Suure võimsusega pooljuhtlaserite minevik ja tulevik

Kui efektiivsus ja võimsus jätkuvalt suurenevad, asendavad laserdioodid jätkuvalt traditsioonilisi tehnoloogiaid, muudavad asjade käsitlemist ja stimuleerivad uute asjade sündi.
Traditsiooniliselt usuvad majandusteadlased, et tehnoloogia areng on järkjärguline protsess. Viimasel ajal on tööstus keskendunud rohkem häirivatele uuendustele, mis võivad põhjustada katkestusi. Need uuendused, mida nimetatakse üldotstarbelisteks tehnoloogiateks (GPT), on "sügavad uued ideed või tehnoloogiad, millel võib olla suur mõju paljudele majanduse aspektidele". Üldtehnoloogia väljatöötamine võtab tavaliselt mitu aastakümmet ja veelgi kauem toob see kaasa tootlikkuse kasvu. Alguses ei mõistetud neid hästi. Isegi pärast tehnoloogia turustamist oli tootmise kasutuselevõtu pikaajaline viivitus. Integreeritud vooluahelad on hea näide. Transistorid võeti esmakordselt kasutusele 20. sajandi alguses, kuid neid kasutati laialdaselt kuni hilisõhtuni.
Moore'i seaduse üks asutajatest Gordon Moore ennustas 1965. aastal, et pooljuhid arenevad kiiremini, "tuues elektroonika populaarsuse ja lükates selle teaduse paljudesse uutesse valdkondadesse". Vaatamata oma julgetele ja ootamatult täpsetele ennustustele on ta enne tootlikkuse ja majanduskasvu saavutamist aastakümneid pidevalt paranenud.
Samamoodi on arusaam suure võimsusega pooljuhtlaserite dramaatilisest arengust piiratud. 1962. aastal demonstreeris tööstus esmakordselt elektronide muundamist laseriteks, millele järgnesid mitmed edusammud, mis on toonud kaasa olulise paranemise elektronide muundamisel suure saagikusega laserprotsessideks. Need täiustused võivad toetada paljusid olulisi rakendusi, sealhulgas optilist salvestust, optilist võrku ja laia valikut tööstuslikke rakendusi.
Meenutades neid arenguid ja arvukaid parandusi, mille nad on esile toonud, on esile toodud suurema ja laiema mõju võimalus paljudele majanduse aspektidele. Tegelikult suureneb suure võimsusega pooljuhtlaserite pideva täiustamisega oluliste rakenduste ulatus ja neil on sügav mõju majanduskasvule.
Suure võimsusega pooljuhtlaserite ajalugu
16. septembril 1962 demonstreeris General Electricu Robert Halli juhitud meeskond galliumarseniidi (GaAs) pooljuhtide infrapunakiirgust, millel on "kummalised" häiremustrid, mis tähendab sidususlaserit - esimese pooljuhtlaseri sündi. Esialgu arvas Hall, et pooljuhtlaser on "kauglöök", kuna tollased valgusdioodid olid väga ebaefektiivsed. Samal ajal oli ta selles suhtes ka skeptiline, sest kaks aastat tagasi kinnitatud ja juba olemas olev laser vajab "peeglit".
1962. aasta suvel ütles Halle, et teda šokeerisid MIT Lincolni laboratooriumi välja töötatud tõhusamad GaAs-valgusdioodid. Seejärel ütles ta, et tal on vedanud, et saab katsetada mõningate kõrgekvaliteediliste GaAs-materjalidega, ja kasutas oma amatöörastronoomi kogemust GaAs-kiipide servade poleerimiseks õõnsuse moodustamiseks.
Halli edukas demonstratsioon põhineb liidesel kiirguse põrkumisel edasi-tagasi, mitte vertikaalsel põrkamisel. Ta ütles tagasihoidlikult, et keegi "pole juhtunud selle ideega välja tulema". Tegelikult on Halli disain sisuliselt õnnelik kokkusattumus, et lainejuhti moodustaval pooljuhtmaterjalil on ka omadus piirata samaaegselt bipolaarseid kandjaid. Vastasel juhul on pooljuhtlaserit võimatu realiseerida. Erinevate pooljuhtmaterjalide abil saab moodustada plaatide lainejuhi, mis kattuvad footonitega kandjatega.
