Trecutul și viitorul laserelor semiconductoare de mare putere

Pe măsură ce eficiența și puterea continuă să crească, diodele laser vor continua să înlocuiască tehnologiile tradiționale, să schimbe modul în care lucrurile sunt gestionate și să stimuleze nașterea unor lucruri noi.
În mod tradițional, economiștii cred că progresul tehnologic este un proces gradual. Recent, industria s-a concentrat mai mult pe inovarea perturbatoare care poate provoca discontinuități. Aceste inovații, cunoscute sub numele de tehnologii cu scop general (GPT), sunt „idei sau tehnologii noi profunde care pot avea un impact major asupra multor aspecte ale economiei”. Dezvoltarea tehnologiei generale durează de obicei câteva decenii și chiar mai mult va duce la o creștere a productivității. La început, nu au fost bine înțeleși. Chiar și după ce tehnologia a fost comercializată, a existat un decalaj pe termen lung în adoptarea producției. Circuitele integrate sunt un bun exemplu. Tranzistoarele au fost introduse pentru prima dată la începutul secolului al XX-lea, dar au fost utilizate pe scară largă până seara târziu.
Unul dintre fondatorii Legii lui Moore, Gordon Moore, a prezis în 1965 că semiconductorii se vor dezvolta într-un ritm mai rapid, „aducând popularitatea electronicii și împingând această știință în multe domenii noi”. În ciuda previziunilor sale îndrăznețe și neașteptat de precise, el a suferit decenii de îmbunătățiri continue înainte de a obține productivitate și creștere economică.
În mod similar, înțelegerea dezvoltării dramatice a laserelor semiconductoare de mare putere este limitată. În 1962, industria a demonstrat pentru prima dată conversia electronilor în lasere, urmată de o serie de progrese care au condus la îmbunătățiri semnificative în conversia electronilor în procese laser de mare randament. Aceste îmbunătățiri pot susține o serie de aplicații importante, inclusiv stocarea optică, rețele optice și o gamă largă de aplicații industriale.
Reamintind aceste evoluții și numeroasele îmbunătățiri pe care le-au adus la lumină, au evidențiat posibilitatea unui impact mai mare și mai larg asupra multor aspecte ale economiei. De fapt, odată cu îmbunătățirea continuă a laserelor semiconductoare de mare putere, domeniul de aplicare al aplicațiilor importante va crește și va avea un impact profund asupra creșterii economice.
Istoricul laserului cu semiconductor de mare putere
Pe 16 septembrie 1962, o echipă condusă de Robert Hall de la General Electric a demonstrat emisia în infraroșu a semiconductorilor de arseniură de galiu (GaAs), care au modele de interferență „ciudate”, adică Laser de coerență - nașterea primului laser semiconductor. Hall a crezut inițial că laserul cu semiconductor a fost o „loc lung”, deoarece diodele emițătoare de lumină la acea vreme erau foarte ineficiente. În același timp, a fost și el sceptic în privința acestui lucru, deoarece laserul care fusese confirmat în urmă cu doi ani și există deja necesită o „oglindă fină”.
În vara anului 1962, Halle a spus că a fost șocat de diodele emițătoare de lumină GaAs mai eficiente dezvoltate de Laboratorul MIT Lincoln. Ulterior, el a spus că a fost norocos să poată testa niște materiale GaAs de înaltă calitate și și-a folosit experiența de astronom amator pentru a dezvolta o modalitate de a șlefui marginile cipurilor GaAs pentru a forma o cavitate.
Demonstrația de succes a lui Hall se bazează mai degrabă pe proiectarea radiației care se ridică înainte și înapoi la interfață, mai degrabă decât pe verticală. El a spus cu modestie că nimeni „ni s-a întâmplat să vină cu această idee”. De fapt, designul lui Hall este în esență o coincidență fericită că materialul semiconductor care formează ghidul de undă are și proprietatea de a limita purtătorii bipolari în același timp. Altfel, este imposibil să realizezi un laser semiconductor. Folosind materiale semiconductoare diferite, un ghid de undă al plăcii poate fi format pentru a suprapune fotonii cu purtătorii.
