Suure võimsusega pooljuhtlaserite minevik ja tulevik

Kuna tõhusus ja võimsus kasvavad jätkuvalt, asendavad laserdioodid jätkuvalt traditsioonilisi tehnoloogiaid, muudavad asjade käsitlemist ja stimuleerivad uute asjade sündi.
Traditsiooniliselt usuvad majandusteadlased, et tehnoloogiline areng on järkjärguline protsess. Viimasel ajal on tööstus keskendunud rohkem häirivale innovatsioonile, mis võib põhjustada katkestusi. Need uuendused, mida nimetatakse üldotstarbelisteks tehnoloogiateks (GPT), on "sügavad uued ideed või tehnoloogiad, millel võib olla suur mõju paljudele majanduse aspektidele." Üldtehnoloogia arendamiseks kulub tavaliselt mitu aastakümmet ja veelgi pikem aeg toob kaasa tootlikkuse tõusu. Alguses ei saanud neist hästi aru. Isegi pärast tehnoloogia turule toomist oli tootmise kasutuselevõtt pikaajaline viivitus. Integraallülitused on hea näide. Transistorid võeti esmakordselt kasutusele 20. sajandi alguses, kuid neid kasutati laialdaselt hiliste õhtutundideni.
Üks Moore'i seaduse rajajaid Gordon Moore ennustas 1965. aastal, et pooljuhid arenevad kiiremini, "tuues elektroonika populaarsuse ja surudes selle teaduse paljudesse uutesse valdkondadesse". Vaatamata julgetele ja ootamatult täpsetele ennustustele on ta enne tootlikkuse ja majanduskasvu saavutamist läbinud aastakümneid pideva paranemise.
Samamoodi on piiratud arusaam suure võimsusega pooljuhtlaserite dramaatilisest arengust. 1962. aastal demonstreeris tööstus esmakordselt elektronide muundamist laseriteks, millele järgnesid mitmed edusammud, mis on viinud elektronide muundamisel suure tootlikkusega laserprotsessideks. Need täiustused võivad toetada mitmeid olulisi rakendusi, sealhulgas optilist salvestusruumi, optilist võrku ja laia valikut tööstuslikke rakendusi.
Neid arenguid ja arvukaid täiustusi, mida need on päevavalgele toonud, meenutades on esile tõstetud võimalus avaldada suuremat ja laialdasemat mõju paljudele majandusaspektidele. Tegelikult suureneb suure võimsusega pooljuhtlaserite pideva täiustamisega oluliste rakenduste ulatus ja sellel on suur mõju majanduskasvule.
Suure võimsusega pooljuhtlaseri ajalugu
16. septembril 1962 demonstreeris General Electricu Robert Halli juhitud meeskond galliumarseniidi (GaAs) pooljuhtide infrapunakiirgust, millel on "veidrad" interferentsimustrid, mis tähendab koherentsuslaserit – esimese pooljuhtlaseri sündi. Hall uskus algselt, et pooljuhtlaser oli "pikk lask", kuna tol ajal olid valgusdioodid väga ebaefektiivsed. Samas suhtus ta sellesse ka skeptiliselt, sest kaks aastat tagasi kinnitust saanud ja juba olemasolev laser nõuab "peent peeglit".
1962. aasta suvel ütles Halle, et teda vapustasid MIT Lincolni labori poolt välja töötatud tõhusamad GaAs valgusdioodid. Seejärel ütles ta, et tal on vedanud, et sai katsetada mõne kvaliteetse GaAs materjaliga, ja kasutas oma kogemusi amatöörastronoomina, et töötada välja viis GaAs kiipide servade poleerimiseks õõnsuse moodustamiseks.
Halli edukas demonstratsioon põhineb pigem liideses edasi-tagasi põrkuvate kiirguse kui vertikaalse põrkumise kavandamisel. Ta ütles tagasihoidlikult, et keegi "pole juhtunud selle idee peale tulema". Tegelikult on Halli konstruktsioon sisuliselt õnnelik juhus, et lainejuhi moodustaval pooljuhtmaterjalil on samaaegselt ka bipolaarseid kandjaid piirav omadus. Vastasel juhul on pooljuhtlaserit võimatu realiseerida. Kasutades erinevaid pooljuhtmaterjale, saab moodustada plaatlainejuhi, mis katab footonid kandjatega.
