A nagy teljesítményű félvezető lézerek múltja és jövője

Amint a hatékonyság és a teljesítmény folyamatosan növekszik, a lézerdiódák továbbra is felváltják a hagyományos technológiákat, megváltoztatják a dolgok kezelését és ösztönzik az új dolgok születését.
Hagyományosan a közgazdászok úgy vélik, hogy a technológiai fejlődés fokozatos folyamat. A közelmúltban az ipar inkább a zavaró innovációra összpontosított, amelyek megszakításokat okozhatnak. Ezek az általános célú technológiáknak (GPT) nevezett újítások "mély új ötletek vagy technológiák, amelyek nagy hatással lehetnek a gazdaság számos aspektusára". Az általános technológia kifejlesztése általában több évtizedet vesz igénybe, és még hosszabb ideig a termelékenység növekedését eredményezi. Eleinte nem értették őket jól. A technológia kereskedelmi forgalomba hozatala után is hosszú távon késett a gyártás. Az integrált áramkörök jó példa erre. A tranzisztorokat először a 20. század elején vezették be, de késő estig széles körben használták.
A Moore-törvény egyik alapítója, Gordon Moore 1965-ben azt jósolta, hogy a félvezetők gyorsabban fejlődnek, "elhozva az elektronika népszerűségét és sok új területre tolva ezt a tudományt". Merész és váratlanul pontos előrejelzései ellenére évtizedeken át folyamatos javuláson 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 bemutatta az elektronok lézerekké történő átalakulását, majd számos előrelépés következett, amelyek jelentős javulást eredményeztek az elektronok nagy hozamú lézeres folyamatokká történő átalakításában. Ezek a fejlesztések számos fontos alkalmazást támogathatnak, ideértve az optikai tárolást, az optikai hálózatot és az ipari alkalmazások széles körét.
Felidézve ezeket a fejleményeket és az általuk feltárt számos fejlesztést, rávilágított a gazdaság számos aspektusára gyakorolt ​​nagyobb és szélesebb körű hatás lehetőségére. Valójában a nagy teljesítményű félvezető lézerek folyamatos fejlesztésével a fontos alkalmazások köre megnő, és mély hatással lesz a gazdasági növekedésre.
Nagy teljesítményű félvezető lézer előzmények
1962. szeptember 16-án a General Electric Robert Hall vezette csapat bemutatta a gallium-arzén (GaAs) félvezetők infravörös emisszióját, amelyek "furcsa" interferencia-mintákkal rendelkeznek, vagyis koherenciát jelentenek Lézerrel - az első félvezető lézer születésével. Hall eredetileg úgy vélte, hogy a félvezető lézer "hosszú lövés", mivel az akkori fénykibocsátó diódák nagyon hatástalanok voltak. Ugyanakkor ebben is szkeptikus volt, mert a két évvel ezelőtt megerősített és már létező lézerhez "finom tükörre" van szükség.
1962 nyarán Halle elmondta, hogy sokkolta az MIT Lincoln Laboratory által kifejlesztett, hatékonyabb GaAs fénykibocsátó diódák. Ezt követően elmondta, hogy szerencsés, hogy néhány kiváló minőségű GaAs anyaggal tesztelhetett, és amatőr csillagászként szerzett tapasztalatait felhasználva kifejlesztette a GaAs chipek széleinek polírozásának módját üreg kialakítására.
Hall sikeres bemutatója a felületen előre és hátra pattanó sugárzás tervezésén alapszik, nem pedig függőleges visszapattanáson. Szerényen mondta, hogy senki "véletlenül nem állt elő ezzel az ötlettel". Valójában Hall tervezése lényegében szerencsés egybeesés, hogy a hullámvezetőt alkotó félvezető anyagnak az is a tulajdonsága, hogy egyszerre korlátozza a bipoláris hordozókat. Ellenkező esetben lehetetlen megvalósítani egy félvezető lézert. Különböző félvezető anyagok alkalmazásával egy födém hullámvezeték alakítható ki, amely átfedi a fotonokat a hordozókkal.
Ezek az előzetes demonstrációk a General Electricnél komoly áttörést jelentettek. Ezek a lézerek azonban messze nem praktikus eszközök. A nagy teljesítményű félvezető lézerek születésének elősegítése érdekében meg kell valósítani a különböző technológiák fúzióját. A legfontosabb technológiai újítások a közvetlen sávszélességű félvezető anyagok és a kristálynövekedési technikák megértésével kezdődtek.
