Прошлост и будућност полупроводничких ласера ​​велике снаге

Како ефикасност и снага настављају да расту, ласерске диоде ће наставити да замењују традиционалне технологије, мењају начин на који се ствари рукују и стимулишу рађање нових ствари.
Традиционално, економисти сматрају да је технолошки напредак постепен процес. Недавно се индустрија више фокусирала на реметилачке иновације које могу изазвати дисконтинуитет. Ове иновације, познате као технологије опште намене (ГПТ), су „дубоко нове идеје или технологије које могу имати велики утицај на многе аспекте економије“. За развој опште технологије обично је потребно неколико деценија, а чак и дуже ће довести до повећања продуктивности. У почетку нису били добро схваћени. Чак и након што је технологија комерцијализована, постојало је дуготрајно заостајање у усвајању производње. Интегрисана кола су добар пример. Транзистори су први пут представљени почетком 20. века, али су били у широкој употреби до касно увече.
Један од оснивача Муровог закона, Гордон Мур, предвидео је 1965. године да ће се полупроводници развијати бржим темпом, „што ће донети популарност електронике и гурнути ову науку у многа нова поља“. Упркос његовим смелим и неочекивано тачним предвиђањима, он је прошао деценије непрекидног побољшања пре него што је постигао продуктивност и економски раст.
Слично томе, разумевање драматичног развоја полупроводничких ласера ​​велике снаге је ограничено. Године 1962. индустрија је први пут демонстрирала претварање електрона у ласере, након чега је уследио низ напретка који је довео до значајних побољшања у конверзији електрона у ласерске процесе високог приноса. Ова побољшања могу подржати низ важних апликација, укључујући оптичко складиштење, оптичко умрежавање и широк спектар индустријских апликација.
Подсећајући на ова дешавања и бројна побољшања која су они изнели на видело, указано је на могућност већег и ширег утицаја на многе аспекте привреде. У ствари, уз континуирано унапређење полупроводничких ласера ​​велике снаге, обим важних примена ће се повећати и имати дубок утицај на економски раст.
Историја полупроводничког ласера ​​велике снаге
16. септембра 1962, тим предвођен Робертом Холом из Генерал Елецтриц-а демонстрирао је инфрацрвену емисију полупроводника галијум арсенида (ГаАс), који имају „чудне“ обрасце интерференције, што значи кохерентни ласер – рођење првог полупроводничког ласера. Хол је у почетку веровао да је полупроводнички ласер „далека метка“ јер су диоде које емитују светлост у то време биле веома неефикасне. Истовремено, он је био и скептичан по питању тога јер ласер који је потврђен пре две године и већ постоји захтева „фино огледало“.
У лето 1962. Хале је рекао да је био шокиран ефикаснијим ГаАс светлећим диодама које је развила лабораторија МИТ Линколн. Касније је рекао да је имао среће што је могао да тестира са неким висококвалитетним ГаАс материјалима и искористио је своје искуство астронома аматера да развије начин за полирање ивица ГаАс чипова како би се формирала шупљина.
Холова успешна демонстрација заснива се на дизајну одбијања зрачења напред-назад на интерфејсу, а не на вертикалном одбијању. Он је скромно рекао да се никоме „није десила оваква идеја“. У ствари, Халов дизајн је у суштини срећна коинциденција да полупроводнички материјал који формира таласовод такође има својство да истовремено ограничава биполарне носиоце. У супротном, немогуће је реализовати полупроводнички ласер. Коришћењем различитих полупроводничких материјала, може се формирати плочасти таласовод да преклапа фотоне са носачима.
Ове прелиминарне демонстрације у Генерал Елецтриц-у биле су велики напредак. Међутим, ови ласери су далеко од практичних уређаја. Да би се промовисало рађање полупроводничких ласера ​​велике снаге, мора се реализовати фузија различитих технологија. Кључне технолошке иновације почеле су разумевањем полупроводничких материјала са директним размаком и техникама раста кристала.
Каснији развој укључивао је проналазак ласера ​​са двоструким хетероспојницама и каснији развој ласера ​​квантних бунара. Кључ за даље унапређење ових основних технологија лежи у побољшању ефикасности и развоју пасивизације шупљина, дисипације топлоте и технологије паковања.
Осветљеност
Иновације у последњих неколико деценија донеле су узбудљива побољшања. Конкретно, побољшање осветљености је одлично. Године 1985, најсавременији полупроводнички ласер велике снаге био је у стању да споји 105 миливата снаге у влакно са језгром од 105 микрона. Најнапреднији полупроводнички ласери велике снаге сада могу да произведу више од 250 вати влакана од 105 микрона са једном таласном дужином - 10 пута повећање сваких осам година.

Мур је замислио да „поправи више компоненти на интегрисано коло“ – тада се број транзистора по чипу повећавао 10 пута сваких 7 година. Случајно, полупроводнички ласери велике снаге уграђују више фотона у влакно при сличним експоненцијалним брзинама (види слику 1).

