Fortiden og fremtiden for halvlederlasere med høy effekt

Når effektiviteten og kraften fortsetter å øke, vil laserdioder fortsette å erstatte tradisjonelle teknologier, endre måten ting blir håndtert på og stimulere til fødselen av nye ting.
Tradisjonelt mener økonomer at teknologisk fremgang er en gradvis prosess. Nylig har bransjen fokusert mer på forstyrrende innovasjon som kan forårsake diskontinuiteter. Disse innovasjonene, kjent som generelle formålsteknologier (GPT), er "dype nye ideer eller teknologier som kan ha stor innvirkning på mange aspekter av økonomien." Generell teknologi tar vanligvis flere tiår å utvikle seg, og enda lenger vil føre til en økning i produktiviteten. Først ble de ikke godt forstått. Selv etter at teknologien ble kommersialisert, var det et langsiktig forsinkelse i produksjonsadopsjonen. Integrerte kretser er et godt eksempel. Transistorer ble først introdusert tidlig på 1900-tallet, men de ble mye brukt til sent på kvelden.
En av grunnleggerne av Moores lov, Gordon Moore, forutsa i 1965 at halvledere vil utvikle seg raskere, "som bringer elektronikkens popularitet og skyver denne vitenskapen inn i mange nye felt." Til tross for sine dristige og uventede nøyaktige spådommer, har han gjennomgått flere tiår med kontinuerlig forbedring før han oppnådde produktivitet og økonomisk vekst.
Tilsvarende er forståelsen av den dramatiske utviklingen av høyeffekt halvlederlasere begrenset. I 1962 demonstrerte industrien først konvertering av elektroner til lasere, etterfulgt av en rekke fremskritt som har ført til betydelige forbedringer i konvertering av elektroner til laserprosesser med høyt utbytte. Disse forbedringene kan støtte en rekke viktige applikasjoner, inkludert optisk lagring, optisk nettverk og et bredt spekter av industrielle applikasjoner.
Å minne om denne utviklingen og de mange forbedringene de har ført frem, har understreket muligheten for større og mer utbredt innvirkning på mange aspekter av økonomien. Med den kontinuerlige forbedringen av halvlederlasere med høy effekt, vil omfanget av viktige applikasjoner øke og ha en dyp innvirkning på økonomisk vekst.
Høyeffekt halvlederlaserhistorie
16. september 1962 demonstrerte et team ledet av General Electrics Robert Hall infrarød utslipp av galliumarsenid (GaAs) halvledere, som har "merkelige" interferensmønstre, som betyr koherens Laser - fødselen til den første halvlederlaseren. Hall trodde opprinnelig at halvlederlaseren var et "langskudd" fordi lysdioder på den tiden var veldig ineffektive. Samtidig var han også skeptisk til dette fordi laseren som hadde blitt bekreftet for to år siden og allerede eksisterer, krever et "fint speil."
Sommeren 1962 sa Halle at han var sjokkert over de mer effektive GaAs lysdioder som ble utviklet av MIT Lincoln Laboratory. Deretter sa han at han var heldig å kunne teste med noen høykvalitets GaAs-materialer, og brukte sin erfaring som amatørastronom til å utvikle en måte å polere kantene på GaAs-chips til å danne et hulrom.
Halls vellykkede demonstrasjon er basert på utformingen av stråling spretter frem og tilbake ved grensesnittet i stedet for vertikal sprett. Han sa beskjedent at ingen "tilfeldigvis har kommet på denne ideen." Faktisk er Halls design i det vesentlige en heldig tilfeldighet at halvledermaterialet som danner bølgelederen også har egenskapen til å begrense bipolare bærere samtidig. Ellers er det umulig å realisere en halvlederlaser. Ved å bruke forskjellige halvledermaterialer kan en plate bølgeleder dannes for å overlappe fotoner med bærere.
