Минуле та майбутнє напівпровідникових лазерів великої потужності

По мірі збільшення ефективності та потужності лазерні діоди продовжуватимуть замінювати традиційні технології, змінювати спосіб поводження з речами та стимулювати народження нових речей.
Традиційно економісти вважають, що технічний прогрес - це поступовий процес. Останнім часом галузь більше зосереджується на руйнівних інноваціях, які можуть спричинити розриви. Ці інновації, відомі як технології загального призначення (GPT), є "глибоко новими ідеями або технологіями, які можуть мати великий вплив на багато аспектів економіки". Розробка загальної технології, як правило, займає кілька десятиліть, а навіть довше призведе до збільшення продуктивності. Спочатку їх не розуміли добре. Навіть після комерціалізації технології існувало довгострокове відставання у прийнятті виробництва. Інтегральні схеми - хороший приклад. Вперше транзистори були представлені на початку 20 століття, але широко використовувались до пізнього вечора.
Один із засновників закону Мура, Гордон Мур, передбачив у 1965 році, що напівпровідники будуть розвиватися швидше, "приносячи популярність електроніки та витісняючи цю науку в багато нових областей". Незважаючи на свої сміливі та несподівано точні прогнози, він зазнав безперервного вдосконалення протягом десятиліть, перш ніж досягти продуктивності та економічного зростання.
Аналогічним чином розуміння різкого розвитку напівпровідникових лазерів великої потужності обмежене. У 1962 р. Галузь вперше продемонструвала перетворення електронів у лазери, за яким послідував ряд досягнень, які призвели до значного вдосконалення перетворення електронів у високопродуктивні лазерні процеси. Ці вдосконалення можуть підтримувати цілий ряд важливих програм, включаючи оптичне зберігання даних, оптичні мережі та широкий спектр промислових застосувань.
Згадуючи про ці події та численні вдосконалення, які вони виявили, було висвітлено можливість більшого та більш широкого впливу на багато аспектів економіки. Насправді, з постійним вдосконаленням потужних напівпровідникових лазерів, сфера важливих застосувань збільшиться і матиме глибокий вплив на економічне зростання.
Історія потужних напівпровідникових лазерів
16 вересня 1962 року команда під керівництвом Роберта Холла від General Electric продемонструвала інфрачервоне випромінювання напівпровідників арсеніду галію (GaAs), які мають "дивні" інтерференційні схеми, що означає когерентність лазера - народження першого напівпровідникового лазера. Спочатку Холл вважав, що напівпровідниковий лазер був "далеким пострілом", оскільки світлодіоди на той час були дуже неефективними. У той же час він також скептично поставився до цього, оскільки для лазера, який був підтверджений два роки тому і вже існує, потрібне "тонке дзеркало".
Влітку 1962 р. Галле заявив, що був шокований більш ефективними світлодіодами GaAs, розробленими лабораторією MIT Лінкольна. Згодом він сказав, що йому пощастило провести тестування з використанням деяких високоякісних матеріалів GaAs і використав свій досвід астронома-аматора для розробки способу полірування країв чіпів GaAs для утворення порожнини.
Успішна демонстрація Холла базується на конструкції відхилення випромінювання вперед-назад на границі інтерфейсу, а не вертикальному відскакуванні. Він скромно сказав, що ніхто "випадково не приходив до цієї ідеї". Насправді конструкція Холла - це, по суті, щасливий збіг обставин, що напівпровідниковий матеріал, що утворює хвилевід, також має властивість одночасно обмежувати біполярні носії. В іншому випадку неможливо реалізувати напівпровідниковий лазер. Використовуючи різнорідні напівпровідникові матеріали, можна сформувати хвилевід плити для перекриття фотонів з носіями.
