Didelės galios puslaidininkinių lazerių praeitis ir ateitis

Didėjant efektyvumui ir galiai, lazeriniai diodai ir toliau pakeis tradicines technologijas, keis tvarkymą ir skatins naujų dalykų gimimą.
Tradiciškai ekonomistai mano, kad technologinė pažanga yra laipsniškas procesas. Pastaruoju metu pramonė daugiau dėmesio skyrė žlugdančioms naujovėms, kurios gali sukelti pertrūkius. Šios naujovės, žinomos kaip bendrosios paskirties technologijos (GPT), yra „gili naujos idėjos ar technologijos, kurios gali turėti didelį poveikį daugeliui ekonomikos aspektų“. Bendrosios technologijos paprastai išsivysto kelis dešimtmečius, o dar ilgiau padidins produktyvumą. Iš pradžių jie nebuvo gerai suprasti. Net ir po to, kai technologija buvo komercializuota, buvo ilgalaikis gamybos vėlavimas. Integrinės grandinės yra geras pavyzdys. Pirmą kartą tranzistoriai buvo pristatyti XX amžiaus pradžioje, tačiau jie buvo plačiai naudojami iki vėlaus vakaro.
Vienas iš Moore'o dėsnio įkūrėjų Gordonas Moore'as 1965 metais numatė, kad puslaidininkiai vystysis sparčiau, „atnešdami elektronikos populiarumą ir išstumdami 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 dramatišką didelės galios puslaidininkinių lazerių raidą. 1962 m. pramonė pirmą kartą pademonstravo elektronų pavertimą lazeriais, o po to buvo padaryta daugybė pažangų, dėl kurių labai pagerėjo elektronų konversija į didelio našumo lazerinius procesus. Šie patobulinimai gali palaikyti įvairias svarbias programas, įskaitant optinę saugyklą, optinį tinklą ir daugybę pramoninių pritaikymų.
Prisiminus šiuos pokyčius ir daugybę patobulinimų, kuriuos jie išryškino, išryškėjo galimybė turėti didesnį ir platesnį poveikį daugeliui ekonomikos aspektų. Tiesą sakant, nuolat tobulinant didelės galios puslaidininkinius lazerius, svarbių pritaikymų mastas padidės ir turės didelį poveikį ekonomikos augimui.
Didelės galios puslaidininkinių lazerių istorija
1962 m. rugsėjo 16 d. „General Electric“ Roberto Hallo vadovaujama komanda pademonstravo galio arsenido (GaAs) puslaidininkių infraraudonųjų spindulių spinduliavimą, turintį „keistų“ trukdžių modelių, o tai reiškia koherentinį lazerį – pirmojo puslaidininkinio lazerio gimimą. Holas iš pradžių manė, kad puslaidininkinis lazeris buvo „tolimas šūvis“, nes tuo metu šviesos diodai buvo labai neefektyvūs. Tuo pat metu jis taip pat skeptiškai žiūrėjo į tai, nes prieš dvejus metus patvirtintas ir jau egzistuojantis lazeris reikalauja „puikaus veidrodžio“.
1962 m. vasarą Halle sakė, kad jį šokiravo efektyvesni GaAs šviesos diodai, sukurti MIT Linkolno laboratorijoje. Vėliau jis sakė, kad jam pasisekė, kad galėjo išbandyti kai kurias aukštos kokybės GaAs medžiagas, ir pasinaudojo savo, kaip astronomo mėgėjo, patirtimi, kad sukurtų būdą, kaip nupoliruoti GaAs lustų kraštus ir suformuoti ertmę.
Sėkmingas „Hall“ demonstravimas pagrįstas spinduliuotės atšokimo pirmyn ir atgal sąsajoje, o ne vertikaliu atšokimu. Jis kukliai pareiškė, kad niekam „neatsitiko ši idėja“. Tiesą sakant, Hall dizainas iš esmės yra laimingas sutapimas, kad puslaidininkinė medžiaga, sudaranti bangolaidį, taip pat turi savybę tuo pačiu metu apriboti dvipolius nešiklius. Priešingu atveju puslaidininkinio lazerio realizuoti neįmanoma. Naudojant skirtingas puslaidininkines medžiagas, galima suformuoti plokščią bangolaidį, kuris perdengtų fotonus su nešikliais.