A későbbi fejlesztések között szerepelt a kettős heterojunction lézerek feltalálása és az ezt követő kvantumkút-lézerek fejlesztése. Ezen alapvető technológiák továbbfejlesztésének kulcsa a hatékonyság javításában és az üreg passziválásának, a hőelvezetés és a csomagolástechnika fejlesztésében rejlik.
Fényerősség
Az elmúlt évtizedek innovációja izgalmas fejlesztéseket hozott. Különösen a fényerő javulása kiváló. 1985-ben a korszerű nagy teljesítményű félvezető lézer képes volt 105 milliwatt teljesítményt párosítani egy 105 mikronos magszálba. A legfejlettebb nagy teljesítményű félvezető lézerek ma már több mint 250 watt 105 mikronos szálat képesek előállítani egyetlen hullámhosszal - tízévente tízévenként.

Moore úgy gondolta, hogy "több alkatrészt rögzít az integrált áramkörhöz" - akkor a tranzisztorok száma chipenként tízszeresére nőtt 7 évente. Véletlen, hogy a nagy teljesítményű félvezető lézerek több fotont építenek be a szálba, hasonló exponenciális sebességgel (lásd 1. ábra).

1. ábra: Nagy teljesítményű félvezető lézerek fényereje és összehasonlítás Moore törvényével
A nagy teljesítményű félvezető lézerek fényerejének javulása elősegítette a különböző előre nem látható technológiák fejlődését. Bár ennek a trendnek a folytatása további innovációt igényel, okkal feltételezhető, hogy a félvezető lézertechnológia innovációja még korántsem fejeződött be. A jól ismert fizika a folyamatos technológiai fejlesztés révén tovább javíthatja a félvezető lézerek teljesítményét.
Például a kvantumpont erősítésű közegek jelentősen növelhetik a hatékonyságot a jelenlegi kvantumkút-eszközökhöz képest. A lassú tengely fényereje további nagyságrendű javítási lehetőséget kínál. Az új csomagolási anyagok javított hő- és tágulási illeszkedéssel biztosítják a folyamatos teljesítménybeállításhoz és az egyszerűsített hőkezeléshez szükséges fejlesztéseket. Ezek a legfontosabb fejlesztések ütemtervet nyújtanak a nagy teljesítményű félvezető lézerek fejlesztésére az elkövetkező évtizedekben.
Diódás szivattyúval ellátott szilárdtest- és szállézerek
A nagy teljesítményű félvezető lézerek fejlesztése lehetővé tette a downstream lézertechnológiák fejlesztését; a downstream lézertechnológiákban félvezető lézereket használnak adalékolt kristályok (diódával szivattyúzott szilárdtest-lézerek) vagy adalékolt szálak (szállézerek) gerjesztésére.
Bár a félvezető lézerek nagy hatékonyságú és olcsó lézerenergiát nyújtanak, két fő korlátozás van: nem tárolják az energiát, és fényerőjük korlátozott. Alapvetően ezt a két lézert számos alkalmazáshoz kell használni: az egyiket az elektromosság átalakítására lézeremisszióvá, a másikat a lézeremisszió fényerejének fokozására.
Diódás szivattyúval ellátott szilárdtest lézerek. Az 1980-as évek végén a félvezető lézerek használata a szilárdtest lézerek szivattyúzására egyre népszerűbb a kereskedelmi alkalmazásokban. A diódás szivattyúval ellátott szilárdtest lézerek (DPSSL) nagymértékben csökkentik a hőkezelő rendszerek méretét és összetettségét (főként recirkulációs hűtők), és olyan modulokat kapnak, amelyek történelmileg kombinált ívlámpákkal rendelkeznek a szilárdtest lézerkristályok szivattyúzására.
A félvezető lézerek hullámhosszait az alapján választják ki, hogy átfedik-e a szilárdtest lézererősítő közeg spektrális abszorpciós tulajdonságait; a hőterhelés nagymértékben csökken az ívlámpa széles sávú emissziós spektrumához képest. Az 1064 nm-es germánium-alapú lézerek népszerűsége miatt a 808 nm-es szivattyú hullámhossza a félvezető lézerek legnagyobb hullámhosszává vált több mint 20 éve.