Ці попередні демонстрації у General Electric стали великим проривом. Однак ці лазери далеко не практичні пристрої. Для того, щоб сприяти народженню потужних напівпровідникових лазерів, слід реалізувати синтез різних технологій. Основні технологічні нововведення розпочалися з розуміння напівпровідникових матеріалів із прямими зазорами та методів вирощування кристалів.
Пізніші розробки включали винахід подвійних гетероперехідних лазерів та подальший розвиток лазерів з квантовими ямами. Ключ до подальшого вдосконалення цих основних технологій полягає у підвищенні ефективності та розвитку пасивації порожнин, розсіювання тепла та технології упаковки.
Яскравість
Інновації за останні кілька десятиліть призвели до захоплюючих поліпшень. Зокрема, покращення яскравості відмінне. У 1985 році надсучасний напівпровідниковий потужний напівпровідниковий лазер зміг з'єднати 105 міліват потужності в волокно на 105 мкм. Найдосконаліші потужні напівпровідникові лазери тепер можуть виробляти понад 250 Вт 105-мікронного волокна з однією довжиною хвилі - збільшення в 10 разів кожні вісім років.

Мур задумав "закріпити більше компонентів на інтегральній схемі" - тоді число транзисторів на мікросхемі зростало в 10 разів кожні 7 років. За збігом обставин, потужні напівпровідникові лазери включають більше фотонів у волокно з однаковими експоненціальними швидкостями (див. Рисунок 1).

Рисунок 1. Яскравість потужних напівпровідникових лазерів та порівняння із законом Мура
Покращення яскравості напівпровідникових лазерів великої потужності сприяло розвитку різних непередбачених технологій. Хоча продовження цієї тенденції вимагає більших інновацій, є підстави вважати, що інновації напівпровідникової лазерної технології далеко не завершені. Добре відома фізика може додатково поліпшити характеристики напівпровідникових лазерів завдяки постійному технологічному розвитку.
Наприклад, середовища з посиленням квантових точок можуть значно підвищити ефективність порівняно з сучасними пристроями з квантовими ямами. Яскравість повільної осі пропонує ще один порядок покращення потенціалу. Нові пакувальні матеріали з поліпшеним тепловим та розширенням забезпечують покращення, необхідні для безперервного регулювання потужності та спрощеного управління теплом. Ці ключові розробки забезпечать дорожню карту розвитку потужних напівпровідникових лазерів у найближчі десятиліття.
Твердотільні та волоконні лазери з діодною накачкою
Удосконалення потужних напівпровідникових лазерів зробило можливим розвиток лазерних технологій; у подальших лазерних технологіях напівпровідникові лазери використовуються для збудження (накачування) легованих кристалів (твердотільні лазери з діодною накачкою) або легованих волокон (волоконних лазерів).
Хоча напівпровідникові лазери забезпечують високоефективну та недорогу енергію лазера, є два ключових обмеження: вони не накопичують енергію, а їх яскравість обмежена. В основному ці два лазери потрібно використовувати для багатьох застосувань: один для перетворення електрики в лазерне випромінювання, а другий для підвищення яскравості лазерного випромінювання.
Твердотільні лазери з діодною накачкою. Наприкінці 1980-х років використання напівпровідникових лазерів для накачування твердотільних лазерів набуває популярності в комерційних цілях. Твердотільні лазери з діодною накачкою (DPSSL) значно зменшують розмір і складність систем управління теплом (головним чином, циркуляційні охолоджувачі) і отримують модулі, які в минулому поєднували дугові лампи для накачування твердотільних лазерних кристалів.
Довжини хвиль напівпровідникових лазерів вибирають на основі їх перекриття зі спектральними властивостями поглинання твердотільного середовища посилення лазера; теплове навантаження значно зменшується порівняно із широкосмуговим спектром випромінювання дугової лампи. Завдяки популярності лазерів на основі германію 1064 нм, довжина хвилі насоса 808 нм стала найбільшою довжиною хвилі в напівпровідникових лазерах за понад 20 років.
