Fortiden og fremtiden til høyeffekts halvlederlasere

Ettersom effektiviteten og kraften fortsetter å øke, vil laserdioder fortsette å erstatte tradisjonelle teknologier, endre måten ting håndteres på og stimulere fødselen av nye ting.
Tradisjonelt tror økonomer at teknologisk fremgang er en gradvis prosess. Den siste tiden har industrien fokusert mer på disruptiv innovasjon som kan forårsake diskontinuiteter. Disse innovasjonene, kjent som generelle formålsteknologier (GPT), er "dypt nye ideer eller teknologier som kan ha stor innvirkning på mange aspekter av økonomien." Generell teknologi tar vanligvis flere tiår å utvikle, og enda lenger vil det føre til økt produktivitet. Til å begynne med ble de ikke godt forstått. Selv etter at teknologien ble kommersialisert, var det et langsiktig etterslep 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, spådde i 1965 at halvledere vil utvikle seg i en raskere hastighet, "bringer elektronikkens popularitet og skyver denne vitenskapen inn i mange nye felt." Til tross for hans dristige og uventet 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 høyeffekts halvlederlasere begrenset. I 1962 demonstrerte industrien først konvertering av elektroner til lasere, etterfulgt av en rekke fremskritt som har ført til betydelige forbedringer i konverteringen av elektroner til laserprosesser med høy ytelse. 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 i lyset, har fremhevet muligheten for større og mer utbredt innvirkning på mange aspekter av økonomien. Faktisk, med den kontinuerlige forbedringen av høyeffekts halvlederlasere, vil omfanget av viktige applikasjoner øke og ha en dyp innvirkning på økonomisk vekst.
Høyeffekts halvlederlaserhistorie
Den 16. september 1962 demonstrerte et team ledet av General Electrics Robert Hall den infrarøde emisjonen av galliumarsenid (GaAs) halvledere, som har "merkelige" interferensmønstre, som betyr koherenslaser - fødselen til den første halvlederlaseren. Hall trodde først at halvlederlaseren var et "langskudd" fordi de lysemitterende diodene på den tiden var veldig ineffektive. Samtidig var han også skeptisk til dette fordi laseren som var bekreftet for to år siden og allerede eksisterer krever et «fint speil».
Sommeren 1962 sa Halle at han ble sjokkert over de mer effektive GaAs-lysemitterende diodene utviklet av MIT Lincoln Laboratory. Deretter sa han at han var heldig som kunne teste med noen høykvalitets GaAs-materialer og brukte sin erfaring som amatørastronom for å utvikle en måte å polere kantene på GaAs-brikker for å danne et hulrom.
Halls vellykkede demonstrasjon er basert på utformingen av stråling som spretter frem og tilbake ved grensesnittet i stedet for vertikalt sprett. Han sa beskjedent at ingen «tilfeldigvis har kommet opp med denne ideen». Faktisk er Halls design i hovedsak en heldig tilfeldighet at halvledermaterialet som danner bølgelederen også har egenskapen til å begrense bipolare bærere på samme tid. Ellers er det umulig å realisere en halvlederlaser. Ved å bruke forskjellige halvledermaterialer kan en platebølgeleder dannes for å overlappe fotoner med bærere.
Disse foreløpige demonstrasjonene ved General Electric var et stort gjennombrudd. Imidlertid er disse laserne langt fra praktiske enheter. For å fremme fødselen av høyeffekts halvlederlasere, må fusjon av forskjellige teknologier realiseres. Viktige teknologiske nyvinninger begynte med en forståelse av direkte båndgap-halvledermaterialer og krystallvekstteknikker.
Senere utviklinger inkluderte oppfinnelsen av doble heterojunction-lasere og den påfølgende utviklingen av kvantebrønnlasere. Nøkkelen til ytterligere forbedring av disse kjerneteknologiene ligger i forbedring av effektivitet og utvikling av hulromspassivering, varmespredning og emballasjeteknologi.
Lysstyrke
Innovasjon de siste tiårene har ført til spennende forbedringer. Spesielt er lysstyrkeforbedringen utmerket. I 1985 var den toppmoderne halvlederlaseren med høy effekt i stand til å koble 105 milliwatt strøm til en 105 mikron kjernefiber. De mest avanserte halvlederlaserne med høy effekt kan nå produsere mer enn 250 watt med 105 mikron fiber med en enkelt bølgelengde – en 10-dobling hvert åttende år.