Šios preliminarios demonstracijos „General Electric“ buvo didelis laimėjimas. Tačiau šie lazeriai toli gražu nėra praktiški prietaisai. Siekiant paskatinti didelės galios puslaidininkinių lazerių gimimą, turi būti realizuota įvairių technologijų sintezė. Pagrindinės technologinės naujovės prasidėjo nuo tiesioginio juostos puslaidininkių medžiagų ir kristalų augimo metodų supratimo.
Vėlesni pokyčiai apėmė dvigubos heterosankcijos lazerių išradimą ir vėlesnį kvantinių šulinių lazerių kūrimą. Pagrindinis šių pagrindinių technologijų tobulinimo veiksnys yra efektyvumo didinimas ir ertmių pasyvavimo, šilumos išsklaidymo ir pakavimo technologijų plėtra.
Ryškumas
Inovacijos per pastaruosius kelis dešimtmečius atnešė įdomių patobulinimų. Visų pirma, ryškumo pagerėjimas yra puikus. 1985 m. pažangiausias didelės galios puslaidininkinis lazeris sugebėjo sujungti 105 milivatus galios į 105 mikronų šerdies skaidulą. Pažangiausi didelės galios puslaidininkiniai lazeriai dabar gali pagaminti daugiau nei 250 vatų 105 mikronų pluošto su vienu bangos ilgiu – kas aštuonerius metus padidėja 10 kartų.

Moore'as sumanė „pritaisyti daugiau komponentų prie integrinio grandyno“ – tada tranzistorių skaičius viename luste kas 7 metus išaugo 10 kartų. Atsitiktinai didelės galios puslaidininkiniai lazeriai į pluoštą įtraukia daugiau fotonų panašiu eksponentiniu greičiu (žr. 1 pav.).

1 pav. Didelės galios puslaidininkinių lazerių ryškumas ir palyginimas su Moore'o dėsniu
Didelės galios puslaidininkinių lazerių ryškumo pagerėjimas paskatino įvairių nenumatytų technologijų vystymąsi. Nors šios tendencijos tęsimas reikalauja daugiau naujovių, yra pagrindo manyti, kad puslaidininkinių lazerių technologijos inovacijos toli gražu nebaigtos. Gerai žinoma fizika gali dar labiau pagerinti puslaidininkinių lazerių veikimą nuolat tobulinant technologijas.
Pavyzdžiui, kvantinio taško stiprinimo terpė gali žymiai padidinti efektyvumą, palyginti su dabartiniais kvantinių šulinių įrenginiais. Lėtos ašies ryškumas suteikia dar vieną gerinimo potencialą. Naujos pakavimo medžiagos su patobulintu šilumos ir plėtimosi suderinimu suteiks patobulinimų, reikalingų nuolatiniam galios reguliavimui ir supaprastintam šilumos valdymui. Šie pagrindiniai pokyčiai bus didelės galios puslaidininkinių lazerių kūrimo ateinančiais dešimtmečiais planas.
Diodiniai kietojo kūno ir pluošto lazeriai
Didelės galios puslaidininkinių lazerių patobulinimai leido sukurti paskesnes lazerių technologijas; tolesnėse lazerinėse technologijose puslaidininkiniai lazeriai naudojami legiruotiems kristalams (diodu pumpuojami kietojo kūno lazeriai) arba legiruotoms skaiduloms (pluošto lazeriai) sužadinti (siurbti).
Nors puslaidininkiniai lazeriai suteikia didelio efektyvumo ir nebrangią lazerio energiją, yra du pagrindiniai apribojimai: jie nekaupia energijos, o jų ryškumas yra ribotas. Iš esmės šiuos du lazerius reikia naudoti daugeliui pritaikymų: vienas skirtas elektros energijai paversti lazerio spinduliuote, o kitas – lazerio spinduliuotės ryškumui padidinti.
Diodiniai kietojo kūno lazeriai. Devintojo dešimtmečio pabaigoje puslaidininkinių lazerių naudojimas kietojo kūno lazeriams siurbti pradėjo populiarėti komercinėse srityse. Diodiniai kietojo kūno lazeriai (DPSSL) labai sumažina šilumos valdymo sistemų (daugiausia recirkuliacinių aušintuvų) dydį ir sudėtingumą ir gauna modulius, kuriuose istoriškai buvo sujungtos lankinės lempos kietojo kūno lazeriniams kristalams pumpuoti.