Need esialgsed meeleavaldused General Electricus olid suur läbimurre. Need laserid on aga praktilistest seadmetest kaugel. Suure võimsusega pooljuhtlaserite sünni soodustamiseks tuleb realiseerida erinevate tehnoloogiate liitmine. Peamised tehnoloogilised uuendused said alguse otsese ribalaiusega pooljuhtmaterjalide ja kristallide kasvatamise tehnikate mõistmisest.
Hilisemate arengute hulka kuulus topelt-heteroühendusega laserite leiutamine ja sellele järgnev kvantkaevlaserite väljatöötamine. Nende põhitehnoloogiate edasise täiustamise võti seisneb tõhususe parandamises ning õõnsuste passiveerimise, soojuse hajumise ja pakendamistehnoloogia arendamises.
Heledus
Innovatsioon viimastel aastakümnetel on toonud kaasa põnevaid täiustusi. Eelkõige on heleduse paranemine suurepärane. 1985. aastal suutis tipptasemel suure võimsusega pooljuhtlaser ühendada 105 millivatti võimsust 105 mikroni südamikuga kiuks. Kõige arenenumad suure võimsusega pooljuhtlaserid suudavad nüüd toota rohkem kui 250 vatti 105-mikronist kiudu ühe lainepikkusega – see kasvab 10 korda iga kaheksa aasta järel.

Moore kavandas "integraallülitusse rohkemate komponentide kinnitamise" - siis kasvas transistoride arv kiibi kohta 10 korda iga 7 aasta järel. Juhuslikult kaasavad suure võimsusega pooljuhtlaserid kiudu sarnase eksponentsiaalse kiirusega rohkem footoneid (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 innovatsiooni, on alust arvata, et pooljuhtlasertehnoloogia uuendus pole veel kaugeltki lõppenud. Tuntud füüsika võib pideva tehnoloogilise arengu kaudu pooljuhtlaserite jõudlust veelgi parandada.
Näiteks võib kvantpunktide võimendusmeedium oluliselt suurendada tõhusust võrreldes praeguste kvantkaevude seadmetega. Aeglase telje heledus pakub veel ühe suurusjärgu paranemispotentsiaali. Uued pakkematerjalid, millel on täiustatud soojuse ja paisumise sobivus, pakuvad pidevaks võimsuse reguleerimiseks ja lihtsustatud soojusjuhtimiseks vajalikke täiustusi. Need peamised arengud annavad teekaardi suure võimsusega pooljuhtlaserite arendamiseks järgmistel aastakümnetel.
Dioodpumbaga tahkis- ja kiudlaserid
Suure võimsusega pooljuhtlaserite täiustamine on teinud võimalikuks allavoolu lasertehnoloogiate arendamise; allavoolu lasertehnoloogiates kasutatakse pooljuhtlasereid legeeritud kristallide (dioodpumbaga tahkislaserid) või legeeritud kiudude (kiudlaserid) ergastamiseks (pumpamiseks).
Kuigi pooljuhtlaserid pakuvad suure efektiivsusega ja odavat laserenergiat, on kaks peamist piirangut: nad ei salvesta energiat ja nende heledus on piiratud. Põhimõtteliselt tuleb neid kahte laserit kasutada paljudes rakendustes: ühte elektrienergia muundamiseks laserkiirguseks ja teist laserkiirguse heleduse suurendamiseks.
Dioodpumbaga tahkislaserid. 1980. aastate lõpus hakkas pooljuhtlaserite kasutamine pooljuhtlaserite pumpamiseks kommertsrakendustes populaarsust koguma. Dioodpumbatavad pooljuhtlaserid (DPSSL) vähendavad oluliselt soojusjuhtimissüsteemide (peamiselt tsirkuleerivate jahutite) suurust ja keerukust ning saavad mooduleid, milles on ajalooliselt kombineeritud kaarelambid tahkislaserkristallide pumpamiseks.
Pooljuhtlaserite lainepikkused valitakse nende kattumise alusel tahkislaseri võimenduskeskkonna spektraalse neeldumisomadustega; soojuskoormus on tunduvalt vähenenud võrreldes kaarlambi lairiba emissioonispektriga. Tänu 1064 nm germaaniumipõhiste laserite populaarsusele on 808 nm pumba lainepikkusest saanud pooljuhtlaserite suurim lainepikkus enam kui 20 aasta jooksul.
