Миналото и бъдещето на високомощните полупроводникови лазери

Тъй като ефективността и мощността продължават да се увеличават, лазерните диоди ще продължат да заменят традиционните технологии, ще променят начина, по който се обработват нещата и ще стимулират раждането на нови неща.
Традиционно икономистите смятат, че технологичният прогрес е постепенен процес. Напоследък индустрията се фокусира повече върху разрушителни иновации, които могат да причинят прекъсвания. Тези иновации, известни като технологии с общо предназначение (GPT), са „дълбоко нови идеи или технологии, които могат да окажат голямо влияние върху много аспекти на икономиката“. Развитието на общата технология обикновено отнема няколко десетилетия и дори повече ще доведе до увеличаване на производителността. Отначало те не бяха добре разбрани. Дори след като технологията беше комерсиализирана, имаше дългосрочно забавяне в производственото приемане. Интегралните схеми са добър пример. Транзисторите са въведени за първи път в началото на 20 век, но са били широко използвани до късно вечерта.
Един от основателите на Закона на Мур, Гордън Мур, прогнозира през 1965 г., че полупроводниците ще се развиват с по-бързи темпове, „донасяйки популярност на електрониката и тласкайки тази наука в много нови области“. Въпреки смелите си и неочаквано точни прогнози, той е претърпял десетилетия на непрекъснато усъвършенстване, преди да постигне производителност и икономически растеж.
По същия начин, разбирането за драматичното развитие на високомощните полупроводникови лазери е ограничено. През 1962 г. индустрията за първи път демонстрира преобразуването на електрони в лазери, последвано от редица постижения, довели до значителни подобрения в преобразуването на електрони в лазерни процеси с висок добив. Тези подобрения могат да поддържат набор от важни приложения, включително оптично съхранение, оптични мрежи и широка гама от индустриални приложения.
Припомнянето на тези развития и многобройните подобрения, които те изведоха наяве, подчертаха възможността за по-голямо и по-широко разпространено въздействие върху много аспекти на икономиката. Всъщност, с непрекъснатото усъвършенстване на полупроводниковите лазери с висока мощност, обхватът на важни приложения ще се увеличи и ще има дълбоко въздействие върху икономическия растеж.
История на полупроводниковия лазер с висока мощност
На 16 септември 1962 г. екип, ръководен от Робърт Хол от General Electric, демонстрира инфрачервеното излъчване на полупроводници от галиев арсенид (GaAs), които имат "странни" интерферентни модели, което означава кохерентен лазер - раждането на първия полупроводников лазер. Първоначално Хол вярваше, че полупроводниковият лазер е "дълъг шанс", тъй като диодите, излъчващи светлина по това време, бяха много неефективни. В същото време той също беше скептичен по отношение на 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 GaAs светоизлъчващи диоди, разработени от лабораторията на MIT Lincoln. Впоследствие той каза, че е късметлия да може да тества с някои висококачествени GaAs материали и използва опита си като любител астроном, за да разработи начин за полиране на краищата на GaAs чипове, за да образува кухина.
Успешната демонстрация на Хол се основава на дизайна на отскачането на радиация напред и назад в интерфейса, а не на вертикалното отскачане. Той каза скромно, че на никой "не му е хрумвала тази идея". Всъщност дизайнът на Хол е по същество щастливо съвпадение, че полупроводниковият материал, образуващ вълновода, също има свойството да ограничава биполярните носители в същото време. В противен случай е невъзможно да се реализира полупроводников лазер. Чрез използване на различни полупроводникови материали може да се формира плоча вълновод за припокриване на фотони с носители.
Тези предварителни демонстрации в General Electric бяха голям пробив. Тези лазери обаче далеч не са практични устройства. За да се насърчи раждането на полупроводникови лазери с висока мощност, трябва да се реализира сливане на различни технологии. Ключовите технологични иновации започнаха с разбирането на полупроводниковите материали с директна забранена лента и техниките за растеж на кристали.
По-късните разработки включват изобретяването на лазери с двоен хетеропреход 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 пасивация на кухини, разсейване на топлината и технология за опаковане.
Яркост
Иновациите през последните няколко десетилетия доведоха до вълнуващи подобрения. По-специално подобрението на яркостта е отлично. През 1985 г. най-съвременният високомощен полупроводников лазер успя да свърже 105 миливата мощност във влакно със сърцевина от 105 микрона. Най-модерните високомощни полупроводникови лазери вече могат да произвеждат повече от 250 вата 105-микронно влакно с една дължина на вълната - 10-кратно увеличение на всеки осем години.

