Minulosť a budúcnosť vysokovýkonných polovodičových laserov

Ako sa účinnosť a výkon neustále zvyšujú, laserové diódy budú naďalej nahrádzať tradičné technológie, meniť spôsob, akým sa s vecami zaobchádza, a stimulovať zrod nových vecí.
Tradične sa ekonómovia domnievajú, že technologický pokrok je postupný proces. V poslednej dobe sa priemysel sústredil viac na rušivé inovácie, ktoré môžu spôsobiť diskontinuity. Tieto inovácie, známe ako technológie na všeobecné použitie (GPT), sú „hlboké nové nápady alebo technológie, ktoré môžu mať veľký vplyv na mnohé aspekty ekonomiky“. Vývoj všeobecnej technológie zvyčajne trvá niekoľko desaťročí a ešte dlhší čas prinesie zvýšenie produktivity. Spočiatku im nebolo dobre rozumieť. Dokonca aj po komercializácii technológie došlo k dlhodobému oneskoreniu v zavádzaní výroby. Dobrým príkladom sú integrované obvody. Tranzistory boli prvýkrát predstavené na začiatku 20. storočia, ale boli široko používané až do neskorého večera.
Jeden zo zakladateľov Moorovho zákona, Gordon Moore, v roku 1965 predpovedal, že polovodiče sa budú vyvíjať rýchlejším tempom, čo „prinesie popularitu elektroniky a posunie túto vedu do mnohých nových oblastí“. Napriek svojim odvážnym a nečakane 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 konverziu elektrónov na lasery, po ktorých nasledovalo množstvo pokrokov, ktoré viedli k významným zlepšeniam konverzie elektrónov na laserové procesy s vysokým výťažkom. Tieto vylepšenia môžu podporovať celý rad dôležitých aplikácií vrátane optického úložiska, optických sietí a širokého spektra priemyselných aplikácií.
Pripomínajúc si tento vývoj a početné zlepšenia, ktoré priniesol na svetlo, zdôraznili možnosť väčšieho a rozsiahlejšieho vplyvu na mnohé aspekty hospodárstva. V skutočnosti s neustálym zdokonaľovaním vysokovýkonných polovodičových laserov sa rozsah dôležitých aplikácií zväčší a bude mať hlboký vplyv na ekonomický rast.
História vysokovýkonných polovodičových laserov
16. septembra 1962 tím vedený Robertom Hallom z General Electric demonštroval infračervenú emisiu polovodičov arzenidu gália (GaAs), ktoré majú „zvláštne“ interferenčné obrazce, čo znamená koherentný laser – zrod prvého polovodičového lasera. Hall spočiatku veril, že polovodičový laser je „beh na dlhé trate“, pretože vtedajšie svetelné diódy boli veľmi neefektívne. Zároveň bol k tomu skeptický, pretože laser, ktorý bol potvrdený pred dvoma rokmi a už existuje, vyžaduje „jemné zrkadlo“.
V lete 1962 Halle povedal, že ho šokovali efektívnejšie svetelné diódy GaAs vyvinuté Lincolnovým laboratóriom MIT. Následne povedal, že mal to šťastie, že mohol testovať s niektorými vysoko kvalitnými materiálmi GaAs a využil svoje skúsenosti amatérskeho astronóma na vývoj spôsobu, ako vyleštiť okraje čipov GaAs, aby sa vytvorila dutina.
Hallova úspešná demonštrácia je založená na návrhu odrazu žiarenia tam a späť na rozhraní, a nie na vertikálnom odraze. Skromne povedal, že nikto „s týmto nápadom náhodou neprišiel“. V skutočnosti je Hallov návrh v podstate šťastnou náhodou, že polovodičový materiál tvoriaci vlnovod má zároveň vlastnosť obmedzovať bipolárne nosiče. V opačnom prípade nie je možné realizovať polovodičový laser. Použitím odlišných polovodičových materiálov možno vytvoriť doskový vlnovod na prekrytie fotónov s nosičmi.