A multimódusú félvezető lézerek fényerejének növekedésével és a keskeny emittervonal-szélesség stabilizálásának képességével térfogatú Bragg-rácsokkal (VBG) 2000 közepén sikerült elérni a dióda-pumpálás hatékonyságának második generációját. A 880 nm körüli gyengébb és spektrálisan keskeny abszorpciós jellemzők a nagy fényerejű szivattyúdiódák forró pontjaivá váltak. Ezek a diódák elérhetik a spektrális stabilitást. Ezek a nagyobb teljesítményű lézerek közvetlenül gerjeszthetik a lézer felső 4F3 / 2 szintjét szilíciumban, csökkentve a kvantumhibákat, ezáltal javítva a magasabb átlagú alapmódok kinyerését, amelyeket egyébként korlátoznának a hőlencsék.
2010 elejére szemtanúi lehettünk az egykeresztes üzemmódú 1064 nm-es lézer és a kapcsolódó, valamint a látható és az ultraibolya sávban működő frekvenciaváltó lézerek nagy teljesítményű méretezési tendenciájának. Az Nd: YAG és az Nd: YVO4 hosszabb, magas energiájú élettartama miatt ezek a DPSSL Q kapcsolási műveletek nagy impulzus energiát és csúcsteljesítményt biztosítanak, ideálisak ablatív anyagfeldolgozáshoz és nagy pontosságú mikromegmunkálási alkalmazásokhoz.
száloptikai lézer. A szálas lézerek hatékonyabb módot nyújtanak a nagy teljesítményű félvezető lézerek fényerejének átalakítására. Bár a hullámhossz-multiplexált optika képes viszonylag alacsony fénysűrűségű félvezető lézert fényesebb félvezető lézerré alakítani, ez a megnövekedett spektrumszélesség és az optomechanikai komplexitás rovására megy. Kimutatták, hogy a rostlézerek különösen hatékonyak a fotometriai átalakításban.
Az 1990-es években bevezetett kettős burkolatú szálak egymódú szálakat használnak, többmódusú burkolattal körülvéve, lehetővé téve a nagyobb teljesítményű, alacsonyabb költségű többmódusú félvezetővel szivattyúzott lézerek hatékony befecskendezését a szálakba, ezáltal gazdaságosabb módszert nagy teljesítményű félvezető lézer fényesebb lézerré. Az itterbiummal (Yb) adalékolt szálak esetében a szivattyú széles abszorpciót gerjeszt, középpontjában 915 nm, vagy keskeny sávban, 976 nm körül. Amint a szivattyú hullámhossza megközelíti a szálas lézer hullámhosszát, az úgynevezett kvantumhibák csökkennek, ezáltal maximalizálják a hatékonyságot és minimalizálják a hőelvezetés mértékét.
Mind a szálas lézerek, mind a diódás szivattyúval ellátott szilárdtest lézerek a dióda lézer fényerejének javulásán alapulnak. Általánosságban, amint a dióda lézerek fényereje folyamatosan javul, az általuk pumpált lézer teljesítmény aránya is növekszik. A félvezető lézerek megnövekedett fényereje megkönnyíti a fényerő hatékonyabb átalakítását.
Ahogy várhatóan, térbeli és spektrális fényerőre lesz szükség a jövőbeli rendszerek számára, amely lehetővé teszi az alacsony kvantumhibás szivattyúzást, szűk abszorpciós jellemzőkkel a szilárdtest lézerekben, és sűrű hullámhosszú multiplexelést a közvetlen félvezető lézeres alkalmazásokhoz. A terv lehetővé válik.
Piac és alkalmazás
A nagy teljesítményű félvezető lézerek fejlesztése számos fontos alkalmazást lehetővé tett. Ezek a lézerek sok hagyományos technológiát felváltottak, és új termékkategóriákat vezettek be.
A költség és teljesítmény évtizedenként tízszeres növekedésével a nagy teljesítményű félvezető lézerek kiszámíthatatlanul megzavarják a piac normális működését. Noha nehéz pontosan megjósolni a jövőbeni alkalmazásokat, nagyon jelentős az elmúlt három évtized fejlődéstörténetének áttekintése és a következő évtized fejlődésének keretlehetőségek biztosítása (lásd 2. ábra).

