A nagy teljesítményű félvezető lézerek múltja és jövője

Ahogy a hatékonyság és a teljesítmény tovább növekszik, a lézerdiódák továbbra is felváltják a hagyományos technológiákat, megváltoztatják a dolgok kezelését, és új dolgok születését ösztönzik.
A közgazdászok hagyományosan úgy vélik, hogy a technológiai fejlődés fokozatos folyamat. A közelmúltban az iparág inkább a bomlasztó innovációra összpontosít, amely megszakításokat okozhat. Ezek az általános célú technológiák (GPT) néven ismert innovációk „mélyreható új ötletek vagy technológiák, amelyek jelentős hatással lehetnek a gazdaság számos aspektusára”. Az általános technológia kifejlesztése általában több évtizedet vesz igénybe, és még ennél is hosszabb időre van szükség a termelékenység növekedéséhez. Eleinte nem értették meg őket jól. Még azután is, hogy a technológiát kereskedelmi forgalomba hozták, hosszú távú késés következett be a gyártás bevezetésében. Jó példa erre az integrált áramkörök. A tranzisztorokat először a 20. század elején vezették be, de széles körben használták őket késő estig.
A Moore-törvény egyik megalapítója, Gordon Moore 1965-ben azt jósolta, hogy a félvezetők gyorsabban fognak fejlődni, "hozza az elektronika népszerűségét és sok új területre tolja el ezt a tudományt". Merész és váratlanul pontos előrejelzései ellenére több évtizedes folyamatos fejlődésen ment keresztül, mielőtt elérte a termelékenységet és a gazdasági növekedést.
Hasonlóképpen, a nagy teljesítményű félvezető lézerek drámai fejlődésének megértése korlátozott. 1962-ben az ipar először demonstrálta az elektronok lézerekké történő átalakítását, majd számos olyan előrelépés következett, amelyek az elektronok nagy hozamú lézeres eljárásokká történő átalakítását eredményezték. Ezek a fejlesztések számos fontos alkalmazást támogathatnak, beleértve az optikai tárolást, az optikai hálózatokat és az ipari alkalmazások széles körét.
E fejlemények és az általuk napvilágra hozott számos fejlesztés felidézése rávilágított arra, hogy a gazdaság számos aspektusára nagyobb és szélesebb körű hatást gyakorolhatnak. Valójában a nagy teljesítményű félvezető lézerek folyamatos fejlesztésével a fontos alkalmazások köre bővülni fog, és mélyreható hatással lesz a gazdasági növekedésre.
Nagy teljesítményű félvezető lézer története
1962. szeptember 16-án a General Electric Robert Hallja által vezetett csapat bemutatta a gallium-arzenid (GaAs) félvezetők infravörös emisszióját, amelyek "furcsa" interferenciamintázattal rendelkeznek, vagyis koherencialézer – az első félvezető lézer megszületése. Hall eleinte úgy gondolta, hogy a félvezető lézer „távolság” volt, mivel a fénykibocsátó diódák akkoriban nagyon hatástalanok voltak. Ugyanakkor azért is szkeptikus volt ezzel kapcsolatban, mert a két éve beigazolódott és már létező lézerhez "finom tükör" kell.
1962 nyarán Halle elmondta, hogy megdöbbentette az MIT Lincoln Laboratóriuma által kifejlesztett hatékonyabb GaAs fénykibocsátó diódák. Ezt követően azt mondta, szerencséje volt, hogy néhány kiváló minőségű GaAs-anyaggal tesztelhetett, és amatőr csillagászként szerzett tapasztalatait felhasználva olyan módszert dolgozott ki, amellyel a GaAs chipek széleit üreg kialakítására polírozták.
A Hall sikeres bemutatója a sugárzási felületen oda-vissza, nem pedig függőleges visszapattanások tervezésén alapul. Szerényen elmondta, hogy "véletlenül senkinek sem jutott eszébe ez az ötlet". Valójában Hall tervezése lényegében egy szerencsés egybeesés, hogy a hullámvezetőt alkotó félvezető anyag egyúttal bipoláris vivőket is korlátoz. Ellenkező esetben lehetetlen félvezető lézert megvalósítani. Különböző félvezető anyagok felhasználásával lemezes hullámvezető alakítható ki, amely átfedi a fotonokat a hordozókkal.
