Минуле та майбутнє потужних напівпровідникових лазерів

Оскільки ефективність і потужність продовжують зростати, лазерні діоди продовжуватимуть замінювати традиційні технології, змінюватимуть спосіб обробки речей і стимулюватимуть народження нових речей.
Традиційно економісти вважають технічний прогрес поступовим процесом. Останнім часом галузь більше зосереджується на проривних інноваціях, які можуть спричинити розриви. Ці інновації, відомі як технології загального призначення (GPT), є «глибоко новими ідеями чи технологіями, які можуть мати великий вплив на багато аспектів економіки». Розвиток загальної технології зазвичай займає кілька десятиліть, і навіть більше часу приведе до підвищення продуктивності. Спочатку їх не дуже розуміли. Навіть після того, як технологія була комерціалізована, спостерігалося тривале відставання у виробництві. Гарним прикладом є інтегральні схеми. Транзистори були вперше представлені на початку 20 століття, але вони широко використовувалися до пізнього вечора.
Один із засновників закону Мура, Гордон Мур, передбачив у 1965 році, що напівпровідники розвиватимуться швидше, «що принесе популярність електроніці та підштовхне цю науку до багатьох нових галузей». Незважаючи на його сміливі та несподівано точні прогнози, він пройшов десятиліття безперервного вдосконалення, перш ніж досягти продуктивності та економічного зростання.
Подібним чином обмежене розуміння драматичного розвитку потужних напівпровідникових лазерів. У 1962 році промисловість вперше продемонструвала перетворення електронів у лазери, після чого було досягнуто низки досягнень, які призвели до значних удосконалень у перетворенні електронів у високоефективних лазерних процесах. Ці вдосконалення можуть підтримувати низку важливих додатків, включаючи оптичні накопичувачі, оптичні мережі та широкий спектр промислових застосувань.
Пригадування цих подій і численних удосконалень, які вони виявили, підкреслили можливість більшого та більшого впливу на багато аспектів економіки. Фактично, з безперервним удосконаленням потужних напівпровідникових лазерів розширяться масштаби важливих застосувань, що матиме глибокий вплив на економічне зростання.
Історія потужних напівпровідникових лазерів
16 вересня 1962 року група під керівництвом Роберта Холла з General Electric продемонструвала інфрачервоне випромінювання напівпровідників арсеніду галію (GaAs), які мають «дивні» інтерференційні картини, що означає когерентний лазер — народження першого напівпровідникового лазера. Холл спочатку вважав, що напівпровідниковий лазер був «далеким шансом», оскільки світлодіоди на той час були дуже неефективними. У той же час він також скептично ставився до цього, тому що лазер, який був підтверджений два роки тому і вже існує, потребує «тонкого дзеркала».
Влітку 1962 року Халле сказав, що він був шокований більш ефективними світлодіодами на основі GaAs, розробленими в лабораторії Лінкольна Массачусетського технологічного інституту. Згодом він сказав, що йому пощастило мати можливість провести тести з високоякісними матеріалами GaAs і використав свій досвід астронома-любителя, щоб розробити спосіб полірування країв чіпів GaAs для формування порожнини.
Успішна демонстрація Холла базується на дизайні відскоку випромінювання вперед і назад на межі розділу, а не вертикального відскоку. Він скромно сказав, що нікому «не випадково ця ідея приходила в голову». Фактично, конструкція Холла є, по суті, щасливим збігом обставин, оскільки напівпровідниковий матеріал, який утворює хвилевід, також має властивість одночасно обмежувати біполярні носії. Інакше реалізувати напівпровідниковий лазер неможливо. Використовуючи різні напівпровідникові матеріали, можна сформувати пластинчастий хвилевід, який перекриватиме фотони носіями.
Ці попередні демонстрації в General Electric стали великим проривом. Однак ці лазери далекі від практичних пристроїв. Щоб сприяти появі потужних напівпровідникових лазерів, необхідно здійснити злиття різних технологій. Ключові технологічні інновації почалися з розуміння прямозонних напівпровідникових матеріалів і методів вирощування кристалів.
Пізніші розробки включали винахід лазерів з подвійним гетеропереходом і подальшу розробку лазерів на квантових ямах. Ключ до подальшого вдосконалення цих основних технологій полягає в підвищенні ефективності та розвитку пасивації порожнин, розсіювання тепла та технології упаковки.
Яскравість
Інновації за останні кілька десятиліть принесли вражаючі покращення. Зокрема, чудове покращення яскравості. У 1985 році сучасний високопотужний напівпровідниковий лазер зміг поєднати 105 міліват потужності в 105-мікронне серцевинне волокно. Найдосконаліші потужні напівпровідникові лазери тепер можуть виробляти понад 250 Вт 105-мікронного волокна на одній довжині хвилі - 10-кратне збільшення кожні вісім років.

Мур задумав «закріпити більше компонентів на інтегральній схемі» — тоді кількість транзисторів на мікросхему збільшувалась у 10 разів кожні 7 років. За збігом обставин, потужні напівпровідникові лазери включають більше фотонів у волокно з аналогічною експоненціальною швидкістю (див. рис. 1).