Mitmemoodiliste pooljuhtlaserite heleduse suurenemisega ja võimalusega stabiliseerida kitsa emitteri joone laiust mahuliste Braggi võredega (VBG) 2000. aasta keskel saavutati teise põlvkonna täiustatud dioodide pumpamise efektiivsus. Nõrgemad ja spektraalselt kitsad neeldumisomadused umbes 880 nm on muutunud suure heledusega pumbadioodide kuumadeks punktideks. Need dioodid võivad saavutada spektraalse stabiilsuse. Need suurema jõudlusega laserid võivad otseselt ergutada laseri ülemist taset 4F3/2 ränis, vähendades kvantdefekte, parandades seeläbi kõrgemate keskmiste põhirežiimide eraldamist, mida muidu piiraksid termilised läätsed.
2010. aasta alguseks oleme olnud tunnistajaks ühe ristrežiimiga 1064 nm laseri ja sellega seotud sagedusmuundurlaserite seeria suure võimsusega skaleerimisele, mis töötavad nähtavas ja ultraviolettribas. Tänu Nd:YAG ja Nd:YVO4 pikematele kõrge energiaga olekueadele tagavad need DPSSL Q lülitusoperatsioonid suure impulsienergia ja tippvõimsuse, muutes need ideaalseks materjali ablatiivseks töötlemiseks ja ülitäpse mikrotöötlusrakenduste jaoks.
fiiberoptiline laser. Kiudlaserid on tõhusam viis suure võimsusega pooljuhtlaserite heleduse muundamiseks. Kuigi lainepikkusega multipleksitud optika võib muuta suhteliselt madala heledusega pooljuhtlaseri heledamaks pooljuhtlaseriks, toimub see spektraallaiuse ja optomehaanilise keerukuse suurenemise arvelt. Kiudlaserid on osutunud eriti tõhusaks fotomeetrilisel muundamisel.
1990ndatel kasutusele võetud topeltkattega kiud kasutavad ühemoodilisi kiude, mis on ümbritsetud mitmemoodilise kattekihiga, mis võimaldab suurema võimsusega ja odavamaid mitmemoodilisi pooljuht-pooljuhtlasereid tõhusalt kiududesse süstida, luues säästlikuma viisi kiudude muundamiseks. suure võimsusega pooljuhtlaserist heledamaks laseriks. Ütterbiumiga (Yb) legeeritud kiudude puhul ergastab pump laia neeldumise, mille keskpunkt on 915 nm, või kitsa riba funktsiooni lainepikkusel 976 nm. Kui pumba lainepikkus läheneb kiudlaseri laseri lainepikkusele, vähenevad nn kvantdefektid, suurendades seeläbi efektiivsust ja minimeerides soojuse hajumist.
Nii kiudlaserid kui ka dioodpumbaga tahkislaserid sõltuvad dioodlaseri heleduse paranemisest. Üldiselt, kuna dioodlaserite heledus paraneb, suureneb ka nende pumbatava laservõimsuse osakaal. Pooljuhtlaserite suurenenud heledus hõlbustab tõhusamat heleduse teisendamist.
Nagu arvata võis, on tulevaste süsteemide jaoks vajalik ruumiline ja spektraalne heledus, mis võimaldab madala kvantdefektiga pumpamist kitsa neeldumisomadustega tahkislaserites ja tiheda lainepikkuse multipleksimist otseste pooljuhtlaserite rakenduste jaoks. Plaan saab võimalikuks.
Turg ja rakendus
Suure võimsusega pooljuhtlaserite arendamine on võimaldanud palju olulisi rakendusi. Need laserid on asendanud palju traditsioonilisi tehnoloogiaid ja juurutanud uusi tootekategooriaid.
Kümne aasta jooksul kulude ja jõudluse 10-kordse kasvu tõttu häirivad suure võimsusega pooljuhtlaserid turu normaalset toimimist ettearvamatul viisil. Kuigi tulevasi rakendusi on raske täpselt ennustada, on väga oluline vaadata läbi viimase kolme aastakümne arengulugu ja anda raamvõimalused järgmise kümnendi arenguks (vt joonis 2).

Joonis 2. Suure võimsusega pooljuhtlaseri heleduse kütuserakendus (standardikulu heleduse vati kohta)
1980ndad: optiline salvestusruum ja esialgsed niširakendused. Optiline salvestus on esimene suuremahuline rakendus pooljuhtlaseritööstuses. Vahetult pärast seda, kui Hall esimest korda infrapuna-pooljuhtlaserit näitas, näitas General Electrics Nick Holonyak ka esimest nähtavat punast pooljuhtlaserit. Kakskümmend aastat hiljem toodi turule CD-d (CD-d), millele järgnes optiliste salvestusseadmete turg.
