Profesinės žinios

Didelės galios puslaidininkinių lazerių praeitis ir ateitis

2021-04-12
Kai efektyvumas ir galia toliau didėja, lazeriniai diodai ir toliau pakeis tradicines technologijas, pakeis dalykų tvarkymą ir paskatins naujų dalykų gimimą.
Tradiciškai ekonomistai mano, kad technologinė pažanga yra laipsniškas procesas. Pastaruoju metu pramonė daugiau dėmesio skyrė trikdančioms naujovėms, kurios gali sukelti pertraukas. Šios naujovės, žinomos kaip bendrosios paskirties technologijos (GPT), yra „naujos gilios idėjos ar technologijos, kurios gali turėti didelį poveikį daugeliui ekonomikos aspektų“. Bendrųjų technologijų kūrimas paprastai užtrunka kelis dešimtmečius, o dar ilgiau padidins produktyvumą. Iš pradžių jie nebuvo gerai suprantami. Net ir po to, kai ši technologija buvo komercializuota, ilgą laiką vėlavo gamyba. Integruotas grandynas yra geras pavyzdys. Tranzistoriai pirmą kartą buvo pristatyti 20 amžiaus pradžioje, tačiau jie buvo plačiai naudojami iki vėlaus vakaro.
Vienas iš Moore'o įstatymų įkūrėjų Gordonas Moore'as 1965-aisiais prognozavo, kad puslaidininkiai vystysis sparčiau, „atnešdami elektronikos populiarumą ir pastūmėdami šį mokslą į daugybę naujų sričių“. Nepaisant drąsių ir netikėtai tikslių prognozių, jis dešimtmečius nuolat tobulėjo, kol pasiekė produktyvumą ir ekonomikos augimą.
Panašiai yra ribotas supratimas apie didelės galios puslaidininkinių lazerių dramatišką plėtrą. 1962 m. Pramonė pirmą kartą parodė elektronų pavertimą lazeriais, o po to įvyko daugybė pažangos, leidusių žymiai pagerinti elektronų konversiją į didelio našumo lazerinius procesus. Šie patobulinimai gali padėti daugybei svarbių programų, įskaitant optinę atmintį, optinius tinklus ir platų pramoninių pritaikymų spektrą.
Prisimindami šiuos įvykius ir daugybę jų atskleistų patobulinimų, išryškėjo didesnio ir platesnio poveikio galimybė daugeliui ekonomikos aspektų. Tiesą sakant, nuolat tobulinant didelės galios puslaidininkinius lazerius, svarbių programų apimtys padidės ir turės didelę įtaką ekonomikos augimui.
Didelės galios puslaidininkių lazerių istorija
1962 m. Rugsėjo 16 d. „General Electric“ Roberto Hallo vadovaujama komanda pademonstravo infraraudonųjų spindulių galio arsenido (GaAs) puslaidininkių emisiją, turinčią „keistus“ trukdžių modelius, reiškiančius darną „Laser“ - pirmojo puslaidininkio lazerio gimimą. Iš pradžių Hallas manė, kad puslaidininkinis lazeris yra „tolimas smūgis“, nes tuo metu šviesos diodai buvo labai neefektyvūs. Tuo pat metu jis skeptiškai vertino tai, nes prieš dvejus metus patvirtintam ir jau egzistuojančiam lazeriui reikalingas „puikus veidrodis“.
1962 m. Vasarą Halle pasakė, kad jį sukrėtė efektyvesni „GaAs“ šviesos diodai, sukurti MIT Linkolno laboratorijos. Vėliau jis sakė, kad jam pasisekė, kad jis galėjo išbandyti kai kurias aukštos kokybės GaAs medžiagas, ir naudodamasis astronomo mėgėjų patirtimi sukūrė būdą, kaip poliruoti GaAs lustų kraštus, kad susidarytų ertmė.
Sėkminga Hallo demonstracija grindžiama radiacijos, nukreiptos sąsajoje, sukimu pirmyn ir atgal, o ne vertikaliu smūgiu. Jis kukliai sakė, kad niekas „neatsitiko sugalvojęs šios idėjos“. Tiesą sakant, Hallo dizainas iš esmės yra laimingas sutapimas, kad bangolaidį formuojanti puslaidininkinė medžiaga taip pat turi savybę tuo pačiu metu apriboti bipolinius nešiklius. Priešingu atveju neįmanoma realizuoti puslaidininkio lazerio. Naudojant skirtingas puslaidininkines medžiagas, galima suformuoti plokščių bangolaidį, kuris fotonus persidengtų su nešikliais.
