Миналото и бъдещето на полупроводниковите лазери с висока мощност

Тъй като ефективността и мощността продължават да се увеличават, лазерните диоди ще продължат да заменят традиционните технологии, да променят начина на работа с нещата и да стимулират раждането на нови неща.
Традиционно икономистите смятат, че технологичният прогрес е постепенен процес. Напоследък индустрията се фокусира повече върху разрушителните иновации, които могат да причинят прекъсвания. Тези иновации, известни като технологии с общо предназначение (GPT), са „дълбоки нови идеи или технологии, които могат да окажат голямо влияние върху много аспекти на икономиката“. Разработването на общите технологии обикновено отнема няколко десетилетия и дори по-дълго ще доведе до увеличаване на производителността. Отначало те не бяха добре разбрани. Дори след като технологията беше комерсиализирана, имаше дългосрочно изоставане в приемането на производството. Интегралните схеми са добър пример. Транзисторите бяха представени за първи път в началото на 20-ти век, но те бяха широко използвани до късно вечерта.
Един от основателите на закона на Мур, Гордън Мур, прогнозира през 1965 г., че полупроводниците ще се развиват по-бързо, „донасяйки популярността на електрониката и тласкайки тази наука в много нови области“. Въпреки смелите си и неочаквано точни прогнози, той е претърпял десетилетия непрекъснато подобрение, преди да постигне производителност и икономически растеж.
По подобен начин разбирането за драматичното развитие на полупроводниковите лазери с висока мощност е ограничено. През 1962 г. индустрията за първи път демонстрира превръщането на електроните в лазери, последвано от редица аванси, които доведоха до значителни подобрения в превръщането на електроните във високодоходни лазерни процеси. Тези подобрения могат да поддържат редица важни приложения, включително оптично съхранение, оптични мрежи и широк спектър от индустриални приложения.
Припомнянето на тези развития и многобройните подобрения, които те разкриха, подчертаха възможността за по-голямо и по-широко въздействие върху много аспекти на икономиката. Всъщност, с непрекъснатото подобряване на полупроводниковите лазери с голяма мощност, обхватът на важните приложения ще се увеличи и ще окаже дълбоко влияние върху икономическия растеж.
История на полупроводникови лазери с голяма мощност
На 16 септември 1962 г. екип, ръководен от Робърт Хол на General Electric, демонстрира инфрачервеното излъчване на полупроводници от галиев арсенид (GaAs), които имат „странни“ интерференционни модели, което означава кохерентност Лазер - раждането на първия полупроводников лазер. Първоначално Хол вярваше, че полупроводниковият лазер е „дълъг изстрел“, тъй като излъчващите светлина диоди по това време са били много неефективни. В същото време той също беше скептичен към това, тъй като лазерът, който беше потвърден преди две години и вече съществува, изисква „фино огледало“.
През лятото на 1962 г. Хале каза, че е шокиран от по-ефективните светодиоди GaAs, разработени от лабораторията MIT Lincoln. Впоследствие той каза, че има щастието да може да тества с някои висококачествени GaAs материали и използва опита си като аматьор аматьор, за да разработи начин за полиране на ръбовете на GaAs чипове, за да образува кухина.
Успешната демонстрация на Хол се основава на дизайна на радиационните отскоци напред-назад по интерфейса, а не на вертикалния отскок. Той каза скромно, че никой „случайно не е измислил тази идея“. Всъщност дизайнът на Хол по същество е щастливо съвпадение, че полупроводниковият материал, образуващ вълновода, също има свойството да ограничава едновременно биполярни носители. В противен случай е невъзможно да се реализира полупроводников лазер. Чрез използване на различни полупроводникови материали може да се оформи плоча вълновод, която да припокрива фотоните с носители.
Тези предварителни демонстрации в General Electric бяха голям пробив. Тези лазери обаче далеч не са практически устройства. За да се насърчи раждането на мощни полупроводникови лазери, трябва да се осъществи синтез на различни технологии. Основните технологични иновации започнаха с разбирането на полупроводниковите материали с директна лента и техниките за растеж на кристали.
По-късните разработки включват изобретението на двойни хетеропреходни лазери и последващото развитие на лазери с квантови ямки. Ключът към по-нататъшното подобряване на тези основни технологии се крие в подобряването на ефективността и развитието на пасивирането на кухини, разсейването на топлината и технологията на опаковане.
Яркост
Иновациите през последните няколко десетилетия доведоха до вълнуващи подобрения. По-специално подобрението на яркостта е отлично. През 1985 г. най-съвременният полупроводников лазер с висока мощност успя да свърже 105 миливата мощност в 105-микронно ядро ​​влакно. Най-модерните полупроводникови лазери с висока мощност вече могат да произвеждат повече от 250 вата 105-микронни влакна с една дължина на вълната - 10-кратно увеличение на всеки осем години.

Мур е замислил да „фиксира повече компоненти към интегралната схема“ - тогава броят на транзисторите на чип се увеличава с 10 пъти на всеки 7 години. По съвпадение, полупроводниковите лазери с висока мощност включват повече фотони във влакното с подобни експоненциални скорости (вж. Фигура 1).