Need esialgsed meeleavaldused General Electricus olid suur läbimurre. Need laserid pole aga kaugeltki praktilised seadmed. Suure võimsusega pooljuhtlaserite sünni edendamiseks tuleb realiseerida erinevad tehnoloogiad. Peamised tehnoloogilised uuendused algasid arusaamast otsese ribalaiusega pooljuhtmaterjalidest ja kristallide kasvu tehnikatest.
Hilisemad arengud hõlmasid kahekordsete heterfunktsioonlaserite leiutamist ja järgnevat kvantkaevude laserite arendamist. Nende põhitehnoloogiate edasise täiustamise võti seisneb tõhususe parandamises ja õõnsuste passiivsuse, soojuse hajutamise ja pakendamise tehnoloogia arendamises.
Heledus
Viimaste aastakümnete innovatsioon on toonud põnevaid edusamme. Eelkõige on heleduse paranemine suurepärane. 1985. aastal suutis tipptasemel ülivõimas pooljuhtlaser paaritada 105 millivatti võimsust 105 mikroniliseks südamikuks. Kõige arenenumad suure võimsusega pooljuhtlaserid suudavad nüüd ühe lainepikkusega toota üle 250 vatti 105-mikronist kiudu - 10-kordne kasv iga kaheksa aasta tagant.

Moore mõtles "rohkemate komponentide kinnitamist integraallülitusele" - siis kasvas transistoride arv kiibi kohta iga 7 aasta järel 10 korda. Juhuslikult lisavad suure võimsusega pooljuhtlaserid kiududesse rohkem footoneid sarnase eksponentsiaaliga (vt joonis 1).

Joonis 1. Suure võimsusega pooljuhtlaserite heledus ja võrdlus Moore'i seadusega
Suure võimsusega pooljuhtlaserite heleduse paranemine on soodustanud erinevate ettenägematute tehnoloogiate arengut. Kuigi selle trendi jätkumine nõuab rohkem uuendusi, on alust arvata, et pooljuhtlasertehnoloogia uuendamine pole veel kaugeltki lõpule jõudnud. Tuntud füüsika võib pideva tehnoloogiaarenduse abil veelgi parandada pooljuhtlaserite jõudlust.
Näiteks võib kvantpunktide võimendamise meedium märkimisväärselt suurendada efektiivsust võrreldes praeguste kvantkaevude seadmetega. Aeglase telje heledus pakub teist suurusjärku parendamise potentsiaali. Uued pakendatud materjalid, millel on parem soojus- ja paisumissobivus, pakuvad täiustusi, mis on vajalikud pidevaks võimsuse reguleerimiseks ja lihtsustatud soojuse juhtimiseks. Need peamised arengud pakuvad teekaardi suure võimsusega pooljuhtlaserite arendamiseks järgmistel aastakümnetel.
Dioodpumbaga tahkis- ja kiudlaserid
Suure võimsusega pooljuhtlaserite täiustamine on võimaldanud allavoolu asuvate lasertehnoloogiate väljatöötamist; allavoolu lasertehnoloogiates kasutatakse pooljuhtlasereid legeeritud kristallide (dioodpumbaga tahkis-laserid) või legeeritud kiudude (kiudlaserid) ergastamiseks (pumpamiseks).
Ehkki pooljuhtlaserid pakuvad kõrge efektiivsusega ja odavat laserenergiat, on kaks peamist piirangut: nad ei hoia energiat ja nende heledus on piiratud. Põhimõtteliselt tuleb neid kahte laserit kasutada paljudes rakendustes: üks elektrienergia muundamiseks laserkiirguseks ja teine ​​laserkiirguse heleduse suurendamiseks.
Dioodpumbaga tahkis-laserid. 1980. aastate lõpus hakkas pooljuhtlaserite kasutamine tahkislaserite pumpamiseks ärirakendustes populaarsust koguma. Dioodpumbaga tahkis-laserid (DPSSL) vähendavad oluliselt termokäitlussüsteemide (peamiselt ringlevate jahutite) suurust ja keerukust ning saavad mooduleid, millel on ajalooliselt kombineeritud kaarlambid tahkis-laserkristallide pumpamiseks.
Pooljuhtlaserite lainepikkused valitakse lähtuvalt nende kattuvusest tahkis-laser-võimenduskeskkonna spektri absorptsiooniomadustega; soojuskoormus väheneb oluliselt kaarlambi lairibakiirguse spektriga võrreldes. 1064 nm germaaniumil põhinevate laserite populaarsuse tõttu on pumba 808 nm lainepikkusest üle 20 aasta saanud pooljuhtlaserite suurim lainepikkus.