Šios preliminarios „General Electric“ demonstracijos buvo didelis proveržis. Tačiau šie lazeriai toli gražu nėra praktiški prietaisai. Norint skatinti didelio galingumo puslaidininkinių lazerių gimimą, reikia suprasti skirtingų technologijų sintezę. Pagrindinės technologinės naujovės prasidėjo supratimu apie tiesiogines juostos juostos puslaidininkių medžiagas ir kristalų auginimo metodikas.
Vėlesni pokyčiai apėmė dvigubų heterojunkcinių lazerių išradimą ir tolesnį kvantinių šulinių lazerių kūrimą. Raktas toliau tobulinant šias pagrindines technologijas yra efektyvumo didinimas ir ertmės pasyvavimo, šilumos išsklaidymo ir pakavimo technologijos plėtra.
Ryškumas
Inovacijos per pastaruosius kelis dešimtmečius davė įdomių patobulinimų. Visų pirma, ryškumas pagerėja puikiai. 1985 m. Pažangiausias didelės galios puslaidininkinis lazeris sugebėjo susieti 105 milivatų galią į 105 mikronų šerdies pluoštą. Pažangiausi didelės galios puslaidininkiniai lazeriai dabar gali pagaminti daugiau kaip 250 vatų 105 mikronų pluošto su vienu bangos ilgiu - kas aštuonerius metus padidėja 10 kartų.

Moore'as sumanė „pritvirtinti daugiau komponentų prie integrinės grandinės“ - tada tranzistorių skaičius vienoje mikroschemoje kas 7 metus padidėjo 10 kartų. Taip sutapo, kad didelės galios puslaidininkiniai lazeriai į skaidulą įtraukia daugiau fotonų panašiais eksponentiniais greičiais (žr. 1 pav.).

1 pav. Didelio galingumo puslaidininkinių lazerių ryškumas ir palyginimas su Moore'o dėsniu
Patobulintas didelės galios puslaidininkinių lazerių ryškumas paskatino įvairių nenumatytų technologijų plėtrą. Nors šios tendencijos tęsimas reikalauja daugiau naujovių, yra pagrindo manyti, kad puslaidininkinių lazerių technologijos naujovės dar toli gražu nėra baigtos. Gerai žinoma fizika gali toliau gerinti puslaidininkių lazerių veikimą nuolat tobulinant technologijas.
Pavyzdžiui, kvantinių taškų padidinimo terpė gali žymiai padidinti efektyvumą, palyginti su dabartiniais kvantinių šulinių įtaisais. Lėtas ašies ryškumas suteikia dar vieną didinimo laipsnį. Naujos pakavimo medžiagos su patobulinta šilumine ir išsiplėtimo savybėmis suteiks patobulinimų, reikalingų nuolatiniam galios reguliavimui ir supaprastintam šilumos valdymui. Šie pagrindiniai pokyčiai pateiks didelės galios puslaidininkinių lazerių kūrimo planą ateinančiais dešimtmečiais.
Diodiniai pumpuoti kietojo kūno ir pluošto lazeriai
Patobulinus didelės galios puslaidininkinius lazerius, buvo galima plėtoti tolesnes lazerių technologijas; pasrovinių lazerių technologijose puslaidininkiniai lazeriai naudojami sužadinti (pumpuoti) legiruotus kristalus (diodu pumpuojamus kietojo kūno lazerius) arba legiruotus pluoštus (pluošto lazerius).
Nors puslaidininkiniai lazeriai teikia didelio efektyvumo ir nebrangią lazerio energiją, yra du pagrindiniai apribojimai: jie nesukaupia energijos ir jų ryškumas yra ribotas. Iš esmės šiuos du lazerius reikia naudoti daugybei programų: vienas elektros energijai paversti lazerio spinduliuote, o kitas - lazerio spinduliuotės ryškumui padidinti.
Diodiniai pumpuoti kietojo kūno lazeriai. Devintojo dešimtmečio pabaigoje puslaidininkinių lazerių naudojimas kietojo kūno lazeriams pumpuoti pradėjo populiarėti komercinėse programose. Diodiniai pumpuoti kietojo kūno lazeriai (DPSSL) labai sumažina šilumos valdymo sistemų (daugiausia recirkuliuojančių aušintuvų) dydį ir sudėtingumą ir gauna modulius, kuriuose istoriškai sujungtos lankinės lempos kietojo kūno lazerių kristalams pumpuoti.
Puslaidininkinių lazerių bangos ilgiai parenkami atsižvelgiant į jų sutapimą su kietojo kūno lazerio stiprinimo terpės spektro absorbcijos savybėmis; šilumos apkrova yra žymiai sumažinta, palyginti su lanko lempos plačiajuosčio spinduliavimo spektru. Dėl 1064 nm germanio pagrindu pagamintų lazerių populiarumo 808 nm siurblio bangos ilgis tapo didžiausiu puslaidininkinių lazerių bangos ilgiu daugiau nei 20 metų.