Aceste demonstrații preliminare la General Electric au fost o descoperire majoră. Cu toate acestea, aceste lasere sunt departe de a fi dispozitive practice. Pentru a promova nașterea laserelor semiconductoare de mare putere, trebuie realizată fuziunea diferitelor tehnologii. Inovațiile tehnologice cheie au început cu înțelegerea materialelor semiconductoare cu bandgap directă și a tehnicilor de creștere a cristalelor.
Evoluțiile ulterioare au inclus invenția laserelor cu heterojoncție dublă și dezvoltarea ulterioară a laserelor cu puțuri cuantice. Cheia pentru îmbunătățirea în continuare a acestor tehnologii de bază constă în îmbunătățirea eficienței și dezvoltarea pasivării cavității, disipării căldurii și tehnologiei de ambalare.
Luminozitate
Inovația din ultimele decenii a adus îmbunătățiri interesante. În special, îmbunătățirea luminozității este excelentă. În 1985, laserul cu semiconductor de mare putere de ultimă generație a fost capabil să cupleze 105 miliwați de putere într-o fibră de miez de 105 microni. Cele mai avansate lasere semiconductoare de mare putere pot produce acum mai mult de 250 de wați de fibră de 105 microni cu o singură lungime de undă - o creștere de 10 ori la fiecare opt ani.

Moore a conceput „fixarea mai multor componente la circuitul integrat” - apoi, numărul de tranzistori pe cip a crescut de 10 ori la fiecare 7 ani. Întâmplător, laserele semiconductoare de mare putere încorporează mai mulți fotoni în fibră la rate exponențiale similare (vezi Figura 1).

Figura 1. Luminozitatea laserelor semiconductoare de mare putere și comparație cu legea lui Moore
Îmbunătățirea luminozității laserelor semiconductoare de mare putere a promovat dezvoltarea diferitelor tehnologii neprevăzute. Deși continuarea acestei tendințe necesită mai multă inovație, există motive să credem că inovația tehnologiei laser cu semiconductor este departe de a fi finalizată. Fizica binecunoscută poate îmbunătăți și mai mult performanța laserelor cu semiconductori prin dezvoltarea tehnologică continuă.
De exemplu, mediile cu câștig de puncte cuantice pot crește semnificativ eficiența în comparație cu dispozitivele actuale cu puțuri cuantice. Luminozitatea axelor lente oferă un alt potențial de îmbunătățire de ordin de mărime. Noile materiale de ambalare cu potrivire termică și expansiune îmbunătățită vor oferi îmbunătățirile necesare pentru ajustarea continuă a puterii și managementul termic simplificat. Aceste evoluții cheie vor oferi o foaie de parcurs pentru dezvoltarea laserelor semiconductoare de mare putere în următoarele decenii.
Laser cu fibră și cu stare solidă pompate cu diode
Îmbunătățirile laserelor semiconductoare de mare putere au făcut posibilă dezvoltarea tehnologiilor laser în aval; în tehnologiile laser din aval, laserele semiconductoare sunt folosite pentru a excita (pompa) cristale dopate (lasere cu stare solidă pompate cu diode) sau fibre dopate (lasere cu fibre).
Deși laserele cu semiconductor oferă energie laser de înaltă eficiență, cu costuri reduse, există două limitări cheie: nu stochează energie și luminozitatea lor este limitată. Practic, aceste două lasere trebuie utilizate pentru multe aplicații: una pentru transformarea energiei electrice în emisie laser și cealaltă pentru îmbunătățirea luminozității emisiei laser.
Lasere cu stare solidă pompate cu diode. La sfârșitul anilor 1980, utilizarea laserelor semiconductoare pentru pomparea laserelor cu stare solidă a început să câștige popularitate în aplicațiile comerciale. Laserele cu stare solidă pompate cu diode (DPSSL) reduc foarte mult dimensiunea și complexitatea sistemelor de management termic (în principal răcitoare cu recirculare) și obțin module care au combinat istoric lămpi cu arc pentru pomparea cristalelor laser cu stare solidă.
Lungimile de undă ale laserelor semiconductoare sunt selectate pe baza suprapunerii lor cu proprietățile de absorbție spectrală ale mediului de câștig al laserului în stare solidă; sarcina termică este mult redusă în comparație cu spectrul de emisie de bandă largă al lămpii cu arc. Datorită popularității laserelor pe bază de germaniu de 1064 nm, lungimea de undă a pompei de 808 nm a devenit cea mai mare lungime de undă din laserele semiconductoare de mai bine de 20 de ani.