Зі збільшенням яскравості багатомодових напівпровідникових лазерів і можливістю стабілізації вузької ширини випромінювача за допомогою об'ємних бреггівських решіток (VBG) в середині 2000 року було досягнуто друге покоління поліпшеної ефективності накачування діодів. Більш слабкі та спектрально вузькі характеристики поглинання близько 880 нм стали гарячими точками для діодів насосів високої яскравості. Ці діоди можуть досягти спектральної стабільності. Ці високопродуктивні лазери можуть безпосередньо збуджувати верхній рівень 4F3 / 2 лазера в кремнії, зменшуючи квантові дефекти, покращуючи тим самим вилучення основних режимів із вищим середнім значенням, які в іншому випадку були б обмежені тепловими лінзами.
На початок 2010 року ми стали свідками потужної тенденції масштабування одномодового лазера 1064 нм та відповідних серій лазерів із перетворенням частоти, що працюють у видимій та ультрафіолетовій смугах. Завдяки довшим тривалим термінам служби енергетичного стану Nd: YAG та Nd: YVO4, ці операції перемикання DPSSL Q забезпечують високу енергію імпульсу та пікову потужність, що робить їх ідеальними для абляційної обробки матеріалів та високоточної мікрообробки.
волоконно-оптичний лазер. Волоконні лазери забезпечують більш ефективний спосіб перетворення яскравості напівпровідникових лазерів великої потужності. Хоча мультиплексована з довжиною хвилі оптика може перетворити відносно низьку яскравість напівпровідникового лазера в більш яскравий напівпровідниковий лазер, це відбувається за рахунок збільшення спектральної ширини та оптимеханічної складності. Показано, що волоконні лазери особливо ефективні при фотометричному перетворенні.
Двооплаковані волокна, введені в 1990-х роках, використовують одномодові волокна, оточені багатомодовою обшивкою, що дозволяє більш потужним і дешевим багатомодовим напівпровідниковим лазерам з накачуванням ефективно вводити волокно, створюючи більш економічний спосіб перетворення потужний напівпровідниковий лазер у більш яскравий лазер. Для волокон, легованих іттербієм (Yb), насос збуджує широке поглинання з центром при 915 нм або вузькосмугову характеристику близько 976 нм. Коли довжина хвилі накачки наближається до довжини хвилі генерації волоконного лазера, так звані квантові дефекти зменшуються, тим самим максимізуючи ефективність і мінімізуючи величину тепловіддачі.
Як волоконні лазери, так і твердотільні лазери з діодною накачкою покладаються на вдосконалення яскравості діодного лазера. Загалом, оскільки яскравість діодних лазерів продовжує покращуватися, частка потужності лазера, яку вони накачують, також збільшується. Підвищена яскравість напівпровідникових лазерів сприяє більш ефективному перетворенню яскравості.
Як і слід було очікувати, просторова і спектральна яскравість будуть необхідними для майбутніх систем, що дозволить низькоквантову накачку з вузькими характеристиками поглинання в твердотільних лазерах і мультиплексування з щільною довжиною хвилі для прямих напівпровідникових лазерних застосувань. План стає можливим.
Ринок та застосування
Розробка потужних напівпровідникових лазерів зробила можливим багато важливих застосувань. Ці лазери замінили багато традиційних технологій та впровадили нові категорії продуктів.
З 10-кратним збільшенням вартості та продуктивності за десятиліття потужні напівпровідникові лазери непередбачувано порушують нормальну роботу ринку. Хоча важко точно передбачити майбутні програми, дуже важливо переглянути історію розвитку за останні три десятиліття та надати рамкові можливості для розвитку наступного десятиліття (див. Рисунок 2).