Tieto predbežné demonštrácie v General Electric boli veľkým prelomom. Tieto lasery však majú ďaleko od praktických zariadení. Aby sa podporil vznik vysokovýkonných polovodičových laserov, musí sa realizovať fúzia rôznych technológií. Kľúčové technologické inovácie sa začali pochopením polovodičových materiálov s priamym pásmovým odstupom a techník rastu kryštálov.
Neskorší vývoj zahŕňal vynález dvojitých heterojunkčných laserov a následný vývoj laserov s kvantovými jamami. Kľúčom k ďalšiemu vylepšeniu týchto základných technológií je zlepšenie účinnosti a vývoj pasivácie dutín, odvodu tepla a technológie balenia.
Jas
Inovácie za posledných niekoľko desaťročí priniesli vzrušujúce zlepšenia. Vynikajúce je najmä zlepšenie jasu. V roku 1985 bol najmodernejší vysokovýkonný polovodičový laser schopný spojiť 105 miliwattov energie do 105 mikrónového vlákna. Najpokročilejšie vysokovýkonné polovodičové lasery teraz dokážu produkovať viac ako 250 wattov 105-mikrónového vlákna s jedinou vlnovou dĺžkou – 10-násobný nárast každých osem rokov.

Moore si myslel, že „pripevní viac komponentov do integrovaného obvodu“ - potom sa počet tranzistorov na čip zvýšil 10-krát každých 7 rokov. 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. Hoci pokračovanie tohto trendu si vyžaduje ďalšie inovácie, existuje dôvod domnievať sa, že inovácia technológie polovodičových laserov nie je ani zďaleka dokončená. Známa fyzika môže ďalej zlepšiť výkon polovodičových laserov neustálym technologickým vývojom.
Napríklad médiá so ziskom kvantových bodov môžu výrazne zvýšiť účinnosť v porovnaní so súčasnými zariadeniami s kvantovými studňami. Pomalá jasnosť osi ponúka ďalší rádový potenciál zlepšenia. Nové obalové materiály so zlepšeným tepelným a expanzným prispôsobením poskytnú vylepšenia potrebné na plynulé nastavenie výkonu a zjednodušený tepelný manažment. Tento kľúčový vývoj poskytne plán pre vývoj vysokovýkonných polovodičových laserov v nadchádzajúcich desaťročiach.
Diódovo čerpané polovodičové a vláknové lasery
Zlepšenia vo vysokovýkonných polovodičových laseroch umožnili vývoj nadväzujúcich laserových technológií; v nadväzujúcich laserových technológiách sa polovodičové lasery používajú na excitáciu (pumpovanie) dopovaných kryštálov (diodovo čerpané pevnolátkové lasery) alebo dopovaných vlákien (vláknové lasery).
Hoci polovodičové lasery poskytujú vysokoúčinnú a lacnú laserovú energiu, existujú dve kľúčové obmedzenia: neukladajú energiu a ich jas je obmedzený. V zásade sa tieto dva lasery musia používať na mnoho aplikácií: jeden na premenu elektriny na laserovú emisiu a druhý na zvýšenie jasu laserovej emisie.
Pevné lasery čerpané diódami. Koncom 80-tych rokov minulého storočia si používanie polovodičových laserov na čerpanie pevnolátkových laserov začalo získavať na popularite v komerčných aplikáciách. Diódou čerpané polovodičové lasery (DPSSL) výrazne znižujú veľkosť a zložitosť systémov tepelného manažmentu (hlavne recirkulačné chladiče) a získavajú moduly, ktoré historicky kombinovali oblúkové lampy na čerpanie kryštálov polovodičového lasera.
Vlnové dĺžky polovodičových laserov sa vyberajú na základe ich prekrývania so spektrálnymi absorpčnými vlastnosťami média na získanie lasera v pevnej fáze; tepelné zaťaženie je značne znížené v porovnaní so širokopásmovým emisným spektrom oblúkovej lampy. Vďaka popularite 1064 nm laserov na báze germánia sa vlnová dĺžka pumpy 808 nm stala najväčšou vlnovou dĺžkou v polovodičových laseroch za viac ako 20 rokov.