Фигура 1. Яркост на мощни полупроводникови лазери и сравнение със закона на Мур
Подобряването на яркостта на полупроводниковите лазери с висока мощност насърчи развитието на различни непредвидени технологии. Въпреки че продължаването на тази тенденция изисква повече иновации, има основания да се смята, че иновациите на полупроводниковите лазерни технологии далеч не са завършени. Известната физика може допълнително да подобри работата на полупроводниковите лазери чрез непрекъснато технологично развитие.
Например, среда за усилване на квантови точки може значително да увеличи ефективността в сравнение с настоящите устройства с квантови ямки. Яркостта на бавна ос предлага друг потенциал за подобряване на величината. Новите опаковъчни материали с подобрено термично и разширено съвпадение ще осигурят подобренията, необходими за непрекъснато регулиране на мощността и опростено управление на топлината. Тези ключови разработки ще осигурят пътна карта за развитието на полупроводникови лазери с голяма мощност през следващите десетилетия.
Твърдотелни и влакнести лазери с диодна помпа
Подобренията в полупроводниковите лазери с висока мощност направиха възможно развитието на лазерни технологии надолу по веригата; в лазерните технологии надолу по веригата се използват полупроводникови лазери за възбуждане (изпомпване) на легирани кристали (диодни изпомпвани твърдотелни лазери) или легирани влакна (влакна лазери).
Въпреки че полупроводниковите лазери осигуряват високоефективна и евтина лазерна енергия, има две ключови ограничения: те не съхраняват енергия и тяхната яркост е ограничена. По принцип тези два лазера трябва да се използват за много приложения: единият за преобразуване на електричеството в лазерно излъчване, а другият за повишаване на яркостта на лазерното излъчване.
Твърдотелни лазери с диодна помпа. В края на 80-те години използването на полупроводникови лазери за изпомпване на твърдотелни лазери започва да набира популярност в търговските приложения. Твърдотелни лазери с диодна помпа (DPSSL) значително намаляват размера и сложността на системите за управление на топлината (главно рециркулиращи охладители) и получават модули, които в миналото са комбинирали дъгови лампи за изпомпване на лазерни кристали в твърдо състояние.
Дължините на вълните на полупроводниковите лазери се избират въз основа на припокриването им със спектралните абсорбционни свойства на полупроводниковата лазерна печалба; топлинното натоварване е значително намалено в сравнение с широколентовия спектър на излъчване на дъговата лампа. Поради популярността на 1064 nm лазери, базирани на германий, дължината на вълната на помпата 808 nm се превърна в най-голямата дължина на вълната в полупроводниковите лазери за повече от 20 години.
С увеличаването на яркостта на многомодовите полупроводникови лазери и способността да се стабилизира тесната ширина на линията на емитер с обемни решетки на Bragg (VBG) в средата на 2000 г., беше постигнато второто поколение подобрена ефективност на изпомпване на диоди. По-слабите и спектрално тесни характеристики на поглъщане около 880 nm се превърнаха в горещи точки за диоди с висока яркост на помпата. Тези диоди могат да постигнат спектрална стабилност. Тези лазери с по-висока производителност могат директно да възбудят горното ниво на лазера 4F3 / 2 в силиций, намалявайки квантовите дефекти, като по този начин подобряват извличането на основните средни режими с по-висока средна стойност, които иначе биха били ограничени от термични лещи.
До началото на 2010 г. станахме свидетели на тенденцията на мащабиране с висока мощност на 1064nm лазер с един кръстосан режим и свързаните с него лазери за преобразуване на честота, работещи във видимите и ултравиолетовите ленти. Поради по-дългия живот на състоянието с високо енергийно състояние на Nd: YAG и Nd: YVO4, тези DPSSL Q превключващи операции осигуряват висока импулсна енергия и върхова мощност, което ги прави идеални за обработка на аблативен материал и приложения с висока прецизна микрообработка
оптичен лазер. Фибровите лазери осигуряват по-ефективен начин за преобразуване на яркостта на полупроводниковите лазери с висока мощност. Въпреки че мултиплексираната с дължина на вълната оптика може да преобразува относително ниско осветения полупроводников лазер в по-ярък полупроводников лазер, това е за сметка на увеличената спектрална ширина и оптимеханичната сложност. Доказано е, че влакнестите лазери са особено ефективни при фотометрично преобразуване.
Двойно облицованите влакна, въведени през 90-те години, използват едномодови влакна, заобиколени от многомодова облицовка, което позволява многоелектрични полупроводникови помпени лазери с по-голяма мощност да бъдат ефективно инжектирани във влакното, създавайки по-икономичен начин за преобразуване на мощен полупроводников лазер в по-ярък лазер. За легирани с итербий (Yb) влакна помпата възбужда широка абсорбция, центрирана при 915 nm или теснолентова характеристика около 976 nm. Тъй като дължината на вълната на помпата се приближава до дължината на вълната на лазерното влакно, така наречените квантови дефекти се намаляват, като по този начин се увеличава ефективността и минимизира количеството на разсейване на топлината.