Ezek az előzetes demonstrációk a General Electricnél jelentős áttörést jelentettek. Ezek a lézerek azonban távol állnak a praktikus eszközöktől. A nagy teljesítményű félvezető lézerek megszületésének elősegítése érdekében különböző technológiák fúzióját kell megvalósítani. A kulcsfontosságú technológiai újítások a közvetlen sávszélességű félvezető anyagok és a kristálynövekedési technikák megismerésével kezdődtek.
A későbbi fejlesztések közé tartozott a kettős heterojunkciós lézerek feltalálása, majd a kvantumkutas lézerek kifejlesztése. Ezen alapvető technológiák további fejlesztésének kulcsa a hatékonyság javítása, valamint az üreg passziválása, hőelvezetése és csomagolási technológia fejlesztése.
Fényerősség
Az elmúlt évtizedek innovációja izgalmas fejlesztéseket hozott. Különösen a fényerő javulása kiváló. 1985-ben a legmodernebb, nagy teljesítményű félvezető lézer 105 milliwatt teljesítményt tudott kapcsolni egy 105 mikronos magszálhoz. A legfejlettebb, nagy teljesítményű félvezető lézerek ma már több mint 250 watt 105 mikronos szálat képesek előállítani egyetlen hullámhosszon – ez nyolcévenként 10-szeres növekedés.

Moore úgy gondolta, hogy "több komponenst rögzít az integrált áramkörhöz" - ekkor a chipenkénti tranzisztorok száma 7 évente tízszeresére nőtt. Véletlenül a nagy teljesítményű félvezető lézerek több fotont építenek be a szálba hasonló exponenciális sebességgel (lásd az 1. ábrát).

1. ábra: Nagy teljesítményű félvezető lézerek fényereje és összehasonlítása Moore törvényével
A nagy teljesítményű félvezető lézerek fényerejének javulása különféle előre nem látható technológiák kifejlesztését segítette elő. Bár ennek a tendenciának a folytatása további innovációt igényel, okkal feltételezhető, hogy a félvezető lézertechnológia innovációja még korántsem fejeződött be. A jól ismert fizika folyamatos technológiai fejlesztéssel tovább javíthatja a félvezető lézerek teljesítményét.
Például a kvantumpont-erősítő közeg jelentősen növelheti a hatékonyságot a jelenlegi kvantumkút-eszközökhöz képest. A lassú tengely fényereje további nagyságrendi javulási lehetőséget kínál. A továbbfejlesztett hő- és tágulási illeszkedéssel rendelkező új csomagolóanyagok biztosítják a folyamatos teljesítményszabályozáshoz és az egyszerűsített hőkezeléshez szükséges fejlesztéseket. Ezek a kulcsfontosságú fejlesztések útitervet adnak a nagy teljesítményű félvezető lézerek fejlesztéséhez az elkövetkező évtizedekben.
Diódapumpás szilárdtest- és szálas lézerek
A nagy teljesítményű félvezető lézerek fejlesztései lehetővé tették a downstream lézertechnológiák fejlesztését; a downstream lézertechnológiákban a félvezető lézereket adalékolt kristályok (diódapumpás szilárdtestlézerek) vagy adalékolt szálak (szállézerek) gerjesztésére (pumpálására) használják.
Bár a félvezető lézerek nagy hatásfokú, alacsony költségű lézerenergiát biztosítanak, két fő korlátja van: nem tárolnak energiát, és korlátozott a fényerejük. Alapvetően ezt a két lézert számos alkalmazáshoz kell használni: az egyik az elektromosság lézeremisszióvá alakítására, a másik pedig a lézeremisszió fényerejének növelésére.
Diódapumpás szilárdtestlézerek. Az 1980-as évek végén a félvezető lézerek használata szilárdtestlézerek szivattyúzására kezdett egyre népszerűbb lenni a kereskedelmi alkalmazásokban. A diódapumpás szilárdtestlézerek (DPSSL) nagymértékben csökkentik a hőkezelési rendszerek (főleg a recirkulációs hűtők) méretét és összetettségét, és olyan modulokat állítanak elő, amelyekben hagyományosan kombinálták a szilárdtest lézerkristályok szivattyúzására szolgáló ívlámpákat.
A félvezető lézerek hullámhosszait a szilárdtestlézer-erősítő közeg spektrális abszorpciós tulajdonságaival való átfedésük alapján választják ki; a hőterhelés nagymértékben csökken az ívlámpa széles sávú emissziós spektrumához képest. Az 1064 nm-es germánium alapú lézerek népszerűségének köszönhetően a 808 nm-es pumpás hullámhossz a félvezető lézerek legnagyobb hullámhossza lett több mint 20 éve.