Рисунок 1. Яскравість потужних напівпровідникових лазерів і порівняння із законом Мура
Покращення яскравості потужних напівпровідникових лазерів сприяло розвитку різних непередбачуваних технологій. Хоча продовження цієї тенденції вимагає більше інновацій, є підстави вважати, що інноваційна технологія напівпровідникових лазерів ще далека від завершення. Добре відомі фізики можуть ще більше покращити продуктивність напівпровідникових лазерів завдяки постійному розвитку технологій.
Наприклад, середовище для посилення квантових точок може значно підвищити ефективність порівняно з поточними пристроями з квантовою ямою. Повільна яскравість осі пропонує ще один порядок величини потенціалу покращення. Нові пакувальні матеріали з покращеним тепловим узгодженням і розширенням забезпечать удосконалення, необхідні для безперервного регулювання потужності та спрощеного керування температурою. Ці ключові розробки стануть дорожньою картою для розробки потужних напівпровідникових лазерів у найближчі десятиліття.
Твердотільні та волоконні лазери з діодною накачкою
Удосконалення потужних напівпровідникових лазерів зробили можливим розвиток наступних лазерних технологій; у наступних лазерних технологіях напівпровідникові лазери використовуються для збудження (накачування) легованих кристалів (твердотільні лазери з діодним накачуванням) або легованих волокон (волоконних лазерів).
Хоча напівпровідникові лазери забезпечують високоефективну та недорогу лазерну енергію, є два ключових обмеження: вони не накопичують енергію та їх яскравість обмежена. В основному ці два лазери потрібно використовувати для багатьох застосувань: один для перетворення електроенергії в лазерне випромінювання, а інший для підвищення яскравості лазерного випромінювання.
Твердотільні лазери з діодним накачуванням. Наприкінці 1980-х років використання напівпровідникових лазерів для накачування твердотільних лазерів стало набирати популярність у комерційних застосуваннях. Твердотільні лазери з діодним накачуванням (DPSSL) значно зменшують розміри та ускладнюють системи теплового керування (головним чином рециркуляційні охолоджувачі) і отримують модулі, які історично мають комбіновані дугові лампи для накачування твердотільних лазерних кристалів.
Довжини хвиль напівпровідникових лазерів вибираються на основі їх перекриття з властивостями спектрального поглинання середовища підсилення твердотільного лазера; теплове навантаження значно зменшується в порівнянні з широкосмуговим спектром випромінювання дугової лампи. Завдяки популярності лазерів на основі германію 1064 нм довжина хвилі накачки 808 нм стала найбільшою довжиною хвилі в напівпровідникових лазерах за більш ніж 20 років.
Зі збільшенням яскравості багатомодових напівпровідникових лазерів і здатності стабілізувати вузьку ширину лінії емітера за допомогою об’ємних бреггівських граток (VBG) у середині 2000 року було досягнуто друге покоління покращеної ефективності діодної накачки. Слабші та спектрально вузькі особливості поглинання навколо 880 нм стали гарячими точками для високояскравих діодів накачки. Ці діоди можуть досягти спектральної стабільності. Ці високопродуктивні лазери можуть безпосередньо збуджувати верхній рівень лазера 4F3/2 у кремнії, зменшуючи квантові дефекти, тим самим покращуючи вилучення фундаментальних мод із вищим середнім значенням, які інакше були б обмежені тепловими лінзами.
На початку 2010 року ми стали свідками тенденції масштабування високої потужності однокрос-модового лазера 1064 нм і відповідної серії лазерів з перетворенням частоти, що працюють у видимому та ультрафіолетовому діапазонах. Завдяки більшій довговічності Nd:YAG і Nd:YVO4 у високому енергетичному стані ці операції перемикання DPSSL Q забезпечують високу імпульсну енергію та пікову потужність, що робить їх ідеальними для абляційної обробки матеріалів і високоточних застосувань мікрообробки.
волоконно-оптичний лазер. Волоконні лазери забезпечують більш ефективний спосіб перетворення яскравості потужних напівпровідникових лазерів. Хоча оптика з мультиплексуванням по довжині хвилі може перетворити напівпровідниковий лазер із відносно низькою яскравістю на більш яскравий напівпровідниковий лазер, це відбувається за рахунок збільшення спектральної ширини та оптико-механічної складності. Волоконні лазери виявилися особливо ефективними у фотометричному перетворенні.
У волокнах із подвійною оболонкою, представлених у 1990-х роках, використовуються одномодові волокна, оточені багатомодовою оболонкою, що дозволяє ефективно вводити у волокно більш потужні та недорогі багатомодові лазери з напівпровідниковою накачкою, створюючи більш економічний спосіб перетворення потужний напівпровідниковий лазер у більш яскравий лазер. Для волокон, легованих ітербієм (Yb), насос збуджує широке поглинання з центром на 915 нм або вузьку смугу навколо 976 нм. Коли довжина хвилі накачування наближається до довжини хвилі генерації волоконного лазера, так звані квантові дефекти зменшуються, тим самим максимізуючи ефективність і мінімізуючи кількість розсіювання тепла.