Odată cu creșterea luminozității laserelor semiconductoare multimodale și capacitatea de a stabiliza lățimea îngustă a liniei de emitere cu rețele Bragg de volum (VBG) la mijlocul anului 2000, a fost atinsă a doua generație de eficiență îmbunătățită de pompare a diodelor. Caracteristicile de absorbție mai slabe și înguste din punct de vedere spectral de aproximativ 880 nm au devenit puncte fierbinți pentru diodele cu pompă de luminozitate ridicată. Aceste diode pot atinge stabilitate spectrală. Aceste lasere de performanță superioară pot excita în mod direct nivelul superior 4F3/2 al laserului în siliciu, reducând defectele cuantice, îmbunătățind astfel extracția unor moduri fundamentale de medie mai mare care altfel ar fi limitate de lentilele termice.
Până la începutul anului 2010, am asistat la tendința de scalare de mare putere a laserului de 1064 nm cu un singur mod și a seriei aferente de lasere de conversie a frecvenței care funcționează în benzile vizibile și ultraviolete. Datorită duratelor de viață mai lungi ale stării de energie ridicată a Nd:YAG și Nd:YVO4, aceste operațiuni de comutare DPSSL Q oferă energie de impuls și putere de vârf, făcându-le ideale pentru procesarea materialului ablativ și aplicațiile de microprelucrare de înaltă precizie.
laser cu fibră optică. Laserele cu fibră oferă o modalitate mai eficientă de a converti luminozitatea laserelor semiconductoare de mare putere. Deși optica cu multiplexare a lungimii de undă poate converti un laser semiconductor de luminanță relativ scăzută într-un laser semiconductor mai strălucitor, acest lucru se face în detrimentul lățimii spectrale crescute și al complexității optomecanice. Laserele cu fibre s-au dovedit a fi deosebit de eficiente în conversia fotometrică.
Fibrele cu înveliș dublu introduse în anii 1990 folosesc fibre monomod înconjurate de o placare multimodală, permițând laserelor pompate cu semiconductori multimod cu putere mai mare și costuri mai mici să fie injectate eficient în fibră, creând o modalitate mai economică de a converti un laser semiconductor de mare putere într-un laser mai strălucitor. Pentru fibrele dopate cu itterbiu (Yb), pompa excită o absorbție largă centrată la 915 nm sau o caracteristică de bandă îngustă în jurul a 976 nm. Pe măsură ce lungimea de undă a pompei se apropie de lungimea de undă laser a laserului cu fibră, așa-numitele defecte cuantice sunt reduse, maximizând astfel eficiența și minimizând cantitatea de disipare a căldurii.
Atât laserele cu fibră, cât și laserele cu stare solidă pompate cu diode se bazează pe îmbunătățirea luminozității laserului cu diode. În general, pe măsură ce luminozitatea laserelor cu diode continuă să se îmbunătățească, proporția de putere a laserului pe care o pompează este, de asemenea, în creștere. Luminozitatea crescută a laserelor cu semiconductor facilitează o conversie mai eficientă a luminozității.
După cum ne-am aștepta, luminozitatea spațială și spectrală va fi necesară pentru sistemele viitoare, care vor permite pomparea defectelor cuantice scăzute cu caracteristici de absorbție înguste în laserele cu stare solidă și multiplexarea lungimii de undă densă pentru aplicațiile cu laser cu semiconductor direct. Planul devine posibil.
Piață și aplicație
Dezvoltarea laserelor semiconductoare de mare putere a făcut posibile multe aplicații importante. Aceste lasere au înlocuit multe tehnologii tradiționale și au implementat noi categorii de produse.
Cu o creștere de 10 ori a costurilor și performanței pe deceniu, laserele cu semiconductori de mare putere perturbă funcționarea normală a pieței în moduri imprevizibile. Deși este dificil să preziceți cu exactitate aplicațiile viitoare, este foarte important să trecem în revistă istoria dezvoltării din ultimele trei decenii și să oferiți posibilități cadru pentru dezvoltarea următorului deceniu (vezi Figura 2).

