Fortiden og fremtiden for højeffektive halvlederlasere

Efterhånden som effektiviteten og kraften fortsætter med at stige, vil laserdioder fortsætte med at erstatte traditionelle teknologier, ændre måden, tingene håndteres på, og stimulere fødslen af ​​nye ting.
Traditionelt mener økonomer, at teknologisk fremskridt er en gradvis proces. For nylig har branchen fokuseret mere på forstyrrende innovation, der kan forårsage diskontinuiteter. Disse innovationer, kendt som generelle formålsteknologier (GPT'er), er "dybe nye ideer eller teknologier, der kan have stor indflydelse på mange aspekter af økonomien." Generel teknologi tager normalt flere årtier at udvikle, og endnu længere vil medføre en stigning i produktiviteten. Først blev de ikke godt forstået. Selv efter teknologien blev kommercialiseret, var der en langvarig forsinkelse i produktionen. Integrerede kredsløb er et godt eksempel. Transistorer blev først introduceret i det tidlige 20. århundrede, men de blev meget brugt indtil sent på aftenen.
En af grundlæggerne af Moores lov, Gordon Moore, forudsagde i 1965, at halvledere vil udvikle sig hurtigere og "bringe elektronikens popularitet og skubbe denne videnskab ind i mange nye områder." På trods af hans dristige og uventede nøjagtige forudsigelser har han gennemgået årtier med kontinuerlig forbedring, inden han opnåede produktivitet og økonomisk vækst.
Ligeledes er forståelsen af ​​den dramatiske udvikling af højeffekt halvlederlasere begrænset. I 1962 demonstrerede industrien først konvertering af elektroner til lasere, efterfulgt af en række fremskridt, der har ført til betydelige forbedringer i konvertering af elektroner til højtydende laserprocesser. Disse forbedringer kan understøtte en række vigtige applikationer, herunder optisk lagring, optisk netværk og en bred vifte af industrielle applikationer.
At mindes om denne udvikling og de mange forbedringer, de har bragt i lyset, har understreget muligheden for større og mere udbredt indvirkning på mange aspekter af økonomien. Faktisk med den kontinuerlige forbedring af højeffektive halvlederlasere vil omfanget af vigtige applikationer øges og have en dybtgående indvirkning på den økonomiske vækst.
Højeffekt halvlederlaserhistorie
Den 16. september 1962 demonstrerede et hold ledet af General Electrics Robert Hall den infrarøde emission af galliumarsenid (GaAs) halvledere, som har "underlige" interferensmønstre, hvilket betyder kohærens Laser - fødslen af ​​den første halvlederlaser. Hall troede oprindeligt, at halvlederlaseren var et "langskud", fordi lysdioderne på det tidspunkt var meget ineffektive. Samtidig var han også skeptisk over for dette, fordi laseren, der var blevet bekræftet for to år siden og allerede eksisterer, kræver et "fint spejl."
I sommeren 1962 sagde Halle, at han var chokeret over de mere effektive GaAs lysemitterende dioder udviklet af MIT Lincoln Laboratory. Derefter sagde han, at han var heldig at være i stand til at teste med nogle GaAs-materialer af høj kvalitet og brugte sin erfaring som amatørastronom til at udvikle en måde at polere kanterne af GaAs-chips til at danne et hulrum.
Halls vellykkede demonstration er baseret på design af stråling hopper frem og tilbage ved grænsefladen snarere end lodret hopp. Han sagde beskedent, at ingen "tilfældigvis kom på denne idé." Faktisk er Halls design i det væsentlige en heldig tilfældighed, at halvledermaterialet, der danner bølgelederen, også har den egenskab at begrænse bipolære bærere på samme tid. Ellers er det umuligt at realisere en halvlederlaser. Ved at anvende forskellige halvledermaterialer kan der dannes en pladebølgeleder til at overlappe fotoner med bærere.
Disse indledende demonstrationer hos General Electric var et stort gennembrud. Disse lasere er dog langt fra praktiske enheder. For at fremme fødslen af ​​højeffektive halvlederlasere skal sammensmeltning af forskellige teknologier realiseres. De vigtigste teknologiske innovationer begyndte med en forståelse af direkte båndgap halvledermaterialer og krystalvækstteknikker.
Senere udviklinger omfattede opfindelsen af ​​dobbelt heterojunction lasere og den efterfølgende udvikling af kvantebrønd lasere. Nøglen til yderligere forbedring af disse kerneteknologier ligger i forbedring af effektivitet og udvikling af hulrumspassivering, varmeafledning og emballeringsteknologi.
Lysstyrke
Innovation gennem de sidste par årtier har medført spændende forbedringer. Især er forbedringen af ​​lysstyrken fremragende. I 1985 var den avancerede halvlederlaser med høj effekt i stand til at koble 105 milliwatt strøm til en 105 mikron kernefiber. De mest avancerede højeffektive halvlederlasere kan nu producere mere end 250 watt 105 mikron fiber med en enkelt bølgelængde - en 10-gangs stigning hvert otte år.