Puslaidininkinių lazerių bangos ilgiai parenkami pagal jų sutapimą su kietojo kūno lazerio stiprinimo terpės spektrinėmis sugerties savybėmis; šilumos apkrova labai sumažėja, lyginant su lankinės 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 daugiamodių puslaidininkinių lazerių ryškumui ir galimybei stabilizuoti siaurą emiterio linijos plotį tūrinėmis Bragg grotelėmis (VBG), buvo pasiektas antrosios kartos patobulintas diodų siurbimo efektyvumas. Silpnesnės ir spektriškai siauros, maždaug 880 nm, absorbcijos savybės tapo karštomis didelio ryškumo siurblio diodų taškais. Šie diodai gali pasiekti spektrinį stabilumą. Šie didesnio našumo lazeriai gali tiesiogiai sužadinti lazerio viršutinį lygį 4F3/2 silicyje, sumažindami kvantinius defektus ir taip pagerindami didesnių vidutinių pagrindinių režimų, kuriuos kitu atveju apribotų terminiai lęšiai, išgavimą.
Iki 2010 m. pradžios matėme didelės galios mastelio keitimo tendenciją vieno kryžminio režimo 1064 nm lazerio ir susijusių dažnio keitimo lazerių serijose, veikiančiose matomoje ir ultravioletinėje juostose. Dėl ilgesnės Nd:YAG ir Nd:YVO4 energijos būsenos eksploatavimo trukmės šios DPSSL Q perjungimo operacijos užtikrina didelę impulsų energiją ir didžiausią galią, todėl jos idealiai tinka abliaciniam medžiagų apdorojimui ir didelio tikslumo mikroapdirbimo programoms.
šviesolaidinis lazeris. Skaiduliniai lazeriai yra efektyvesnis būdas konvertuoti didelės galios puslaidininkinių lazerių ryškumą. Nors bangos ilgio multipleksuota optika gali palyginti mažo skaisčio puslaidininkinį lazerį paversti ryškesniu puslaidininkiniu lazeriu, tai yra padidėjusio spektrinio pločio ir optomechaninio sudėtingumo sąskaita. Įrodyta, kad šviesolaidiniai lazeriai yra ypač veiksmingi atliekant fotometrinę konversiją.
Dešimtajame dešimtmetyje pristatytuose dvigubo dengimo pluoštuose naudojami vienmodžiai skaidulos, apsuptos daugiamode danga, todėl į pluoštą galima efektyviai įpurkšti didesnės galios ir pigesnių daugiamodių puslaidininkių lazerių, taip sukuriant ekonomiškesnį būdą konvertuoti didelės galios puslaidininkinis lazeris į ryškesnį lazerį. Iterbio (Yb) legiruotų pluoštų atveju siurblys sužadina plačią absorbciją, kurios centras yra ties 915 nm, arba siaura juosta, kuri yra maždaug 976 nm. Kai siurblio bangos ilgis artėja prie pluoštinio lazerio lazerio bangos ilgio, sumažėja vadinamieji kvantiniai defektai, taip padidinant efektyvumą ir sumažinant šilumos išsklaidymo kiekį.
Tiek skaiduliniai lazeriai, tiek diodu pumpuojami kietojo kūno lazeriai priklauso nuo diodinio lazerio ryškumo pagerėjimo. Apskritai, didėjant diodinių lazerių ryškumui, didėja ir jų pumpuojamos lazerio galios dalis. Padidėjęs puslaidininkinių lazerių ryškumas leidžia efektyviau konvertuoti šviesumą.
Kaip ir tikėjomės, ateities sistemoms reikės erdvinio ir spektrinio ryškumo, kuris leis mažo kvantinio defekto siurbimą su siauromis absorbcijos charakteristikomis kietojo kūno lazeriuose ir tankų bangos ilgio multipleksavimą, skirtą tiesioginiams puslaidininkių lazeriams. Planas tampa įmanomas.
Rinka ir taikymas
Sukūrus didelės galios puslaidininkinius lazerius, tapo įmanoma daug svarbių pritaikymų. Šie lazeriai pakeitė daugelį tradicinių technologijų ir įdiegė naujas gaminių kategorijas.
Per dešimtmetį išaugant sąnaudoms ir našumui 10 kartų, didelės galios puslaidininkiniai lazeriai sutrikdo normalų rinkos veikimą nenuspėjamai. Nors sunku tiksliai numatyti būsimus pritaikymus, labai svarbu apžvelgti pastarųjų trijų dešimtmečių raidos istoriją ir numatyti pagrindines galimybes kito dešimtmečio plėtrai (žr. 2 pav.).