Disse foreløpige demonstrasjonene hos General Electric var et stort gjennombrudd. Imidlertid er disse laserne langt fra praktiske enheter. For å fremme fødselen av kraftige halvlederlasere, må sammensmelting av forskjellige teknologier realiseres. Viktige teknologiske innovasjoner begynte med en forståelse av direkte bandgap halvledermaterialer og krystallvekstteknikker.
Senere utvikling inkluderte oppfinnelsen av doble heterojunksjonlasere og den påfølgende utviklingen av kvantebrønnlasere. Nøkkelen til ytterligere forbedring av disse kjerneteknologiene ligger i forbedring av effektivitet og utvikling av hulromspassivering, varmespredning og emballeringsteknologi.
Lysstyrke
Innovasjon de siste tiårene har ført til spennende forbedringer. Spesielt er forbedringen av lysstyrken utmerket. I 1985 klarte den toppmoderne halvlederlaseren å koble 105 milliwatt kraft til en 105 mikron kjernefiber. De mest avanserte kraftige halvlederlaserne kan nå produsere mer enn 250 watt 105 mikron fiber med en enkelt bølgelengde - en økning 10 ganger hvert åtte år.

Moore tenkte å "fikse flere komponenter til den integrerte kretsen" - da økte antall transistorer per chip med 10 ganger hvert 7. år. Tilfeldigvis innlemmer halvlederlasere med høy effekt flere fotoner i fiberen til lignende eksponentielle priser (se figur 1).

Figur 1. Lysstyrken til kraftige halvlederlasere og sammenligning med Moores lov
Forbedringen i lysstyrken på høyeffekt halvlederlasere har fremmet utviklingen av ulike uforutsette teknologier. Selv om fortsettelsen av denne trenden krever mer innovasjon, er det grunn til å tro at innovasjonen av halvlederlaserteknologi langt fra er fullført. Den velkjente fysikken kan forbedre ytelsen til halvlederlasere ytterligere gjennom kontinuerlig teknologisk utvikling.
For eksempel kan kvantepunktforsterkningsmedia øke effektiviteten betydelig sammenlignet med dagens kvantebrønnenheter. Lysstyrke med langsom akse gir enda et potensial for forbedring av størrelsesorden. Nytt emballasjemateriale med forbedret termisk og utvidelsestilpasning vil gi forbedringene som trengs for kontinuerlig strømjustering og forenklet termisk styring. Disse viktige utviklingene vil gi en veikart for utvikling av halvlederlasere med høy effekt de neste tiårene.
Diode-pumpet solid-state og fiberlasere
Forbedringer i kraftige halvlederlasere har gjort utviklingen av nedstrøms laserteknologier mulig; i nedstrøms laserteknologier brukes halvlederlasere til å begeistre (pumpe) dopede krystaller (diodepumpede solid state-lasere) eller dopede fibre (fiberlasere).
Selv om halvlederlasere gir høyeffektiv og billig laserenergi, er det to viktige begrensninger: de lagrer ikke energi og lysstyrken er begrenset. I utgangspunktet må disse to lasere brukes til mange bruksområder: den ene for å konvertere elektrisitet til laserutslipp og den andre for å forbedre lysstyrken til laserutslippet.
Diode-pumpet solid state-lasere. På slutten av 1980-tallet begynte bruken av halvlederlasere til å pumpe solid state-lasere å bli populær i kommersielle applikasjoner. Diode-pumpet solid state-lasere (DPSSL) reduserer størrelsen og kompleksiteten av termiske styringssystemer (hovedsakelig resirkulerende kjølere) og får moduler som historisk har kombinert lysbuelys for pumping av solid state-laserkrystaller.
Bølgelengdene til halvlederlaserne velges basert på deres overlapping med de spektrale absorpsjonsegenskapene til solid-state laserforsterkningsmediet; varmebelastningen er sterkt redusert sammenlignet med lysbuelampens bredbåndsutslippsspektrum. På grunn av populariteten til 1064 nm germaniumbaserte lasere har 808 nm pumpebølgelengde blitt den største bølgelengden i halvlederlasere i mer enn 20 år.