Рисунок 2. Застосування палива потужністю напівпровідникового лазерного освітлення (вартість стандартизації на ватну яскравість)
1980-ті: оптичне зберігання та початкові нішеві програми. Оптичний накопичувач є першим широкомасштабним застосуванням у напівпровідниковій лазерній промисловості. Незабаром після того, як Холл вперше показав інфрачервоний напівпровідниковий лазер, General Electrics Нік Голоняк також показав перший видимий червоний напівпровідниковий лазер. Через двадцять років на ринок були представлені компакт-диски (компакт-диски), а потім ринок оптичних накопичувачів.
Постійні інновації напівпровідникової лазерної технології призвели до розвитку таких оптичних технологій зберігання даних, як універсальний цифровий диск (DVD) та Blu-ray Disc (BD). Це перший великий ринок напівпровідникових лазерів, але, як правило, помірний рівень потужності обмежує інші програми порівняно невеликими ринковими нішами, такими як термодрук, медичні програми та вибрані аерокосмічні та оборонні програми.
1990-ті: переважають оптичні мережі. У 1990-х роках напівпровідникові лазери стали ключем до комунікаційних мереж. Напівпровідникові лазери використовуються для передачі сигналів по волоконно-оптичних мережах, але одномодові насосні лазери більшої потужності для оптичних підсилювачів мають вирішальне значення для досягнення масштабу оптичних мереж і справжньої підтримки зростання Інтернет-даних.
Бум телекомунікаційної індустрії, викликаний нею, є далекосяжним, беручи за приклад Spectra Diode Labs (SDL), одного з перших піонерів у галузі потужних напівпровідникових лазерних виробництв. Заснована в 1983 році, SDL є спільним підприємством між лазерними брендами Newport Group Spectra-Physics та Xerox. Він був запущений в 1995 році з ринковою капіталізацією приблизно 100 мільйонів доларів. П'ять років потому SDL було продано JDSU на понад 40 млрд доларів під час піку телекомунікаційної галузі, одного з найбільших придбань технологій в історії. Незабаром телекомунікаційний міхур лопнув і знищив трильйони доларів капіталу, який зараз розглядається як найбільший міхур в історії.
2000-ті: лазери стали інструментом. Хоча сплеск міхура на ринку телекомунікацій є надзвичайно руйнівним, величезні інвестиції у потужні напівпровідникові лазери заклали основу для більш широкого впровадження. Зі збільшенням продуктивності та вартості ці лазери починають замінювати традиційні газові лазери або інші джерела перетворення енергії в різних процесах.
Напівпровідникові лазери стали широко використовуваним інструментом. Промислове застосування варіюється від традиційних виробничих процесів, таких як різання та пайка, до нових передових технологій виробництва, таких як аддитивне виготовлення металевих деталей із 3D друком. Застосування у мікровиробництві є більш різноманітним, оскільки ключові продукти, такі як смартфони, комерціалізовані з цими лазерами. Аерокосмічні та оборонні програми включають широкий спектр критично важливих додатків і, ймовірно, в майбутньому включатимуть спрямовані енергетичні системи наступного покоління.
Підсумовуючи
Понад 50 років тому Мур не запропонував нового основного закону фізики, але вніс значні вдосконалення в інтегральні схеми, які вперше були вивчені десять років тому. Його пророцтво тривало десятиліттями і принесло із собою низку руйнівних нововведень, які були немислими в 1965 році.
Коли Холл продемонстрував напівпровідникові лазери більше 50 років тому, це спричинило технологічну революцію. Як і із законом Мура, ніхто не може передбачити швидкісний розвиток, який згодом зазнають високоінтенсивні напівпровідникові лазери, досягнуті завдяки великій кількості нововведень.
У фізиці не існує фундаментального правила управління цими технологічними вдосконаленнями, але постійний технологічний прогрес може покращити лазер з точки зору яскравості. Ця тенденція продовжуватиме замінювати традиційні технології, тим самим змінюючи спосіб розвитку речей. Що ще важливіше для економічного зростання, потужні напівпровідникові лазери також сприятимуть народженню нових речей.