednosmerné čerpadlové lasery s vyšším výkonom.
Boom v telekomunikačnom priemysle, ktorý priniesol, je ďalekosiahly a ako príklad si berie spoločnosť Spectra Diode Labs (SDL), jedného z prvých priekopníkov v priemysle vysokovýkonných polovodičových laserov. Spoločnosť SDL, ktorá bola založená v roku 1983, je spoločným podnikom medzi laserovými značkami skupiny Newport Spectra-Physics a Xerox. Bola uvedená na trh v roku 1995 s trhovou kapitalizáciou približne 100 miliónov dolárov. O päť rokov neskôr sa SDL predala spoločnosti JDSU za viac ako 40 miliárd dolárov počas vrcholu telekomunikačného priemyslu, čo bola jedna z najväčších technologických akvizícií v histórii. Krátko potom praskla telekomunikačná bublina a zničila bilióny dolárov kapitálu, ktorý sa v súčasnosti považuje za najväčšiu bublinu v histórii.
2000s: Lasery sa stali nástrojom. Aj keď prasknutie bubliny na telekomunikačnom trhu je mimoriadne deštruktívne, obrovské investície do vysoko výkonných polovodičových laserov položili základ pre širšie prijatie. Ako sa zvyšuje výkon a náklady, tieto lasery začínajú nahrádzať tradičné plynové lasery alebo iné zdroje premeny energie v rôznych procesoch.
Polovodičové lasery sa stali široko používaným nástrojom. Priemyselné aplikácie siahajú od tradičných výrobných procesov, ako je rezanie a spájkovanie, až po nové pokročilé výrobné technológie, ako je aditívna výroba 3D tlačených kovových častí. Aplikácie mikroprocesie sú rozmanitejšie, pretože s týmito lasermi sa začali komercializovať kľúčové produkty, ako sú napríklad smartfóny. Letectvo a obranné aplikácie zahŕňajú širokú škálu najdôležitejších aplikácií a pravdepodobne budú v budúcnosti zahŕňať smerové energetické systémy novej generácie.
sumarizovať
Pred viac ako 50 rokmi Moore nenavrhol nový základný zákon fyziky, ale urobil veľké vylepšenia integrovaných obvodov, ktoré boli prvýkrát študované pred desiatimi rokmi. Jeho proroctvo trvalo celé desaťročia a prinieslo so sebou sériu rušivých inovácií, ktoré boli v roku 1965 nemysliteľné.
Keď Hall pred viac ako 50 rokmi predviedol polovodičové lasery, spustilo to technologickú revolúciu. Rovnako ako v prípade Moorovho zákona, nikto nedokáže predpovedať vysokorýchlostný vývoj, ktorý následne podstúpi vysokointenzívne polovodičové lasery dosiahnuté veľkým počtom inovácií.
Vo fyzike neexistuje základné pravidlo, ktoré by tieto technologické vylepšenia kontrolovalo, ale nepretržitý technologický pokrok môže laser posunúť v zmysle jasu. Tento trend bude aj naďalej nahrádzať tradičné technológie, čo ďalej zmení spôsob vývoja vecí. Pre hospodársky rast sú dôležitejšie polovodičové lasery s vysokým výkonom, ktoré tiež podporia vznik nových vecí.