Med økningen i lysstyrken til multimode halvlederlasere og muligheten til å stabilisere den smale emitterlinjebredden med volum Bragg-gitter (VBGs) i midten av 2000, ble andre generasjon med forbedret diode-pumpeeffektivitet oppnådd. De svakere og spektralt smale absorpsjonsfunksjonene rundt 880 nm har blitt hot spots for pumpedioder med høy lysstyrke. Disse diodene kan oppnå spektral stabilitet. Disse lasere med høyere ytelse kan direkte begeistre laserens øvre nivå 4F3 / 2 i silisium, noe som reduserer kvantefeil, og derved forbedrer utvinningen av grunnleggende moduser med høyere gjennomsnitt som ellers ville være begrenset av termiske linser.
Ved begynnelsen av 2010 har vi vært vitne til den kraftige skaleringstrenden til single-cross-mode 1064nm laser og relaterte serier av frekvensomformingslasere som opererer i de synlige og ultrafiolette båndene. På grunn av den lengre levetiden med høy energitilstand for Nd: YAG og Nd: YVO4, gir disse DPSSL Q-koblingsoperasjonene høy pulsenergi og toppeffekt, noe som gjør dem ideelle for prosessering av ablativt materiale og høypresisjons mikromaskinbruk.
fiberoptisk laser. Fiberlasere gir en mer effektiv måte å konvertere lysstyrken til halvlederlasere med høy effekt. Selv om bølgelengdemultiplekset optikk kan konvertere en halvlederlaser med relativt lav luminans til en lysere halvlederlaser, går dette på bekostning av økt spektralbredde og optomekanisk kompleksitet. Fiberlasere har vist seg å være spesielt effektive i fotometrisk konvertering.
De dobbeltkledde fibrene introdusert på 1990-tallet bruker enkeltmodusfibre omgitt av en multimodekledning, slik at billigere multimode halvlederpumpede lasere kan injiseres effektivt i fiberen, noe som skaper en mer En økonomisk måte å konvertere en halvlederlaser med høy effekt til en lysere laser. For ytterbium (Yb) -dopede fibre begeistrer pumpen en bred absorpsjon sentrert ved 915 nm eller et smalt bånd ved ca. 976 nm. Når pumpens bølgelengde nærmer seg laserbølgelengden til fiberlaseren, reduseres såkalte kvantefeil, og maksimerer dermed effektiviteten og minimerer mengden varmespredning.
Både fiberlasere og diodepumpede solid state-lasere er avhengige av forbedringer i diodelaserens lysstyrke. Generelt øker også andelen laserkraft som lysstyrken til diodelasere fortsetter å øke. Den økte lysstyrken til halvlederlasere muliggjør mer effektiv konvertering av lysstyrke.
Som vi forventer, vil romlig og spektral lysstyrke være nødvendig for fremtidige systemer, som vil muliggjøre pumping med lav kvantedefekt med smale absorpsjonsegenskaper i solid state-lasere og tett bølgelengdemultipleksering for direkte halvlederlaserapplikasjoner. Planen blir mulig.
Marked og applikasjon
Utviklingen av halvlederlasere med høy effekt har gjort mange viktige applikasjoner mulig. Disse laserne har erstattet mange tradisjonelle teknologier og har implementert nye produktkategorier.
Med en ti ganger økning i pris og ytelse per tiår, forstyrrer halvlederlasere med høy effekt den normale driften av markedet på uforutsigbare måter. Selv om det er vanskelig å nøyaktig forutsi fremtidige applikasjoner, er det veldig viktig å gjennomgå utviklingshistorien de siste tre tiårene og gi rammemuligheter for utviklingen av det neste tiåret (se figur 2).