A többmódusú félvezető lézerek fényerejének növekedésével és a keskeny emittervonal szélességének volumenű Bragg-rácsokkal (VBG-k) történő stabilizálásával 2000 közepén sikerült elérni a továbbfejlesztett diódaszivattyúzási hatékonyság második generációját. A gyengébb és spektrálisan szűk, 880 nm körüli abszorpciós jellemzők a nagy fényerejű szivattyúdiódák forró pontjaivá váltak. Ezekkel a diódákkal spektrális stabilitás érhető el. Ezek a nagyobb teljesítményű lézerek közvetlenül gerjeszthetik a lézer felső szintjét, 4F3/2 szilíciumban, csökkentve a kvantumhibákat, ezáltal javítva a magasabb átlagos alapmódusok kinyerését, amelyeket egyébként a termikus lencsék korlátoznának.
2010 elejére a látható és ultraibolya sávban működő egykeresztmódusú 1064nm-es lézer és a kapcsolódó frekvenciakonverziós lézerek nagy teljesítményű skálázódásának lehettünk tanúi. Az Nd:YAG és Nd:YVO4 hosszabb, nagy energiájú állapotú élettartama miatt ezek a DPSSL Q kapcsolási műveletek magas impulzusenergiát és csúcsteljesítményt biztosítanak, így ideálisak ablatív anyagfeldolgozáshoz és nagy pontosságú mikromegmunkálási alkalmazásokhoz.
száloptikai lézer. A szálas lézerek hatékonyabb módot biztosítanak a nagy teljesítményű félvezető lézerek fényerejének átalakítására. Bár a hullámhossz-multiplexelt optika képes egy viszonylag alacsony fénysűrűségű félvezető lézert fényesebb félvezető lézerré alakítani, ez a megnövekedett spektrális szélesség és az optomechanikai bonyolultság rovására megy. A szálas lézerek különösen hatékonynak bizonyultak a fotometriai átalakításban.
Az 1990-es években bevezetett kettős bevonatú szálak egymódusú szálakat használnak, amelyeket többmódusú burkolat vesz körül, lehetővé téve a nagyobb teljesítményű, alacsonyabb költségű, többmódusú félvezető-szivattyús lézerek hatékony befecskendezését a szálba, így gazdaságosabb módot teremtve a szálak átalakítására. nagy teljesítményű félvezető lézer fényesebb lézerré. Az itterbiummal (Yb) adalékolt szálak esetében a pumpa széles abszorpciót gerjeszt 915 nm-en, vagy egy keskeny sávot 976 nm körül. Ahogy a szivattyú hullámhossza megközelíti a szálas lézer lézeres hullámhosszát, csökkennek az úgynevezett kvantumhibák, ezáltal maximalizálva a hatékonyságot és minimalizálva a hőleadás mértékét.
Mind a szálas lézerek, mind a diódapumpás szilárdtestlézerek a diódalézer fényerejének javításán alapulnak. Általánosságban elmondható, hogy ahogy a dióda lézerek fényereje folyamatosan javul, az általuk pumpált lézerteljesítmény aránya is növekszik. A félvezető lézerek megnövelt fényereje hatékonyabb fényerő-átalakítást tesz lehetővé.
Ahogyan azt vártuk, a térbeli és spektrális fényességre lesz szükség a jövőbeli rendszerekben, amelyek lehetővé teszik az alacsony kvantumhiba-szivattyúzást szűk abszorpciós karakterisztikával a szilárdtestlézerekben és a sűrű hullámhosszú multiplexelést a közvetlen félvezető lézeres alkalmazásokhoz. A terv megvalósíthatóvá válik.
Piac és alkalmazás
A nagy teljesítményű félvezető lézerek fejlesztése számos fontos alkalmazást tett lehetővé. Ezek a lézerek számos hagyományos technológiát váltottak fel, és új termékkategóriákat vezettek be.
A költségek és a teljesítmény évtizedenkénti 10-szeres növekedésével a nagy teljesítményű félvezető lézerek kiszámíthatatlan módon megzavarják a piac normál működését. Bár nehéz pontosan megjósolni a jövőbeli alkalmazásokat, nagyon fontos áttekinteni az elmúlt három évtized fejlődéstörténetét, és keretlehetőségeket biztosítani a következő évtized fejlődéséhez (lásd 2. ábra).