Мур замисля "фиксирането на повече компоненти към интегралната схема" - тогава броят на транзисторите на чип се увеличава с 10 пъти на всеки 7 години. По случайност полупроводниковите лазери с висока мощност включват повече фотони във влакното при подобни експоненциални скорости (вижте Фигура 1).

Фигура 1. Яркост на мощни полупроводникови лазери и сравнение със закона на Мур
Подобряването на яркостта на високомощните полупроводникови лазери насърчи развитието на различни непредвидени технологии. Въпреки че продължаването на тази тенденция изисква повече иновации, има причина да се смята, че иновациите на полупроводниковите лазерни технологии далеч не са завършени. Добре известната физика може допълнително да подобри работата на полупроводниковите лазери чрез непрекъснато технологично развитие.
Например, носителите за усилване на квантовата точка могат значително да повишат ефективността в сравнение с настоящите устройства с квантови кладенци. Яркостта на бавната ос предлага друг потенциал за подобряване на порядъка. Нови опаковъчни материали с подобрено съвпадение на топлината и разширението ще осигурят необходимите подобрения за непрекъснато регулиране на мощността и опростено управление на топлината. Тези ключови разработки ще осигурят пътна карта за развитието на високомощни полупроводникови лазери през следващите десетилетия.
Твърдотелни и оптични лазери с диодна помпа
Подобренията в полупроводниковите лазери с висока мощност направиха възможно разработването на лазерни технологии надолу по веригата; в лазерните технологии надолу по веригата полупроводниковите лазери се използват за възбуждане (изпомпване) на легирани кристали (твърдотелни лазери с диодна помпа) или легирани влакна (влакнести 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 подобряване на яркостта на лазерното излъчване.
Твърдотелни лазери с диодна помпа. В края на 80-те години на миналия век използването на полупроводникови лазери за изпомпване на твърдотелни лазери започна да набира популярност в търговски приложения. Твърдотелни лазери с диодна помпа (DPSSL) значително намаляват размера и сложността на системите за термично управление (главно рециркулационни охладители) и получават модули, които исторически комбинират дъгови лампи за изпомпване на твърди лазерни кристали.
Дължините на вълните на полупроводниковите лазери се избират въз основа на тяхното припокриване със спектралните абсорбционни свойства на усилващата среда на твърдотелния лазер; топлинният товар е значително намален в сравнение с широколентовия емисионен спектър на дъговата лампа. Поради популярността на 1064 nm базирани на германий лазери, дължината на вълната на помпата от 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 за стабилизиране на тясната ширина на емитерната линия с обемни брегови решетки (VBGs) в средата на 2000 г. беше постигнато второ поколение подобрена ефективност на диодно изпомпване. По-слабите и спектрално тесни характеристики на поглъщане около 880 nm са се превърнали в горещи точки за диоди с помпа с висока яркост. 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 по-високи средни основни режими, които иначе биха били ограничени от термични лещи.
До началото на 2010 г. станахме свидетели на тенденцията за мащабиране на висока мощност на лазера с единичен кръстосан режим 1064nm и свързаните с него серии лазери за преобразуване на честота, работещи във видимия и ултравиолетовия диапазон. Благодарение на по-дългия живот на Nd:YAG и Nd:YVO4 при високо енергийно състояние, тези DPSSL Q превключващи операции осигуряват висока импулсна енергия и пикова мощност, което ги прави идеални за аблативна обработка на материали и високопрецизни приложения за микрообработка.
фиброоптичен лазер. Влакнестите лазери осигуряват по-ефективен начин за преобразуване на яркостта на високомощните полупроводникови лазери. Въпреки че оптиката с мултиплексирана дължина на вълната може да преобразува полупроводников лазер с относително ниска яркост в по-ярък полупроводников лазер, това е за сметка на увеличената спектрална ширина и оптомеханична сложност. Влакнестите лазери са показали, че са особено ефективни при фотометрично преобразуване.