2. ábra: Nagy teljesítményű félvezető lézer fényerő üzemanyag alkalmazása (szabványosítási költség watt fényerőre számítva)
1980-as évek: Optikai tárolás és kezdeti fülke alkalmazások. Az optikai tárolás az első nagyszabású alkalmazás a félvezető lézeriparban. Nem sokkal azután, hogy Hall először bemutatta az infravörös félvezető lézert, Nick Holonyak, a General Electrics bemutatta az első látható vörös félvezető lézert is. Húsz évvel később CD-ket (CD-ket) vezettek be a piacra, majd az optikai tárolók piacát.
A félvezető lézertechnológia folyamatos innovációja olyan optikai tárolási technológiák kifejlesztéséhez vezetett, mint a digitális sokoldalú lemez (DVD) és a Blu-ray lemez (BD). Ez a félvezető lézerek első nagy piaca, de általában a szerény teljesítményszintek más alkalmazásokat viszonylag kicsi piaci résekre korlátozzák, mint például a hőnyomtatás, az orvosi alkalmazások, valamint a kiválasztott repülőgép- és védelmi alkalmazások.
1990-es évek: Az optikai hálózatok uralkodnak. Az 1990-es években a félvezető lézerek a kommunikációs hálózatok kulcsává váltak. Félvezető lézereket használnak jelek továbbítására száloptikai hálózatokon keresztül, de az optikai erősítőkhöz tartozó nagyobb teljesítményű egymódos szivattyú lézerek kritikusak az optikai hálózatok méretének elérése és az internetes adatok növekedésének valóban támogatása szempontjából.
Az általa elért telekommunikációs fellendülés messzemenő, példaként a Spectra Diode Labs-ot (SDL), a nagy teljesítményű félvezető lézeripar egyik első úttörőjét veszi fel. Az 1983-ban alapított SDL a Newport Group Spectra-Physics és a Xerox lézermárkák közös vállalkozása. 1995-ben indult, körülbelül 100 millió dolláros piaci kapitalizációval. Öt évvel később az SDL-t a telekommunikációs csúcs idején, a történelem egyik legnagyobb technológiai felvásárlásakor, több mint 40 milliárd dollárért adták el a JDSU-nak. Nem sokkal ezután a telekommunikációs buborék felrobbant és több milliárd dollár tőkét pusztított el, amelyet ma a történelem legnagyobb buborékjának tekintenek.
2000-es évek: A lézerek eszközzé váltak. Noha a távközlési piaci buborék kirobbanása rendkívül pusztító hatású, a nagy teljesítményű félvezető lézerekbe történő hatalmas beruházás megalapozta a szélesebb körű alkalmazást. A teljesítmény és a költségek növekedésével ezek a lézerek különböző folyamatokban kezdik felváltani a hagyományos gázlézereket vagy más energiaátalakító forrásokat.
A félvezető lézerek széles körben használt eszközzé váltak. Az ipari alkalmazások a hagyományos gyártási folyamatoktól, például a vágástól és a forrasztástól kezdve az új fejlett gyártási technológiákig terjednek, mint például a 3D nyomtatott fém alkatrészek additív gyártása. A mikroprocesszoros alkalmazások változatosabbak, mivel ezekkel a lézerekkel olyan kulcsfontosságú termékeket, mint például az okostelefonok kerültek kereskedelmi forgalomba. Az űr- és védelmi alkalmazások számos kritikus alkalmazással járnak, és a jövőben valószínűleg a következő generációs irányított energiarendszereket is magukban foglalják.
Összefoglalva
Több mint 50 évvel ezelőtt Moore nem javasolta a fizika új alaptörvényét, de nagyszerű fejlesztéseket hajtott végre az integrált áramkörökön, amelyeket először tíz évvel ezelőtt tanulmányoztak. Próféciája évtizedekig tartott, és magával hozta az 1965-ben elképzelhetetlen zavaró újítások sorozatát.
Amikor Hall több mint 50 évvel ezelőtt bemutatta a félvezető lézereket, ez technológiai forradalmat váltott ki. Mint Moore törvényében, senki sem tudja megjósolni azt a nagy sebességű fejlődést, amelyet a nagy intenzitású félvezető lézerek sok újítással elértek.
A fizikában nincs alapvető szabály ezeknek a technológiai fejlesztéseknek az ellenőrzésére, de a folyamatos technológiai fejlődés elősegítheti a lézer fényerejét. Ez a tendencia továbbra is felváltja a hagyományos technológiákat, ezáltal tovább változtatva a dolgok fejlődését. A gazdasági növekedés szempontjából fontosabb, hogy a nagy teljesítményű félvezető lézerek új dolgok születését is elősegítik.