Moore tenkte på å "fikse flere komponenter til den integrerte kretsen" - da økte antallet transistorer per brikke med 10 ganger hvert 7. år. Tilfeldigvis inkorporerer høyeffekts halvlederlasere flere fotoner i fiberen med lignende eksponentielle hastigheter (se figur 1).

Figur 1. Lysstyrke for høyeffekts halvlederlasere og sammenligning med Moores lov
Forbedringen i lysstyrken til høyeffekts 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 kvantepunktforsterkningsmedier øke effektiviteten betydelig sammenlignet med nåværende kvantebrønnenheter. Sakte akse lysstyrke tilbyr en annen størrelsesorden forbedringspotensial. Nye emballasjematerialer med forbedret termisk og ekspansjonsmatching vil gi forbedringene som trengs for kontinuerlig strømjustering og forenklet termisk styring. Disse nøkkelutviklingene vil gi et veikart for utviklingen av høyeffekts halvlederlasere i de kommende tiårene.
Diodepumpede solid-state og fiberlasere
Forbedringer i halvlederlasere med høy effekt har gjort utviklingen av nedstrøms laserteknologier mulig; i nedstrøms laserteknologier brukes halvlederlasere til å eksitere (pumpe) dopede krystaller (diodepumpede faststofflasere) eller dopede fibre (fiberlasere).
Selv om halvlederlasere gir høyeffektiv, rimelig laserenergi, er det to viktige begrensninger: de lagrer ikke energi og lysstyrken er begrenset. I utgangspunktet må disse to laserne brukes til mange applikasjoner: en for å konvertere elektrisitet til laserstråling og den andre for å forbedre lysstyrken til laserstrålingen.
Diodepumpede solid-state lasere. På slutten av 1980-tallet begynte bruken av halvlederlasere for å pumpe solid-state lasere å få popularitet i kommersielle applikasjoner. Diodepumpede solid-state lasere (DPSSL) reduserer størrelsen og kompleksiteten til termiske styringssystemer (hovedsakelig resirkulerende kjølere) og oppnår moduler som har historisk kombinerte lysbuelamper for pumping av solid state laserkrystaller.
Bølgelengdene til halvlederlaserne velges basert på deres overlapping med de spektrale absorpsjonsegenskapene til faststofflaserforsterkningsmediet; varmebelastningen er sterkt redusert sammenlignet med bredbånds-emisjonsspekteret til lysbuelampen. På grunn av populariteten til 1064 nm germaniumbaserte lasere, har 808 nm pumpebølgelengden blitt den største bølgelengden i halvlederlasere på mer enn 20 år.
Med økningen i lysstyrken til multimodus-halvlederlasere og evnen til å stabilisere den smale emitterlinjebredden med volum-Bragg-gittere (VBGs) i midten av 2000, ble den andre generasjonen av forbedret diodepumpeeffektivitet oppnådd. De svakere og spektralt smale absorpsjonsegenskapene rundt 880 nm har blitt hot spots for pumpedioder med høy lysstyrke. Disse diodene kan oppnå spektral stabilitet. Disse laserne med høyere ytelse kan direkte eksitere laserens øvre nivå 4F3/2 i silisium, og redusere kvantedefekter, og dermed forbedre utvinningen av høyere gjennomsnittlige fundamentale moduser som ellers ville vært begrenset av termiske linser.
I begynnelsen av 2010 har vi vært vitne til høyeffektskaleringstrenden til enkeltkryssmodus 1064nm-laseren og relaterte serier med frekvenskonverteringslasere som opererer i det synlige og ultrafiolette båndet. På grunn av lengre levetider med høy energitilstand til Nd:YAG og Nd:YVO4, gir disse DPSSL Q-svitsjeoperasjonene høy pulsenergi og toppeffekt, noe som gjør dem ideelle for ablativ materialbehandling og høypresisjonsmikromaskinering.
fiberoptisk laser. Fiberlasere gir en mer effektiv måte å konvertere lysstyrken til høyeffekts halvlederlasere. Selv om bølgelengdemultipleksert 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 som ble introdusert på 1990-tallet bruker enkeltmodusfibre omgitt av en multimoduskledning, noe som gjør det mulig å injisere halvlederpumpede lasere med høyere effekt og lavere kostnader effektivt inn i fiberen, og skaper en mer økonomisk måte å konvertere en høyeffekts halvlederlaser til en lysere laser. For ytterbium (Yb) dopede fibre, eksiterer pumpen en bred absorpsjon sentrert ved 915 nm eller et smalt bånd rundt 976 nm. Når pumpebølgelengden nærmer seg laserbølgelengden til fiberlaseren, reduseres såkalte kvantedefekter, og maksimerer dermed effektiviteten og minimerer mengden varmespredning.