Влакната с двойна обвивка, въведени през 90-те години, използват едномодови влакна, заобиколени от многомодова обвивка, което позволява ефективно инжектиране във влакното с по-висока мощност и по-евтини многомодови полупроводникови лазери, създавайки по-икономичен начин за преобразуване на високомощен полупроводников лазер в по-ярък лазер. За влакна, легирани с итербий (Yb), помпата възбужда широко поглъщане, центрирано при 915 nm, или функция с тясна лента около 976 nm. Тъй като дължината на вълната на помпата се доближава до дължината на вълната на генерация на оптичния лазер, така наречените квантови дефекти се намаляват, като по този начин се максимизира ефективността и се минимизира количеството разсейване на топлината.
Както влакнестите лазери, така и твърдотелните 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 бъде необходима за бъдещи системи, които ще позволят ниско квантово изпомпване на дефекти с тесни абсорбционни характеристики в твърдотелни лазери и плътно мултиплексиране на дължина на вълната за директни полупроводникови лазерни приложения. Планът става възможен.
Пазар и приложение
Разработването на високомощни полупроводникови лазери направи възможни много важни приложения. Тези лазери замениха много традиционни технологии и внедриха нови продуктови категории.
С 10-кратно увеличение на цената и производителността на десетилетие, полупроводниковите лазери с висока мощност нарушават нормалното функциониране на пазара по непредвидими начини. Въпреки че е трудно да се предвидят точно бъдещи приложения, е много важно да се прегледа историята на развитието през последните три десетилетия и да се осигурят рамкови възможности за развитието на следващото десетилетие (вижте Фигура 2).

Фигура 2. Приложение на високомощно полупроводниково лазерно гориво за яркост (разходи за стандартизация на ват яркост)
1980: Оптично съхранение и първоначални нишови приложения. Оптичното съхранение е първото широкомащабно приложение в производството на полупроводникови лазери. Малко след като Хол за първи път показа инфрачервения полупроводников лазер, General Electrics Nick Holonyak също показа първия видим червен полупроводников лазер. Двадесет години по-късно компакт дисковете (CD) бяха представени на пазара, последвани от пазара за оптично съхранение.
Постоянните иновации на полупроводниковата лазерна технология доведоха до разработването на технологии за оптично съхранение, като цифров универсален диск (DVD) и Blu-ray Disc (BD). Това е първият голям пазар за полупроводникови лазери, но като цяло скромните нива на мощност ограничават други приложения до сравнително малки пазарни ниши, като термичен печат, медицински приложения и избрани аерокосмически и отбранителни приложения.
1990-те: Оптичните мрежи преобладават. През 90-те години полупроводниковите лазери се превърнаха в ключ към комуникационните мрежи. Полупроводниковите лазери се използват за предаване на сигнали през оптични мрежи, но помпените лазери с по-голяма мощност за оптични усилватели са от решаващо значение за постигане на мащаб на оптичните мрежи и истинска подкрепа за растежа на интернет данните.
Бумът на телекомуникационната индустрия, предизвикан от него, е широкообхватен, като вземем за пример Spectra Diode Labs (SDL), един от първите пионери в производството на високомощни полупроводникови лазери. 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 приблизително 100 милиона долара. Пет години по-късно SDL беше продадена на JDSU за повече от 40 милиарда долара по време на пика на телекомуникационната индустрия, едно от най-големите технологични придобивания в историята. Скоро след това телекомуникационният балон се спука и унищожи трилиони долари капитал, сега смятан за най-големия балон в историята.
2000-те: Лазерите се превърнаха в инструмент. Въпреки че спукването на балона на телекомуникационния пазар е изключително разрушително, огромната инвестиция в полупроводникови лазери с висока мощност постави основата за по-широко приемане. С нарастването на производителността и разходите тези лазери започват да заместват традиционните газови лазери или други източници на преобразуване на енергия в различни процеси.
Полупроводниковите лазери се превърнаха в широко използван инструмент. Индустриалните 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. Аерокосмическите и отбранителните приложения включват широк спектър от критични за мисията приложения и вероятно ще включват следващо поколение насочени енергийни системи в бъдеще.
да обобщим 
Преди повече от 50 години Мур не предложи нов основен закон на физиката, но направи големи подобрения на интегралните схеми, които бяха изследвани за първи път преди десет години. Неговото пророчество продължи десетилетия и донесе със себе си серия от разрушителни иновации, 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 претърпят полупроводниковите лазери с висок интензитет, постигнати чрез голям брой иновации.
Няма фундаментално правило във физиката, 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 ще промени начина, по който нещата се развиват. По-важното за икономическия растеж е, че мощните полупроводникови лазери също ще насърчат раждането на нови неща.