2000 m. Viduryje padidėjus daugiamodžių puslaidininkinių lazerių ryškumui ir sugebėjus stabilizuoti siaurą spinduolio linijos plotį tūrio Bragg grotomis (VBG), buvo pasiekta antroji patobulinto diodų siurbimo efektyvumo karta. Silpnesnės ir spektriškai siauros absorbcijos savybės, esančios apie 880 nm, tapo karšto taško didelio ryškumo siurblių diodams. Šie diodai gali pasiekti spektrinį stabilumą. Šie didesnio našumo lazeriai gali tiesiogiai sužadinti lazerio viršutinį 4F3 / 2 lygį silicyje, sumažindami kvantinius defektus ir taip pagerindami aukštesnių vidutinių pagrindinių režimų, kuriuos kitaip ribotų terminiai lęšiai, ištraukimą.
Iki 2010 m. Pradžios matėme vieno kryžminio režimo 1064 nm lazerio ir susijusių dažnio keitimo lazerių, veikiančių matomoje ir ultravioletinėje juostoje, didelio galingumo mastelio keitimo tendenciją. Dėl ilgesnio didelės energijos būsenos Nd: YAG ir Nd: YVO4 gyvenimo trukmės, šios DPSSL Q perjungimo operacijos suteikia didelę impulsų energiją ir didžiausią galią, todėl yra idealiai tinkamos abliacinei medžiagai apdoroti ir didelio tikslumo mikromechaninėms programoms.
šviesolaidinis lazeris. Skaiduliniai lazeriai yra efektyvesnis būdas konvertuoti didelės galios puslaidininkių lazerių ryškumą. Nors bangos ilgio multipleksuota optika gali palyginti mažo apšvietimo puslaidininkinį lazerį paversti ryškesniu puslaidininkiniu lazeriu, tai daroma dėl padidėjusio spektro pločio ir optomechaninio sudėtingumo. Įrodyta, kad pluoštiniai lazeriai yra ypač efektyvūs fotometrinėje konversijoje.
Dešimtajame dešimtmetyje įvestose dvigubai plakiruotose skaidulose naudojami vienmodžiai pluoštai, apsupti daugiamodžio apvalkalo, leidžiantys efektyviau į pluoštą įpurkšti didesnės galios, pigesnius daugiamodžius puslaidininkinius siurblius. Tai sukuria ekonomiškesnį būdą konvertuoti didelės galios puslaidininkinį lazerį į ryškesnį lazerį. Ytterbio (Yb) legiruotiems pluoštams siurblys sužadina plačią absorbciją, kurios centras yra ties 915 nm, arba siaurą juostą, esančią aplink 976 nm. Kai siurblio bangos ilgis artėja prie pluošto lazerio lazerio bangos ilgio, vadinamieji kvantiniai defektai sumažėja, taip maksimaliai padidinant efektyvumą ir sumažinant šilumos išsklaidymo kiekį.
Tiek pluošto lazeriai, tiek kietojo kūno lazeriai, paremti diodų lazeriu, remiasi diodinių lazerių ryškumo pagerėjimais. Apskritai, didėjant diodinių lazerių ryškumui, didėja ir lazerio galios dalis, kurią jie pumpuoja. Padidėjęs puslaidininkinių lazerių ryškumas palengvina efektyvesnį ryškumo keitimą.
Kaip ir tikėtumėmės, būsimoms sistemoms bus reikalingas erdvinis ir spektrinis ryškumas, o tai leis mažo kvantinio defekto pumpavimą su siauromis absorbcijos charakteristikomis kietojo kūno lazeriuose ir tankų bangos ilgio tankinimą tiesioginiams puslaidininkiniams lazeriams. Planas tampa įmanomas.
Rinka ir taikymas
Sukūrę didelės galios puslaidininkinius lazerius, tapo įmanoma daug svarbių programų. Šie lazeriai pakeitė daugelį tradicinių technologijų ir įdiegė naujas produktų kategorijas.
Dešimt kartų padidėjus savikainai ir našumui per dešimtmetį, didelės galios puslaidininkiniai lazeriai nenuspėjamais būdais sutrikdo įprastą rinkos veikimą. Nors sunku tiksliai numatyti būsimas programas, labai svarbu apžvelgti pastarųjų trijų dešimtmečių vystymosi istoriją ir pateikti pagrindines ateinančio dešimtmečio plėtros galimybes (žr. 2 pav.).