Mitmemoodiliste pooljuhtlaserite heleduse suurenemisega ja võimega stabiliseerida kitsa emitterjoone laius mahuliste Braggi restidega (VBG) 2000. aasta keskel saavutati dioodide pumpamise efektiivsuse teine ​​põlvkond. Nõrgemad ja spektraalselt kitsad neeldumisomadused 880 nm ümber on muutunud kõrge heledusega pumbadioodide jaoks kuumadeks kohtadeks. Need dioodid võivad saavutada spektraalse stabiilsuse. Need suurema jõudlusega laserid võivad laseri ülemist taset 4F3 / 2 otseselt ergastada ränis, vähendades kvantdefekte, parandades seeläbi kõrgema keskmise põhirežiimide väljatõmbamist, mida muidu piiraksid termoläätsed.
2010. aasta alguseks oleme olnud tunnistajaks suure ristvõimsusega 1064 nm laseri ja sellega seotud sagedusmuundurlaserite suure võimsusega skaleerimise trendile, mis töötavad nähtavas ja ultraviolettkiirguses. Nd: YAG ja Nd: YVO4 kõrgema energiaolukorra tõttu pikema eluea tõttu pakuvad need DPSSL Q lülitusoperatsioonid suurt impulsienergiat ja tippvõimsust, muutes need ideaalseks ablatiivse materjali töötlemiseks ja ülitäpseks mikrotöötlemiseks.
fiiberoptiline laser. Kiudlaserid pakuvad tõhusamat viisi suure võimsusega pooljuhtlaserite heleduse teisendamiseks. Kuigi lainepikkusega mitmekordne optika suudab suhteliselt madala heledusega pooljuhtlaseri muuta heledamaks pooljuhtlaseriks, on see suurenenud spektri laiuse ja optomehaanilise keerukuse arvelt. Kiudlaserid on fotomeetrilises muundamises osutunud eriti tõhusaks.
1990-ndatel kasutusele võetud topeltkattega kiud kasutavad ühemoodilisi kiude, mis on ümbritsetud mitmemoodilise kattega, mis võimaldab suurema võimsusega ja odavamaid mitmemoodilisi pooljuhtpumbaga lasereid tõhusalt kiu sisse süstida, luues veelgi ökonoomsema viisi suure võimsusega pooljuhtlaser heledamaks laseriks. Ytterbiumi (Yb) legeeritud kiudude puhul ergastab pump laia absorptsiooni, mis on keskel 915 nm või kitsa riba funktsiooni umbes 976 nm juures. Kui pumba lainepikkus läheneb kiudlaseri laseri lainepikkusele, vähendatakse nn kvantdefekte, maksimeerides seeläbi efektiivsust ja minimeerides soojuse hajumise suurust.
Nii kiudlaserid kui ka dioodpumbaga tahkis-laserid toetuvad dioodlaseri heleduse paranemisele. Üldiselt, kui dioodlaserite heledus jätkuvalt paraneb, suureneb ka nende pumbatava laseri võimsuse osakaal. Pooljuhtlaserite suurenenud heledus hõlbustab tõhusamat heleduse teisendamist.
Nagu me eeldaksime, on tulevaste süsteemide jaoks vajalik ruumiline ja spektraalne heledus, mis võimaldab tahkes olekus laserites madalate kvantdefektide pumpamist kitsaste absorptsiooniomadustega ja tiheda lainepikkusega multipleksimisega. Plaan saab võimalikuks.
Turg ja rakendus
Suure võimsusega pooljuhtlaserite väljatöötamine on võimaldanud paljusid olulisi rakendusi. Need laserid on asendanud paljusid traditsioonilisi tehnoloogiaid ja juurutanud uusi tootekategooriaid.
Kümne korra suurenenud kulu ja jõudlus kümnendi jooksul häirivad suure võimsusega pooljuhtlaserid turu tavapärast toimimist ettearvamatul viisil. Ehkki tulevasi rakendusi on raske täpselt ennustada, on väga oluline vaadata üle viimase kolme aastakümne arengulugu ja pakkuda raamistikuvõimalusi järgmise kümnendi arenguks (vt joonis 2).

Joonis 2. Suure võimsusega pooljuhtlaseri heleduse kütuse rakendus (standardimiskulud vati heleduse kohta)
1980. aastad: optiline salvestusruum ja algsed niširakendused. Optiline salvestamine on esimene suuremahuline rakendus pooljuhtlaseritööstuses. Varsti pärast seda, kui Hall esimest korda näitas infrapuna pooljuhtlaserit, näitas General Electrics Nick Holonyak ka esimest nähtavat punast pooljuhtlaserit. 20 aastat hiljem toodi turule kompaktplaate (CD), millele järgnes optiliste salvestusseadmete turg.