Слика 1. Осветљеност полупроводничких ласера ​​велике снаге и поређење са Муровим законом
Побољшање осветљености полупроводничких ласера ​​велике снаге је подстакло развој различитих непредвиђених технологија. Иако је за наставак овог тренда потребно више иновација, постоји разлог да се верује да је иновација полупроводничке ласерске технологије далеко од завршетка. Добро позната физика може додатно побољшати перформансе полупроводничких ласера ​​кроз континуирани технолошки развој.
На пример, медији за појачање квантних тачака могу значајно повећати ефикасност у поређењу са тренутним уређајима за квантне бунаре. Осветљеност споре осе нуди још један потенцијал за побољшање реда величине. Нови материјали за паковање са побољшаним термичким и експанзијским усклађивањем ће обезбедити побољшања потребна за континуирано подешавање снаге и поједностављено управљање топлотом. Ови кључни развоји ће обезбедити мапу пута за развој полупроводничких ласера ​​велике снаге у наредним деценијама.
Чврсти и фибер ласери са диодном пумпом
Побољшања у полупроводничким ласерима велике снаге омогућила су развој низводних ласерских технологија; у низводним ласерским технологијама, полупроводнички ласери се користе за побуђивање (пумпање) допираних кристала (чврсти ласери са диодном пумпом) или допираних влакана (фибер ласери).
Иако полупроводнички ласери обезбеђују високоефикасну ласерску енергију ниске цене, постоје два кључна ограничења: они не складиште енергију и њихова осветљеност је ограничена. У основи, ова два ласера ​​треба да се користе за многе примене: један за претварање електричне енергије у ласерску емисију, а други за повећање светлине ласерске емисије.
Чврсти ласери са диодном пумпом. Крајем 1980-их, употреба полупроводничких ласера ​​за пумпање ласера ​​у чврстом стању почела је да добија на популарности у комерцијалним применама. Солид-стате ласери са диодном пумпом (ДПССЛ) у великој мери смањују величину и сложеност система за управљање топлотом (углавном рециркулацијских хладњака) и добијају модуле који су у прошлости комбиновали лучне лампе за пумпање кристала ласерског чврстог стања.
Таласне дужине полупроводничких ласера ​​се бирају на основу њиховог преклапања са својствима спектралне апсорпције чврстог ласерског медија за појачање; топлотно оптерећење је знатно смањено у поређењу са широкопојасним спектром емисије лучне лампе. Због популарности ласера ​​на бази германијума од 1064 нм, таласна дужина пумпе од 808 нм постала је највећа таласна дужина у полупроводничким ласерима већ више од 20 година.
Са повећањем осветљености вишемодних полупроводничких ласера ​​и могућношћу стабилизације ширине уске емитерске линије са запреминским Бреговим решеткама (ВБГс) средином 2000. године, постигнута је друга генерација побољшане ефикасности пумпања диода. Слабије и спектрално уске карактеристике апсорпције око 880 нм постале су вруће тачке за диоде пумпе високог сјаја. Ове диоде могу постићи спектралну стабилност. Ови ласери виших перформанси могу директно побуђивати горњи ниво ласера ​​4Ф3/2 у силицијуму, смањујући квантне дефекте, чиме се побољшава екстракција основних модова вишег просека који би иначе били ограничени термалним сочивима.
До почетка 2010. године били смо сведоци тренда скалирања велике снаге једноструког унакрсног ласера ​​од 1064нм и сродних серија ласера ​​за конверзију фреквенције који раде у видљивом и ултраљубичастом опсегу. Због дужег животног века у стању високе енергије Нд:ИАГ и Нд:ИВО4, ове ДПССЛ К операције преклапања обезбеђују високу енергију импулса и вршну снагу, што их чини идеалним за аблативну обраду материјала и високо прецизне микромашинске апликације.
оптички ласер. Фибер ласери обезбеђују ефикаснији начин претварања светлине полупроводничких ласера ​​велике снаге. Иако оптика са мултиплексном таласном дужином може претворити полупроводнички ласер са релативно малом осветљеношћу у светлији полупроводнички ласер, то је на рачун повећане спектралне ширине и оптомеханичке сложености. Фибер ласери су се показали посебно ефикасним у фотометријској конверзији.
Двоструко обложена влакна уведена 1990-их користе једномодна влакна окружена мултимодном облогом, што омогућава да се вишемодни ласери са полупроводничком пумпом веће снаге, ниже цене, ефикасно убризгавају у влакно, стварајући економичнији начин за претварање полупроводнички ласер велике снаге у светлији ласер. За влакна допирана итербијумом (Иб), пумпа побуђује широку апсорпцију са центром на 915 нм или карактеристику уског појаса око 976 нм. Како се таласна дужина пумпе приближава таласној дужини ласера ​​са влакнима, такозвани квантни дефекти се смањују, чиме се максимизира ефикасност и минимизира количина дисипације топлоте.