Pooljuhtlasertehnoloogia pidev uuendus on viinud optiliste salvestustehnoloogiate, nagu digitaalne mitmekülgne plaat (DVD) ja Blu-ray-plaat (BD) väljatöötamiseni. See on esimene suur pooljuhtlaserite turg, kuid üldiselt piiravad tagasihoidlikud võimsustasemed muud rakendused suhteliselt väikestele nišiturgudele, nagu termoprintimine, meditsiinilised rakendused ning valitud kosmose- ja kaitserakendused.
1990ndad: Optilised võrgud on ülekaalus. 1990. aastatel said sidevõrkude võtmeks pooljuhtlaserid. Pooljuhtlasereid kasutatakse signaalide edastamiseks kiudoptiliste võrkude kaudu, kuid optiliste võimendite suurema võimsusega ühemoodilised pumplaserid on optiliste võrkude ulatuse saavutamiseks ja Interneti-andmete kasvu tõeliselt toetamiseks üliolulised.
Sellega kaasnev telekommunikatsioonitööstuse buum on kaugeleulatuv, võttes näiteks Spectra Diode Labsi (SDL), mis on üks esimesi pioneere suure võimsusega pooljuhtlaserite tööstuses. 1983. aastal asutatud SDL on Newport Groupi laseribrändide Spectra-Physics ja Xerox ühisettevõte. See käivitati 1995. aastal turukapitalisatsiooniga ligikaudu 100 miljonit dollarit. Viis aastat hiljem müüdi SDL telekommunikatsioonitööstuse haripunktis JDSU-le enam kui 40 miljardi dollari eest, mis on üks ajaloo suurimaid tehnoloogiaoste. Varsti pärast seda telekommunikatsioonimull lõhkes ja hävitas triljoneid dollareid kapitali, mida praegu peetakse ajaloo suurimaks mulliks.
2000ndad: Laseritest sai tööriist. Kuigi telekommunikatsioonituru mulli lõhkemine on äärmiselt hävitav, on tohutu investeering suure võimsusega pooljuhtlaseritesse pannud aluse laiemale kasutuselevõtule. Kuna jõudlus ja kulud kasvavad, hakkavad need laserid mitmesugustes protsessides asendama traditsioonilisi gaasilasereid või muid energia muundamise allikaid.
Pooljuhtlaserid on muutunud laialdaselt kasutatavaks tööriistaks. Tööstuslikud rakendused ulatuvad traditsioonilistest tootmisprotsessidest, nagu lõikamine ja jootmine, kuni uute täiustatud tootmistehnoloogiateni, nagu 3D-prinditud metallosade lisatootmine. Mikrotootmisrakendused on mitmekesisemad, kuna nende laseritega on turule viidud võtmetooted, näiteks nutitelefonid. Lennundus- ja kaitserakendused hõlmavad laia valikut missioonikriitilisi rakendusi ja tõenäoliselt hõlmavad tulevikus järgmise põlvkonna suunatavaid energiasüsteeme.
Kokkuvõtteks 
Rohkem kui 50 aastat tagasi ei pakkunud Moore välja uut füüsika põhiseadust, vaid tegi suuri parandusi integraallülitustes, mida esmakordselt uuriti kümme aastat tagasi. Tema ennustus kestis aastakümneid ja tõi endaga kaasa rea ​​häirivaid uuendusi, mis 1965. aastal olid mõeldamatud.
Kui Hall demonstreeris pooljuhtlasereid rohkem kui 50 aastat tagasi, vallandas see tehnoloogilise revolutsiooni. Nagu Moore'i seaduse puhul, ei saa keegi ennustada, millist kiiret arengut suure hulga uuendustega saavutatud suure intensiivsusega pooljuhtlaserid hiljem läbivad.
Füüsikas ei ole nende tehnoloogiliste täiustuste kontrollimiseks ühtegi põhireeglit, kuid pidev tehnoloogiline areng võib laserit heleduse osas edasi arendada. See suundumus jätkab traditsiooniliste tehnoloogiate asendamist, muutes seega veelgi asjade arendamise viisi. Majanduskasvu jaoks olulisem on see, et suure võimsusega pooljuhtlaserid soodustavad ka uute asjade sündi.