Както влакнестите лазери, така и полупроводниковите лазери с диодна помпа разчитат на подобрения в яркостта на диодния лазер. Като цяло, тъй като яркостта на диодните лазери продължава да се подобрява, делът на лазерната мощност, която те изпомпват, също се увеличава. Повишената яркост на полупроводниковите лазери улеснява по-ефективното преобразуване на яркостта.
Както бихме очаквали, пространствената и спектралната яркост ще са необходими за бъдещи системи, които ще позволят изпомпване с ниски квантови дефекти с тесни характеристики на поглъщане в твърдотелни лазери и мултиплексиране с плътна дължина на вълната за директни полупроводникови лазерни приложения. Планът става възможен.
Пазар и приложение
Разработването на мощни полупроводникови лазери направи възможно много важни приложения. Тези лазери замениха много традиционни технологии и внедриха нови категории продукти.
С 10-кратно увеличение на разходите и производителността на десетилетие, полупроводниковите лазери с висока мощност нарушават нормалната работа на пазара по непредсказуеми начини. Въпреки че е трудно да се предскажат точно бъдещи приложения, много е важно да се направи преглед на историята на развитието през последните три десетилетия и да се предоставят рамкови възможности за развитието на следващото десетилетие (вж. Фигура 2).

Фигура 2. Прилагане на гориво от полупроводникова лазерна яркост с висока мощност (разходи за стандартизация на яркост ват)
1980-те: Оптично съхранение и първоначални нишови приложения. Оптичното съхранение е първото широкомащабно приложение в индустрията на полупроводникови лазери. Малко след като Хол за пръв път показа инфрачервения полупроводников лазер, General Electrics Ник Холоняк показа и първия видим червен полупроводников лазер. Двадесет години по-късно на пазара бяха представени компакт дискове (CD), последвани от пазара на оптични хранилища.
Постоянните иновации на полупроводниковите лазерни технологии доведоха до развитието на оптични технологии за съхранение като цифрови универсални дискове (DVD) и Blu-ray дискове (BD). Това е първият голям пазар за полупроводникови лазери, но като цяло умерените нива на мощност ограничават други приложения до относително малки пазарни ниши като термопечат, медицински приложения и избрани аерокосмически и отбранителни приложения.
90-те години: Преобладават оптичните мрежи. През 90-те години полупроводниковите лазери станаха ключът към комуникационните мрежи. Полупроводниковите лазери се използват за предаване на сигнали по оптични мрежи, но по-мощните едномодови помпени лазери за оптични усилватели са от решаващо значение за постигане на мащаб на оптичните мрежи и наистина подпомагат растежа на интернет данните.
Бумът на телекомуникационната индустрия, донесен от нея, е далеч, като за пример вземаме Spectra Diode Labs (SDL), един от първите пионери в индустрията на полупроводникови лазери с висока мощност. Основана през 1983 г., SDL е съвместно предприятие между лазерните марки на Newport Group Spectra-Physics и Xerox. Стартира през 1995 г. с пазарна капитализация от около 100 милиона долара. Пет години по-късно SDL е продаден на JDSU за повече от 40 милиарда долара по време на върха на телекомуникационната индустрия, едно от най-големите технологични придобивания в историята. Скоро след това телекомуникационният балон се спука и унищожи трилиони долари капитал, който сега се разглежда като най-големият балон в историята.
2000-те: Лазерите се превърнаха в инструмент. Въпреки че избухването на балона на телекомуникационния пазар е изключително разрушително, огромната инвестиция в мощни полупроводникови лазери постави основата за по-широко приемане. С увеличаване на производителността и разходите тези лазери започват да заменят традиционните газови лазери или други източници на преобразуване на енергия в различни процеси.
Полупроводниковите лазери се превърнаха в широко използван инструмент. Промишлените приложения варират от традиционни производствени процеси като рязане и запояване до нови усъвършенствани производствени технологии като адитивно производство на 3D отпечатани метални части. Приложенията за микропроизводство са по-разнообразни, тъй като ключови продукти като смартфони са комерсиализирани с тези лазери. Авиокосмическите и отбранителните приложения включват широк спектър от критично важни приложения и вероятно ще включват насочени енергийни системи от следващо поколение в бъдеще.
да обобщим
Преди повече от 50 години Мур не предложи нов основен закон на физиката, но направи големи подобрения в интегралните схеми, които бяха изследвани за първи път преди десет години. Неговото пророчество продължи десетилетия и донесе със себе си поредица от разрушителни нововъведения, които бяха немислими през 1965 г.
Когато Хол демонстрира полупроводникови лазери преди повече от 50 години, това предизвика технологична революция. Както при закона на Мур, никой не може да предвиди високоскоростното развитие, на което впоследствие ще се подложат полупроводникови лазери с висока интензивност, постигнати от голям брой нововъведения.
Във физиката няма основно правило, което да контролира тези технологични подобрения, но непрекъснатият технологичен напредък може да подобри лазера по отношение на яркостта. Тази тенденция ще продължи да замества традиционните технологии, като по този начин допълнително променя начина на развитие на нещата. По-важно за икономическия растеж, мощните полупроводникови лазери също ще насърчат раждането на нови неща.