И ласери са влакнима и полупроводнички ласери са диодном пумпом ослањају се на побољшања светлине диодног ласера. Уопштено говорећи, како светлина диодних ласера ​​наставља да се побољшава, пропорција снаге ласера ​​коју пумпају такође се повећава. Повећана осветљеност полупроводничких ласера ​​омогућава ефикаснију конверзију осветљења.
Као што бисмо очекивали, просторна и спектрална осветљеност ће бити неопходна за будуће системе, који ће омогућити ниско квантно пумпање дефеката са уским апсорпционим карактеристикама у ласерима у чврстом стању и мултиплексирање густе таласне дужине за директне примене полупроводничког ласера. План постаје могућ.
Тржиште и примена
Развој полупроводничких ласера ​​велике снаге омогућио је многе важне примене. Ови ласери су заменили многе традиционалне технологије и имплементирали нове категорије производа.
Са десетоструким повећањем цене и перформанси по деценији, полупроводнички ласери велике снаге ремете нормалан рад тржишта на непредвидиве начине. Иако је тешко тачно предвидети будуће примене, веома је значајно сагледати историју развоја у протекле три деценије и пружити оквирне могућности за развој следеће деценије (видети слику 2).

Слика 2. Примена горива за осветљење полупроводничког ласера ​​велике снаге (трошак стандардизације по вату осветљености)
1980-е: Оптичко складиштење и почетне нишне апликације. Оптичко складиштење је прва примена великих размера у индустрији полупроводничких ласера. Убрзо након што је Хол први пут показао инфрацрвени полупроводнички ласер, Генерал Елецтрицс Ницк Холониак је такође показао први видљиви црвени полупроводнички ласер. Двадесет година касније, компакт дискови (ЦД-ови) су представљени на тржишту, а затим и тржиште оптичких складишта.
Стална иновација полупроводничке ласерске технологије довела је до развоја технологија оптичког складиштења као што су дигитални свестрани диск (ДВД) и Блу-раи Дисц (БД). Ово је прво велико тржиште за полупроводничке ласере, али генерално скромни нивои снаге ограничавају друге апликације на релативно мала тржишта као што су термално штампање, медицинске апликације и одабране апликације у ваздухопловству и одбрамбеној индустрији.
Деведесете: Оптичке мреже преовлађују. Деведесетих година прошлог века, полупроводнички ласери су постали кључ комуникационих мрежа. Полупроводнички ласери се користе за пренос сигнала преко оптичких мрежа, али ласери са једном модом пумпе веће снаге за оптичка појачала су критични за постизање обима оптичких мрежа и истински подржавање раста Интернет података.
Процват индустрије телекомуникација који је донео је далекосежан, узимајући за пример Спецтра Диоде Лабс (СДЛ), једног од првих пионира у индустрији полупроводничких ласера ​​велике снаге. Основан 1983. године, СДЛ је заједничко улагање између ласерских брендова компаније Невпорт Гроуп Спецтра-Пхисицс и Ксерок. Покренут је 1995. са тржишном капитализацијом од око 100 милиона долара. Пет година касније, СДЛ је продат ЈДСУ за више од 40 милијарди долара током врхунца телеком индустрије, једне од највећих технолошких аквизиција у историји. Убрзо након тога, телекомуникациони балон је пукао и уништио трилионе долара капитала, који се сада сматра највећим мехуром у историји.
2000-те: Ласери су постали алат. Иако је пуцање балона на тржишту телекомуникација изузетно деструктивно, огромна улагања у полупроводничке ласере велике снаге поставила су основу за шире усвајање. Како се перформансе и трошкови повећавају, ови ласери почињу да замењују традиционалне гасне ласере или друге изворе конверзије енергије у различитим процесима.
Полупроводнички ласери су постали широко коришћени алат. Индустријске примене се крећу од традиционалних производних процеса као што су сечење и лемљење до нових напредних производних технологија као што је адитивна производња 3Д штампаних металних делова. Апликације за микро производњу су разноврсније, јер су кључни производи као што су паметни телефони комерцијализовани са овим ласерима. Ваздухопловство и одбрамбене апликације укључују широк спектар критичних апликација и вероватно ће укључити следећу генерацију усмерених енергетских система у будућности.
да сумирам
Пре више од 50 година Мур није предложио нови основни закон физике, али је направио велика побољшања интегрисаних кола која су први пут проучавана пре десет година. Његово пророчанство је трајало деценијама и донело је са собом низ разорних иновација које су биле незамисливе 1965. године.
Када је Хол демонстрирао полупроводничке ласере пре више од 50 година, то је покренуло технолошку револуцију. Као иу случају Муровог закона, нико не може предвидети брзи развој који ће касније проћи полупроводнички ласери високог интензитета постигнути великим бројем иновација.
Не постоји основно правило у физици за контролу ових технолошких побољшања, али континуирано технолошко напредовање може унапредити ласер у смислу светлине. Овај тренд ће наставити да замењује традиционалне технологије, чиме ће даље мењати начин на који се ствари развијају. Што је важније за економски раст, полупроводнички ласери велике снаге ће такође промовисати рађање нових ствари.