Figur 2. Høyeffekt applikasjon av halvlederlaserlysstyrke drivstoff (standardiseringskostnad per watt lysstyrke)
1980-tallet: Optisk lagring og innledende nisjeapplikasjoner. Optisk lagring er den første store applikasjonen i halvlederlaserindustrien. Rett etter at Hall først viste den infrarøde halvlederlaseren, viste også General Electrics Nick Holonyak den første synlige røde halvlederlaseren. Tjue år senere ble CD-er introdusert på markedet, etterfulgt av markedet for optisk lagring.
Den konstante innovasjonen av halvlederlaserteknologi har ført til utvikling av optiske lagringsteknologier som digital allsidig plate (DVD) og Blu-ray Disc (BD). Dette er det første store markedet for halvlederlasere, men generelt beskjedne effektnivåer begrenser andre applikasjoner til relativt små nisjemarkeder som termotrykk, medisinske applikasjoner og utvalgte luftfarts- og forsvarsapplikasjoner.
1990-tallet: Optiske nettverk er rådende. På 1990-tallet ble halvlederlasere nøkkelen til kommunikasjonsnettverk. Halvlederlasere brukes til å overføre signaler over fiberoptiske nettverk, men enkeltmoduspumpelasere med høyere effekt for optiske forsterkere er avgjørende for å oppnå skala av optiske nettverk og virkelig støtte veksten av Internett-data.
Telekommunikasjonsindustriens boom som den bringer med seg, er vidtrekkende, og tar Spectra Diode Labs (SDL), en av de første pionerene innen høykraft halvlederlaserindustrien som et eksempel. SDL ble grunnlagt i 1983 og er et joint venture mellom Newport Groups lasermerker Spectra-Physics og Xerox. Den ble lansert i 1995 med en markedsverdi på omtrent 100 millioner dollar. Fem år senere ble SDL solgt til JDSU for mer enn 40 milliarder dollar under telekomindustriens topp, en av de største teknologikjøpene i historien. Kort tid etter sprakk telekommunikasjonsboblen og ødela billioner dollar kapital, nå sett på som den største boblen i historien.
2000-tallet: Lasere ble et verktøy. Selv om sprengningen av telekommunikasjonsmarkedsboblen er ekstremt ødeleggende, har den enorme investeringen i kraftige halvlederlasere lagt grunnlaget for bredere adopsjon. Når ytelsen og kostnadene øker, begynner disse laserne å erstatte tradisjonelle gasslasere eller andre energiomdannelseskilder i en rekke prosesser.
Halvlederlasere har blitt et mye brukt verktøy. Industrielle applikasjoner spenner fra tradisjonelle produksjonsprosesser som kutting og lodding til nye avanserte produksjonsteknologier som additiv produksjon av 3D-trykte metalldeler. Micro-produksjon applikasjoner er mer forskjellige, siden viktige produkter som smarttelefoner har blitt kommersialisert med disse laserne. Luft- og forsvarsapplikasjoner involverer et bredt spekter av oppdragskritiske applikasjoner og vil trolig inkludere neste generasjons retningsbestemte energisystemer i fremtiden.
å oppsummere
For mer enn 50 år siden foreslo Moore ikke en ny grunnleggende lov om fysikk, men gjorde store forbedringer av de integrerte kretsene som ble studert for ti år siden. Profetien hans varte i flere tiår og førte med seg en serie forstyrrende nyvinninger som var utenkelige i 1965.
Da Hall demonstrerte halvlederlasere for mer enn 50 år siden, utløste det en teknologisk revolusjon. Som med Moores lov, er det ingen som kan forutsi den høyhastighetsutviklingen som halvintensiv halvlederlasere oppnådd av et stort antall innovasjoner senere vil gjennomgå.
Det er ingen grunnleggende regel i fysikk for å kontrollere disse teknologiske forbedringene, men kontinuerlig teknologisk fremgang kan fremme laseren når det gjelder lysstyrke. Denne trenden vil fortsette å erstatte tradisjonell teknologi, og dermed endre måten ting blir utviklet på ytterligere. Mer viktig for økonomisk vekst, vil kraftige halvlederlasere også fremme fødselen av nye ting.