Pooljuhtlasertehnoloogia pidev uuendamine on viinud optiliste salvestustehnoloogiate, näiteks digitaalse mitmekülgse plaadi (DVD) ja Blu-ray plaadi (BD), väljatöötamiseni. See on esimene suur pooljuhtlaserite turg, kuid üldiselt piiravad tagasihoidlikud võimsustasemed muid rakendusi suhteliselt väikeste nišiturgudega, nagu termotrükk, meditsiinilised rakendused ning valitud lennundus- ja kaitserakendused.
1990. aastad: domineerivad optilised võrgud. 1990. aastatel said pooljuhtlaserid sidevõrkude võtmeks. Pooljuhtlasereid kasutatakse signaalide edastamiseks kiudoptiliste võrkude kaudu, kuid optilise võimendi suuremate võimsustega ühemoodilised pumbalaserid on optiliste võrkude ulatuse saavutamiseks ja Interneti-andmete kasvu tõeliseks toetamiseks kriitilise tähtsusega.
Selle põhjustatud telekommunikatsioonitööstuse buum on kaugeleulatuv, võttes näiteks Spectra Diode Labs (SDL), kes on esimesed pioneerid suure võimsusega pooljuhtlaseritööstuses. 1983. aastal asutatud SDL on Newport Groupi laserbrändide Spectra-Physics ja Xerox ühisettevõte. See käivitati 1995. aastal turuväärtusega umbes 100 miljonit dollarit. Viis aastat hiljem müüdi telekommunikatsioonitööstuse tipphetkel SDL JDSU-le enam kui 40 miljardi dollari eest, mis on üks ajaloo suurimaid tehnoloogia omandamisi. Varsti pärast seda puhkes telekommunikatsioonimull ja hävitas triljoneid dollareid kapitali, mida praegu peetakse ajaloo suurimaks mulliks.
2000. aastad: laseritest sai tööriist. Ehkki telekommunikatsioonituru mulli lõhkemine on äärmiselt hävitav, on tohutu investeering suure võimsusega pooljuhtlaseritesse pannud aluse laiemale kasutusele võtmisele. Toimivuse ja kulude kasvades hakkavad need laserid erinevates protsessides asendama traditsioonilisi gaaslasereid või muid energia muundamise allikaid.
Pooljuhtlaseritest on saanud laialt kasutatav tööriist. Tööstuslikud rakendused ulatuvad traditsioonilistest tootmisprotsessidest, nagu lõikamine ja jootmine, kuni uute arenenud tootmistehnoloogiateni, nagu 3D-trükitud metallosade lisaaine tootmine. Mikrotootmisrakendused on mitmekesisemad, kuna nende laseritega on turustatud põhitooted, näiteks nutitelefonid. Lennundus- ja kaitserakendused hõlmavad laia valikut missioonikriitilisi rakendusi ja hõlmavad tõenäoliselt ka järgmise põlvkonna suunatud energiasüsteeme.
Kokkuvõtteks
Rohkem kui 50 aastat tagasi ei esitanud Moore uut füüsikaseadust, vaid tegi suuri parandusi integreeritud vooluringides, mida uuriti esmakordselt kümme aastat tagasi. Tema ennustus kestis aastakümneid ja tõi endaga kaasa rea ​​häirivaid uuendusi, mis polnud mõeldavad 1965. aastal.
Kui Hall demonstreeris pooljuhtlasereid rohkem kui 50 aastat tagasi, vallandas see tehnoloogilise revolutsiooni. Nagu Moore'i seaduse puhul, ei saa keegi ennustada kiiret arengut, mis suure intensiivsusega pooljuhtlaseritel, mis on saavutatud suure hulga uuendustega, hiljem läbi tehakse.
Füüsikas ei ole nende tehnoloogiliste täiustuste kontrollimiseks põhimõttelist reeglit, kuid pidev tehnoloogiline areng võib laserit heleduse mõttes edasi viia. See suundumus asendab jätkuvalt traditsioonilisi tehnoloogiaid, muutes seeläbi veelgi asjade arengut. Majanduskasvu seisukohalt olulisem on see, et suure võimsusega pooljuhtlaserid soodustavad ka uute asjade sündi.