So zvýšením jasu multimódových polovodičových laserov a schopnosťou stabilizovať úzku šírku čiary emitora pomocou objemových Braggových mriežok (VBG) v polovici roku 2000 bola dosiahnutá druhá generácia zlepšenej účinnosti čerpania diód. Slabšie a spektrálne úzke absorpčné vlastnosti okolo 880 nm sa stali horúcimi miestami pre vysokosvietivé čerpacie diódy. Tieto diódy môžu dosiahnuť spektrálnu stabilitu. Tieto výkonnejšie lasery môžu priamo excitovať hornú úroveň lasera 4F3/2 v kremíku, čím sa znížia kvantové defekty, čím sa zlepší extrakcia základných režimov s vyšším priemerom, ktoré by inak boli obmedzené tepelnými šošovkami.
Začiatkom roku 2010 sme boli svedkami trendu vysokovýkonného škálovania jednokrížového 1064nm lasera a súvisiaceho radu frekvenčne konverzných laserov pracujúcich vo viditeľnom a ultrafialovom pásme. Vďaka dlhšej životnosti vysokoenergetického stavu Nd:YAG a Nd:YVO4 poskytujú tieto spínacie operácie DPSSL Q vysokú pulznú energiu a špičkový výkon, vďaka čomu sú ideálne pre ablatívne spracovanie materiálu a vysoko presné aplikácie mikroobrábania.
vláknový laser. Vláknové lasery poskytujú efektívnejší spôsob premeny jasu vysokovýkonných polovodičových laserov. Hoci optika s multiplexovaním vlnových dĺžok dokáže previesť polovodičový laser s relatívne nízkou svietivosťou na jasnejší polovodičový laser, je to na úkor zvýšenej spektrálnej šírky a optomechanickej zložitosti. Vláknové lasery sa ukázali ako obzvlášť účinné pri fotometrickej konverzii.
Dvojplášťové vlákna zavedené v 90-tych rokoch 20. storočia využívajú jednovidové vlákna obklopené viacvidovým plášťom, čo umožňuje efektívne vstrekovanie výkonnejších a lacnejších multimódových polovodičových laserov s pumpovaním do vlákna, čím sa vytvára ekonomickejší spôsob konverzie vysokovýkonný polovodičový laser na jasnejší laser. Pre vlákna dopované ytterbiom (Yb) pumpa excituje širokú absorpciu so stredom pri 915 nm alebo úzky pásik okolo 976 nm. Keď sa vlnová dĺžka čerpadla približuje k vlnovej dĺžke vláknového lasera, takzvané kvantové defekty sa znižujú, čím sa maximalizuje účinnosť a minimalizuje sa množstvo rozptylu tepla.
Vláknové lasery aj diódami čerpané polovodičové lasery sa spoliehajú na zlepšenie jasu diódového lasera. Vo všeobecnosti, ako sa jas diódových laserov neustále zlepšuje, zvyšuje sa aj podiel výkonu lasera, ktorý čerpajú. Zvýšený jas polovodičových laserov uľahčuje efektívnejšiu konverziu jasu.
Ako by sme očakávali, pre budúce systémy bude potrebný priestorový a spektrálny jas, ktorý umožní čerpanie s nízkymi kvantovými defektmi s úzkymi absorpčnými charakteristikami v pevnolátkových laseroch a hustým multiplexovaním vlnových dĺžok pre priame polovodičové laserové aplikácie. Plán sa stáva možným.
Trh a aplikácia
Vývoj vysokovýkonných polovodičových laserov umožnil mnohé dôležité aplikácie. Tieto lasery nahradili mnohé tradičné technológie a zaviedli nové kategórie produktov.
S 10-násobným zvýšením nákladov a výkonu za desaťročie narúšajú vysokovýkonné polovodičové lasery normálnu prevádzku trhu nepredvídateľným spôsobom. Aj keď je ťažké presne predpovedať budúce aplikácie, je veľmi dôležité preskúmať históriu vývoja za posledné tri desaťročia a poskytnúť rámcové možnosti pre vývoj nasledujúceho desaťročia (pozri obrázok 2).