2. ábra: Nagy teljesítményű félvezető lézer fényerősségű üzemanyag-alkalmazás (szabványosítási költség watt fényerőnként)
1980-as évek: Optikai tárolók és kezdeti szűkös alkalmazások. Az optikai tárolás az első nagyszabású alkalmazás a félvezető lézeriparban. Röviddel azután, hogy Hall először bemutatta az infravörös félvezető lézert, a General Electrics Nick Holonyak bemutatta az első látható vörös félvezető lézert is. Húsz évvel később megjelentek a piacon a CD-k, majd az optikai tárolók piaca.
A félvezető lézeres technológia folyamatos innovációja olyan optikai tárolási technológiák kifejlesztéséhez vezetett, mint például a digitális sokoldalú lemez (DVD) és a Blu-ray Disc (BD). Ez a félvezető lézerek első nagy piaca, de általában a szerény teljesítményszint a többi alkalmazást viszonylag kis piaci résekre korlátozza, mint például a hőnyomtatás, az orvosi alkalmazások, valamint a kiválasztott repülőgép- és védelmi alkalmazások.
Az 1990-es évek: Az optikai hálózatok uralkodnak. Az 1990-es években a félvezető lézerek váltak a kommunikációs hálózatok kulcsává. A félvezető lézereket a jelek száloptikai hálózatokon történő továbbítására használják, de az optikai erősítők nagyobb teljesítményű egymódusú pumpás lézerei kritikusak az optikai hálózatok méretének eléréséhez és az internetes adatok növekedésének tényleges támogatásához.
Az általa hozott telekommunikációs iparági fellendülés messzemenően nyúlik vissza, példának vesszük a Spectra Diode Labs-t (SDL), amely a nagy teljesítményű félvezető lézeripar egyik első úttörője. Az 1983-ban alapított SDL a Newport Group lézermárkái, a Spectra-Physics és a Xerox közös vállalkozása. 1995-ben indult, körülbelül 100 millió dolláros piaci kapitalizációval. Öt évvel később az SDL-t több mint 40 milliárd dollárért adták el a JDSU-nak a távközlési iparági csúcs idején, ami a történelem egyik legnagyobb technológiai felvásárlása. Nem sokkal ezután a távközlési buborék kipukkadt, és több billió dollárnyi tőkét semmisített meg, amelyet ma a történelem legnagyobb buborékának tekintenek.
2000-es évek: A lézer eszközzé vált. Bár a távközlési piaci buborék kipukkanása rendkívül pusztító, a nagy teljesítményű félvezető lézerekbe történő hatalmas beruházás megalapozta a szélesebb körű elterjedést. A teljesítmény és a költségek növekedésével ezek a lézerek kezdik felváltani a hagyományos gázlézereket vagy más energiaátalakítási forrásokat számos folyamatban.
A félvezető lézerek széles körben használt eszközzé váltak. Az ipari alkalmazások a hagyományos gyártási eljárásoktól, például a vágástól és forrasztástól az új fejlett gyártási technológiákig, például a 3D nyomtatott fémalkatrészek additív gyártásáig terjednek. A mikrogyártási alkalmazások sokrétűek, mivel a kulcsfontosságú termékeket, például az okostelefonokat ezekkel a lézerekkel értékesítették. A repülési és védelmi alkalmazások a küldetéskritikus alkalmazások széles körét foglalják magukban, és a jövőben valószínűleg a következő generációs irányított energiarendszereket is magukban foglalják.
Összefoglalva 
Több mint 50 évvel ezelőtt Moore nem a fizika új alaptörvényét javasolta, hanem nagyot javított az integrált áramkörökön, amelyeket tíz évvel ezelőtt tanulmányoztak először. Jóslata évtizedekig tartott, és egy sor olyan bomlasztó újítást hozott magával, amelyek 1965-ben elképzelhetetlenek voltak.
Amikor Hall több mint 50 évvel ezelőtt bemutatta a félvezető lézereket, ez technológiai forradalmat indított el. A Moore-törvényhez hasonlóan senki sem tudja megjósolni, hogy a nagyszámú innovációval elért nagy intenzitású félvezető lézer milyen nagy sebességű fejlődésen megy keresztül.
A fizikában nincs olyan alapvető szabály, amely szabályozná ezeket a technológiai fejlesztéseket, de a folyamatos technológiai fejlődés előremozdíthatja a lézer fényerejét. Ez a tendencia továbbra is felváltja a hagyományos technológiákat, tovább változtatva a fejlesztési módot. A gazdasági növekedés szempontjából fontosabb, hogy a nagy teljesítményű félvezető lézerek új dolgok születését is elősegítik.