І волоконні лазери, і твердотільні лазери з діодним накачуванням покладаються на покращення яскравості діодного лазера. Загалом, оскільки яскравість діодних лазерів продовжує покращуватися, частка лазерної потужності, яку вони накачують, також зростає. Підвищена яскравість напівпровідникових лазерів сприяє більш ефективному перетворенню яскравості.
Як і слід було очікувати, просторова та спектральна яскравість буде необхідна для майбутніх систем, що забезпечить низьку квантову накачування дефектів із вузькими характеристиками поглинання в твердотільних лазерах і щільне мультиплексування довжини хвилі для прямих застосувань напівпровідникових лазерів. План стає можливим.
Ринок і застосування
Розвиток потужних напівпровідникових лазерів зробив можливим багато важливих застосувань. Ці лазери замінили багато традиційних технологій і запровадили нові категорії продуктів.
Завдяки 10-кратному збільшенню вартості та продуктивності за десятиліття, потужні напівпровідникові лазери порушують нормальну роботу ринку непередбачуваним чином. Хоча важко точно передбачити майбутні застосування, дуже важливо переглянути історію розвитку останніх трьох десятиліть і надати базові можливості для розвитку наступного десятиліття (див. рис. 2).

Малюнок 2. Застосування високопотужного напівпровідникового лазера з яскравістю палива (варта стандартизації за ват яскравості)
1980-ті роки: оптичне сховище та початкові нішеві програми. Оптична пам’ять — це перше широкомасштабне застосування в промисловості напівпровідникових лазерів. Незабаром після того, як Хол вперше продемонстрував інфрачервоний напівпровідниковий лазер, компанія General Electrics Нік Холоняк також показала перший видимий червоний напівпровідниковий лазер. Через двадцять років на ринок з’явилися компакт-диски (CD), а потім і ринок оптичних накопичувачів.
Постійні інновації напівпровідникових лазерних технологій призвели до розробки оптичних технологій зберігання, таких як цифровий багатофункціональний диск (DVD) і диск Blu-ray (BD). Це перший великий ринок для напівпровідникових лазерів, але загалом скромні рівні потужності обмежують інші додатки відносно невеликими ринковими нішами, такими як термічний друк, медичне застосування, а також окремі аерокосмічні та оборонні програми.
1990-ті роки: переважають оптичні мережі. У 1990-х роках напівпровідникові лазери стали ключем до комунікаційних мереж. Напівпровідникові лазери використовуються для передачі сигналів через волоконно-оптичні мережі, але потужніші одномодові лазери накачування 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 промисловості потужних напівпровідникових лазерів. SDL, заснована в 1983 році, є спільним підприємством лазерних брендів Spectra-Physics і Xerox Newport Group. Він був запущений у 1995 році з ринковою капіталізацією приблизно 100 мільйонів доларів. Через п’ять років SDL було продано JDSU за понад 40 мільярдів доларів під час піку телекомунікаційної галузі, що стало одним із найбільших технологічних придбань в історії. Невдовзі після цього телекомунікаційна бульбашка лопнула і знищила трильйони доларів капіталу, що зараз вважається найбільшою бульбашкою в історії.
2000-ті: лазери стали інструментом. Хоча бульбашка телекомунікаційного ринку, яка лопне, є надзвичайно руйнівною, величезні інвестиції у потужні напівпровідникові лазери заклали основу для більш широкого впровадження. У міру зростання продуктивності та вартості ці лазери починають замінювати традиційні газові лазери або інші джерела перетворення енергії в різноманітних процесах.
Напівпровідникові лазери стали широко використовуваним інструментом. Промислове застосування варіюється від традиційних виробничих процесів, таких як різання та паяння, до нових передових виробничих технологій, таких як адитивне виробництво 3D-друкованих металевих деталей. Застосування для мікровиробництва є більш різноманітними, оскільки такі ключові продукти, як смартфони, комерціалізуються за допомогою цих лазерів. Аерокосмічні та оборонні програми охоплюють широкий спектр критично важливих програм і, ймовірно, у майбутньому включатимуть спрямовані енергетичні системи наступного покоління.
Підсумовуючи 
Понад 50 років тому Мур не запропонував новий основний закон фізики, але значно вдосконалив інтегральні схеми, які вперше були вивчені десять років тому. Його пророцтво тривало десятиліттями і принесло з собою серію руйнівних інновацій, які були немислимі в 1965 році.
Коли більше 50 років тому Хол продемонстрував напівпровідникові лазери, це спровокувало технологічну революцію. Як і у випадку із законом Мура, ніхто не може передбачити високошвидкісний розвиток, якого згодом зазнають високоінтенсивні напівпровідникові лазери, досягнуті великою кількістю інновацій.
У фізиці немає фундаментального правила, яке б контролювало ці технологічні вдосконалення, але постійний технологічний прогрес може покращити лазер з точки зору яскравості. Ця тенденція й надалі замінюватиме традиційні технології, таким чином ще більше змінюючи спосіб розвитку речей. Що ще важливіше для економічного зростання, потужні напівпровідникові лазери також сприятимуть народженню нових речей.