Obrázok 2. Aplikácia paliva pre vysokovýkonný polovodičový laser s jasom (štandardizačné náklady na watt jasu)
80. roky 20. storočia: Optické ukladanie a počiatočné špeciálne aplikácie. Optické úložisko je prvou rozsiahlou aplikáciou v priemysle polovodičových laserov. Krátko po tom, čo Hall prvýkrát ukázal infračervený polovodičový laser, spoločnosť General Electrics Nick Holonyak tiež ukázala prvý viditeľný červený polovodičový laser. O dvadsať rokov neskôr boli na trh uvedené kompaktné disky (CD), po ktorých nasledoval trh s optickými pamäťami.
Neustála inovácia polovodičovej laserovej technológie viedla k vývoju technológií optického ukladania, ako je digitálny univerzálny disk (DVD) a disk Blu-ray (BD). Toto je prvý veľký trh pre polovodičové lasery, ale vo všeobecnosti skromné ​​úrovne výkonu obmedzujú iné aplikácie na relatívne malé medzery na trhu, ako je tepelná tlač, lekárske aplikácie a vybrané letecké a obranné aplikácie.
90. roky: Prevládajú optické siete. V 90. rokoch sa polovodičové lasery stali kľúčom ku komunikačným sieťam. Polovodičové lasery sa používajú na prenos signálov cez siete s optickými vláknami, ale vysokovýkonné jednorežimové čerpacie lasery pre optické zosilňovače sú rozhodujúce pre dosiahnutie rozsahu optických sietí a skutočnú podporu rastu internetových údajov.
Rozmach telekomunikačného priemyslu, ktorý so sebou prináša, je ďalekosiahly a ako príklad si berieme laboratóriá Spectra Diode Labs (SDL), jedného z prvých priekopníkov v odvetví vysokovýkonných polovodičových laserov. Spoločnosť SDL bola založená v roku 1983 a je spoločným podnikom medzi laserovými značkami Spectra-Physics a Xerox skupiny Newport Group. Bola uvedená na trh v roku 1995 s trhovou kapitalizáciou približne 100 miliónov dolárov. O päť rokov neskôr bola spoločnosť SDL predaná spoločnosti JDSU za viac ako 40 miliárd dolárov počas vrcholu telekomunikačného priemyslu, čo je jedna z najväčších technologických akvizícií v histórii. Čoskoro nato telekomunikačná bublina praskla a zničila bilióny dolárov kapitálu, ktorý je teraz považovaný za najväčšiu bublinu v histórii.
2000: Lasery sa stali nástrojom. Hoci je prasknutie bubliny na telekomunikačnom trhu mimoriadne deštruktívne, obrovské investície do vysokovýkonných polovodičových laserov položili základ pre širšie prijatie. S nárastom výkonu a nákladov začínajú tieto lasery v rôznych procesoch nahrádzať tradičné plynové lasery alebo iné zdroje premeny energie.
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 dielov. Mikrovýrobné aplikácie sú rozmanitejšie, pretože kľúčové produkty, ako sú smartfóny, boli komercializované s týmito lasermi. Letecké a obranné aplikácie zahŕňajú širokú škálu kritických aplikácií a v budúcnosti budú pravdepodobne zahŕňať smerové energetické systémy ďalšej generácie.
sumarizovať 
Pred viac ako 50 rokmi Moore nenavrhol nový základný fyzikálny zákon, ale urobil veľké vylepšenia integrovaných obvodov, ktoré boli prvýkrát študované pred desiatimi rokmi. Jeho proroctvo trvalo desaťročia a prinieslo so sebou sériu prevratných 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 nemôže predpovedať rýchly vývoj, ktorým následne prejdú vysokointenzívne polovodičové lasery dosiahnuté veľkým množstvom inovácií.
Vo fyzike neexistuje žiadne základné pravidlo na riadenie týchto technologických vylepšení, ale neustály technologický pokrok môže posunúť laser vpred, pokiaľ ide o jas. Tento trend bude aj naďalej nahrádzať tradičné technológie, čím sa bude ďalej meniť spôsob, akým sa veci vyvíjajú. Pre ekonomický rast je dôležitejšie, že vysokovýkonné polovodičové lasery budú tiež podporovať zrod nových vecí.