2 paveikslas. Didelės galios puslaidininkių lazerio ryškumo degalų naudojimas (standartizavimo kaina už vatų ryškumą)
1980-ieji: optinis saugojimas ir pradinės nišos programos. Optinis kaupimas yra pirmasis plataus masto pritaikymas puslaidininkinių lazerių pramonėje. Netrukus po to, kai Hallas pirmą kartą parodė infraraudonųjų spindulių puslaidininkinį lazerį, „General Electrics“ Nickas Holonyakas taip pat parodė pirmąjį matomą raudoną puslaidininkinį lazerį. Praėjus dvidešimčiai metų, rinkai buvo pristatyti kompaktiniai diskai (CD), o vėliau - optinių laikmenų rinka.
Nuolatinės puslaidininkinių lazerių technologijos naujovės paskatino optinių laikymo technologijų, tokių kaip skaitmeninis universalus diskas (DVD) ir „Blu-ray“ diskas (BD), plėtrą. Tai yra pirmoji didelė puslaidininkinių lazerių rinka, tačiau paprastai kuklus galios lygis riboja kitas programas, palyginti su nedidelėmis nišos rinkomis, tokiomis kaip terminis spausdinimas, medicininė paskirtis, pasirinktos aviacijos ir gynybos programos.
1990-ieji: vyrauja optiniai tinklai. Dešimtajame dešimtmetyje puslaidininkiniai lazeriai tapo raktu į ryšių tinklus. Puslaidininkiniai lazeriai naudojami signalams perduoti šviesolaidiniais tinklais, tačiau didesnės galios vienmodžiai optinių stiprintuvų lazeriai yra labai svarbūs norint pasiekti optinių tinklų mastą ir tikrai palaikyti interneto duomenų augimą.
Jo sukeltas telekomunikacijų pramonės bumas yra toli siekiantis, pavyzdžiu imant „Spectra Diode Labs“ (SDL), vieną pirmųjų didelės galios puslaidininkinių lazerių pramonės pradininkų. Įkurta 1983 m., SDL yra bendra „Newport Group“ lazerinių prekių ženklų „Spectra-Physics“ ir „Xerox“ įmonė. Ji buvo paleista 1995 m., Jos rinkos kapitalizacija buvo maždaug 100 mln. USD. Po penkerių metų telekomunikacijų pramonės piko metu SDL buvo parduotas JDSU už daugiau nei 40 milijardų dolerių - vieną didžiausių technologijų įsigijimų istorijoje. Netrukus telekomunikacijų burbulas sprogo ir sunaikino trilijonus dolerių kapitalo, kuris dabar laikomas didžiausiu burbulu istorijoje.
2000-ieji: lazeriai tapo įrankiu. Nors sprogęs telekomunikacijų rinkos burbulas yra labai žalingas, didžiulės investicijos į didelės galios puslaidininkinius lazerius padėjo pagrindą platesniam pritaikymui. Didėjant našumui ir kainai, šie lazeriai įvairiais procesais pradeda pakeisti tradicinius dujų lazerius ar kitus energijos konversijos šaltinius.
Puslaidininkiniai lazeriai tapo plačiai naudojamu įrankiu. Pramonės taikymo sritis - nuo tradicinių gamybos procesų, tokių kaip pjovimas ir litavimas, iki naujų pažangių gamybos technologijų, tokių kaip 3D spausdintų metalinių dalių priedų gamyba. Mikro gamybos programos yra įvairesnės, nes pagrindiniai produktai, tokie kaip išmanieji telefonai, buvo parduodami naudojant šiuos lazerius. Aviacijos ir kosminės erdvės taikymas apima daugybę kritiškai svarbių programų ir ateityje greičiausiai apims naujos kartos kryptines energijos sistemas.
apibendrinti
Daugiau nei prieš 50 metų Moore'as nepasiūlė naujo pagrindinio fizikos dėsnio, tačiau labai patobulino integruotąsias grandines, kurios pirmą kartą buvo ištirtos prieš dešimt metų. Jo pranašystė tęsėsi dešimtmečius ir atnešė daugybę trikdančių naujovių, kurios buvo neįsivaizduojamos 1965 m.
Kai Halas prieš daugiau nei 50 metų demonstravo puslaidininkinius lazerius, tai sukėlė technologinę revoliuciją. Kaip ir pagal Moore'o įstatymą, niekas negali numatyti spartaus vystymosi, kurį vėliau atliks didelio intensyvumo puslaidininkiniai lazeriai, pasiekti daugybe naujovių.
Fizikoje nėra pagrindinės taisyklės, leidžiančios kontroliuoti šiuos technologinius patobulinimus, tačiau nuolatinė technologinė pažanga gali pagerinti lazerio ryškumą. Ši tendencija ir toliau pakeis tradicines technologijas, taip toliau keisdama dalykų raidą. Ekonomikos augimui svarbesni didelės galios puslaidininkiniai lazeriai taip pat paskatins naujų dalykų gimimą.


We use cookies to offer you a better browsing experience, analyze site traffic and personalize content. By using this site, you agree to our use of cookies. Privacy Policy
Reject Accept