Figura 2. Aplicația de combustibil pentru luminozitatea laser cu semiconductor de mare putere (costul de standardizare pe luminozitate watt)
1980: stocare optică și aplicații inițiale de nișă. Stocarea optică este prima aplicație pe scară largă din industria laserului semiconductor. La scurt timp după ce Hall a arătat pentru prima dată laserul cu semiconductor în infraroșu, General Electrics Nick Holonyak a arătat și primul laser cu semiconductor roșu vizibil. Douăzeci de ani mai târziu, discurile compacte (CD-urile) au fost introduse pe piață, urmate de piața de stocare optică.
Inovația constantă a tehnologiei laser cu semiconductor a condus la dezvoltarea tehnologiilor de stocare optică, cum ar fi discul versatil digital (DVD) și discul Blu-ray (BD). Aceasta este prima piață mare pentru laserele semiconductoare, dar nivelurile de putere în general modeste limitează alte aplicații la piețe de nișă relativ mici, cum ar fi imprimarea termică, aplicațiile medicale și aplicațiile aerospațiale și de apărare selectate.
Anii 1990: rețelele optice predomină. În anii 1990, laserele cu semiconductori au devenit cheia rețelelor de comunicații. Laserele semiconductoare sunt folosite pentru a transmite semnale prin rețelele de fibră optică, dar laserele cu pompă monomod de putere mai mare pentru amplificatoare optice sunt esențiale pentru realizarea la scară a rețelelor optice și pentru a sprijini cu adevărat creșterea datelor de pe Internet.
Boom-ul industriei telecomunicațiilor adus de aceasta este de anvergură, luând ca exemplu Spectra Diode Labs (SDL), unul dintre primii pionieri în industria laserului cu semiconductor de mare putere. Fondată în 1983, SDL este un joint venture între mărcile de laser ale grupului Newport Spectra-Physics și Xerox. A fost lansat în 1995, cu o capitalizare de piață de aproximativ 100 de milioane de dolari. Cinci ani mai târziu, SDL a fost vândut către JDSU pentru mai mult de 40 de miliarde de dolari în timpul vârfului industriei telecomunicațiilor, una dintre cele mai mari achiziții de tehnologie din istorie. Curând după aceea, bula telecomunicațiilor a izbucnit și a distrus miliarde de dolari de capital, acum văzută ca cea mai mare bulă din istorie.
Anii 2000: Laserele au devenit un instrument. Deși izbucnirea bulei pieței de telecomunicații este extrem de distructivă, investiția uriașă în lasere cu semiconductori de mare putere a pus bazele unei adoptări mai largi. Pe măsură ce performanța și costurile cresc, aceste lasere încep să înlocuiască laserele tradiționale cu gaz sau alte surse de conversie a energiei într-o varietate de procese.
Laserele semiconductoare au devenit un instrument utilizat pe scară largă. Aplicațiile industriale variază de la procese tradiționale de fabricație, cum ar fi tăierea și lipirea, până la noile tehnologii avansate de fabricație, cum ar fi fabricarea aditivă a pieselor metalice imprimate 3D. Aplicațiile de micro-producție sunt mai diverse, deoarece produse cheie, cum ar fi smartphone-urile, au fost comercializate cu aceste lasere. Aplicațiile aerospațiale și de apărare implică o gamă largă de aplicații critice și vor include probabil sisteme energetice direcționale de ultimă generație în viitor.
în concluzie 
În urmă cu mai bine de 50 de ani, Moore nu a propus o nouă lege de bază a fizicii, ci a adus mari îmbunătățiri circuitelor integrate care au fost studiate pentru prima dată în urmă cu zece ani. Profeția sa a durat zeci de ani și a adus cu ea o serie de inovații perturbatoare care au fost de neconceput în 1965.
Când Hall a demonstrat laserele semiconductoare în urmă cu mai bine de 50 de ani, a declanșat o revoluție tehnologică. Ca și în cazul legii lui Moore, nimeni nu poate prezice dezvoltarea de mare viteză pe care o vor suferi ulterior laserele cu semiconductor de mare intensitate, obținute printr-un număr mare de inovații.
Nu există o regulă fundamentală în fizică care să controleze aceste îmbunătățiri tehnologice, dar progresul tehnologic continuu poate avansa laserul în ceea ce privește luminozitatea. Această tendință va continua să înlocuiască tehnologiile tradiționale, schimbând astfel și mai mult modul în care sunt dezvoltate lucrurile. Mai important pentru creșterea economică, laserele semiconductoare de mare putere vor promova, de asemenea, nașterea unor lucruri noi.