Både fiberlasere og diodepumpede solid-state lasere er avhengige av forbedringer i diodelaserens lysstyrke. Generelt, ettersom lysstyrken til diodelasere fortsetter å forbedres, øker også andelen laserkraft som de pumper. Den økte lysstyrken til halvlederlasere letter mer effektiv lysstyrkekonvertering.
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 bølgelengdemultipleksing for direkte halvlederlaserapplikasjoner. Planen blir mulig.
Marked og applikasjon
Utviklingen av høyeffekts halvlederlasere har gjort mange viktige bruksområder mulig. Disse laserne har erstattet mange tradisjonelle teknologier og har implementert nye produktkategorier.
Med en 10-dobling i kostnad og ytelse per tiår, forstyrrer høyeffekts halvlederlasere den normale driften av markedet på uforutsigbare måter. Selv om det er vanskelig å forutsi fremtidige anvendelser nøyaktig, er det svært viktig å gjennomgå utviklingshistorien de siste tre tiårene og gi rammemuligheter for utviklingen av det neste tiåret (se figur 2).

Figur 2. Høyeffekt halvlederlaserlysstyrke drivstoffapplikasjon (standardiseringskostnad per watt lysstyrke)
1980-tallet: Optisk lagring og innledende nisjeapplikasjoner. Optisk lagring er den første storskalaapplikasjonen i halvlederlaserindustrien. Kort tid etter at Hall først viste den infrarøde halvlederlaseren, viste General Electrics Nick Holonyak også den første synlige røde halvlederlaseren. Tjue år senere ble kompaktplater (CDer) introdusert på markedet, etterfulgt av markedet for optisk lagring.
Den konstante innovasjonen av halvlederlaserteknologi har ført til utviklingen av optiske lagringsteknologier som digital versatile disc (DVD) og Blu-ray Disc (BD). Dette er det første store markedet for halvlederlasere, men generelt sett begrenser beskjedne kraftnivåer andre applikasjoner til relativt små nisjemarkeder som termisk utskrift, 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 til optiske nettverk og virkelig støtte veksten av Internett-data.
Bommen i telekommunikasjonsindustrien er vidtrekkende, og tar Spectra Diode Labs (SDL), en av de første pionerene innen høyeffekts 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, et av de største teknologioppkjøpene i historien. Like etter sprakk telekommunikasjonsboblen og ødela billioner av dollar med 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 høyeffekts halvlederlasere lagt grunnlaget for bredere bruk. Ettersom ytelsen og kostnadene øker, begynner disse laserne å erstatte tradisjonelle gasslasere eller andre energikonverteringskilder i en rekke prosesser.
Halvlederlasere har blitt et mye brukt verktøy. Industrielle anvendelser spenner fra tradisjonelle produksjonsprosesser som skjæring og lodding til nye avanserte produksjonsteknologier som additiv produksjon av 3D-trykte metalldeler. Mikroproduksjonsapplikasjoner er mer mangfoldige, ettersom nøkkelprodukter som smarttelefoner har blitt kommersialisert med disse laserne. Luftfarts- og forsvarsapplikasjoner involverer et bredt spekter av oppdragskritiske applikasjoner og vil sannsynligvis inkludere neste generasjons retningsbestemte energisystemer i fremtiden.
å oppsummere 
For mer enn 50 år siden foreslo ikke Moore en ny grunnleggende fysikklov, men gjorde store forbedringer av de integrerte kretsene som først ble studert for ti år siden. Profetien hans varte i flere tiår og brakte med seg en rekke forstyrrende innovasjoner som var utenkelige i 1965.
Da Hall demonstrerte halvlederlasere for mer enn 50 år siden, utløste det en teknologisk revolusjon. Som med Moores lov, kan ingen forutsi den høyhastighetsutviklingen som høyintensitets halvlederlasere oppnådd ved et stort antall innovasjoner senere vil gjennomgå.
Det er ingen grunnleggende regel i fysikk for å kontrollere disse teknologiske forbedringene, men kontinuerlige teknologiske fremskritt kan fremme laseren når det gjelder lysstyrke. Denne trenden vil fortsette å erstatte tradisjonelle teknologier, og dermed ytterligere endre måten ting utvikles på. Viktigere for økonomisk vekst, høyeffekts halvlederlasere vil også fremme fødselen av nye ting.