2 pav. Didelės galios puslaidininkinio lazerio ryškumo degalų taikymas (standartizacijos kaina už vato ryškumą)
1980-ieji: optinė saugykla ir pradinės nišos programos. Optinė saugykla yra pirmasis plataus masto pritaikymas puslaidininkinių lazerių pramonėje. Netrukus po to, kai Hall pirmą kartą parodė infraraudonųjų spindulių puslaidininkinį lazerį, „General Electrics“ Nickas Holonyakas taip pat parodė pirmąjį matomą raudoną puslaidininkinį lazerį. Po dvidešimties metų rinkai buvo pristatyti kompaktiniai diskai (CD), o vėliau – optinių saugyklų rinka.
Nuolatinės puslaidininkinių lazerių technologijos naujovės paskatino kurti optines saugojimo technologijas, tokias kaip skaitmeninis universalus diskas (DVD) ir Blu-ray diskas (BD). Tai pirmoji didelė puslaidininkinių lazerių rinka, tačiau paprastai dėl nedidelių galios lygių kitos programos ribojamos santykinai mažose rinkose, tokiose kaip terminis spausdinimas, medicinos programos ir tam tikros kosmoso bei 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 vieno režimo siurblio lazeriai optiniams stiprintuvams yra labai svarbūs norint pasiekti optinių tinklų mastą ir iš tikrųjų palaikyti interneto duomenų augimą.
Jos atneštas telekomunikacijų pramonės bumas yra toli siekiantis, pavyzdžiui, Spectra Diode Labs (SDL), viena pirmųjų didelės galios puslaidininkinių lazerių pramonės pionierių. SDL, įkurta 1983 m., yra bendra „Newport Group“ lazerių prekių ženklų „Spectra-Physics“ ir „Xerox“ įmonė. Jis buvo paleistas 1995 m., kurio rinkos kapitalizacija buvo maždaug 100 mln. Po penkerių metų SDL buvo parduotas JDSU už daugiau nei 40 milijardų dolerių per telekomunikacijų pramonės piką – vieną didžiausių technologijų įsigijimų istorijoje. Netrukus po to telekomunikacijų burbulas sprogo ir sunaikino trilijonus dolerių kapitalo, kuris dabar laikomas didžiausiu burbulu istorijoje.
2000-ieji: lazeriai tapo įrankiu. Nors telekomunikacijų rinkos burbulo sprogimas yra itin destruktyvus, didžiulės investicijos į didelės galios puslaidininkinius lazerius padėjo pamatus platesniam pritaikymui. Didėjant našumui ir išlaidoms, šie lazeriai pradeda keisti tradicinius dujinius lazerius ar kitus energijos konvertavimo šaltinius įvairiuose procesuose.
Puslaidininkiniai lazeriai tapo plačiai naudojama priemone. Pramonės pritaikymas apima nuo tradicinių gamybos procesų, tokių kaip pjovimas ir litavimas, iki naujų pažangių gamybos technologijų, tokių kaip priedinė 3D spausdintų metalinių dalių gamyba. Mikrogamybos programos yra įvairesnės, nes pagrindiniai produktai, tokie kaip išmanieji telefonai, buvo parduodami naudojant šiuos lazerius. Oro erdvės ir gynybos taikymas apima platų spektrą svarbių programų ir ateityje greičiausiai apims naujos kartos krypties energijos sistemas.
apibendrinti 
Daugiau nei prieš 50 metų Moore'as nepasiūlė naujo pagrindinio fizikos dėsnio, bet padarė didelius integrinių grandynų patobulinimus, kurie pirmą kartą buvo ištirti prieš dešimt metų. Jo pranašystė tęsėsi dešimtmečius ir atnešė daugybę žlugdančių naujovių, kurios buvo neįsivaizduojamos 1965 m.
Kai Hall daugiau nei prieš 50 metų pademonstravo puslaidininkinius lazerius, tai sukėlė technologinę revoliuciją. Kaip ir Moore'o dėsnio atveju, niekas negali numatyti didelės spartos, kurią vėliau patirs didelio intensyvumo puslaidininkiniai lazeriai, sukurti taikant daugybę naujovių.
Fizikoje nėra pagrindinės taisyklės, kaip kontroliuoti šiuos technologinius patobulinimus, tačiau nuolatinė technologinė pažanga gali pagerinti lazerio ryškumą. Ši tendencija ir toliau pakeis tradicines technologijas, taip toliau keisdama dalykų kūrimo būdus. Ekonomikos augimui svarbiau tai, kad didelės galios puslaidininkiniai lazeriai taip pat paskatins naujų dalykų gimimą.