Moore udtænkte "fastgørelse af flere komponenter til det integrerede kredsløb" - derefter steg antallet af transistorer pr. Chip med 10 gange hvert 7. år. Tilfældigvis inkorporerer højeffektive halvlederlasere flere fotoner i fiberen ved lignende eksponentielle hastigheder (se figur 1).

Figur 1. Lysstyrke af højeffektive halvlederlasere og sammenligning med Moores lov
Forbedringen i lysstyrke af højeffektive halvlederlasere har fremmet udviklingen af ​​forskellige uforudsete teknologier. Selv om fortsættelsen af ​​denne tendens kræver mere innovation, er der grund til at tro, at innovationen af ​​halvlederlaserteknologi langt fra er afsluttet. Den velkendte fysik kan yderligere forbedre ydelsen af ​​halvlederlasere gennem kontinuerlig teknologisk udvikling.
For eksempel kan quantum dot gain-medier markant øge effektiviteten sammenlignet med nuværende enheder for kvantebrønd. Langsom akse lysstyrke giver en anden størrelsesforbedringspotentiale. Nye emballagematerialer med forbedret termisk og ekspansionsmatchning giver de forbedringer, der er nødvendige for kontinuerlig strømjustering og forenklet termisk styring. Disse nøgleudviklinger vil give en køreplan for udviklingen af ​​højeffektive halvlederlasere i de kommende årtier.
Diode-pumpet solid-state og fiberlasere
Forbedringer af højeffektive halvlederlasere har gjort det muligt at udvikle downstream-laserteknologier; i downstream laserteknologier bruges halvlederlasere til at excitere (pumpe) doterede krystaller (diode-pumpede solid-state lasere) eller dopede fibre (fiberlasere).
Selvom halvlederlasere giver højeffektiv og billig laserenergi, er der to nøglebegrænsninger: de lagrer ikke energi, og deres lysstyrke er begrænset. Dybest set skal disse to lasere bruges til mange applikationer: den ene til at konvertere elektricitet til laseremission og den anden til at forbedre lysemissionen af ​​laseremissionen.
Diodepumpede solid state-lasere. I slutningen af ​​1980'erne begyndte brugen af ​​halvlederlasere til at pumpe solid state-lasere at vinde popularitet i kommercielle applikationer. Diodepumpede solid state-lasere (DPSSL) reducerer i høj grad størrelsen og kompleksiteten af ​​termiske styringssystemer (hovedsageligt recirkulerende kølere) og opnår moduler, der historisk har kombineret lysbuer til pumpning af solid state-laserkrystaller.
Bølgelængderne af halvlederlaserne vælges ud fra deres overlapning med de spektrale absorptionsegenskaber for solid-state laserforstærkningsmediet; varmebelastningen reduceres kraftigt sammenlignet med lysbuelampens bredbåndsemissionsspektrum. På grund af populariteten af ​​1064 nm germanium-baserede lasere er 808 nm pumpens bølgelængde blevet den største bølgelængde i halvlederlasere i mere end 20 år.
Med stigningen i lysstyrken på multimode halvlederlasere og evnen til at stabilisere den smalle emitterlinjebredde med volumen Bragg-gitre (VBG'er) i midten af ​​2000 blev anden generation af forbedret diode-pumpningseffektivitet opnået. De svagere og spektralt smalle absorptionsfunktioner omkring 880 nm er blevet hot spots for pumpedioder med høj lysstyrke. Disse dioder kan opnå spektral stabilitet. Disse lasere med højere ydeevne kan direkte excitere laserens øvre niveau 4F3 / 2 i silicium, hvilket reducerer kvantefejl og derved forbedrer udvindingen af ​​grundlæggende tilstande med højere gennemsnit, som ellers ville være begrænset af termiske linser.
I begyndelsen af ​​2010 har vi været vidne til den kraftige skaleringstendens for single-cross-mode 1064nm-laseren og relaterede serier af frekvensomdannelseslasere, der fungerer i de synlige og ultraviolette bånd. På grund af Nd: YAGs og Nd: YVO4's lange energitilstandsperiode giver disse DPSSL Q-skifteoperationer høj pulsenergi og spidseffekt, hvilket gør dem ideelle til bearbejdning af ablativt materiale og applikationer med høj præcision til mikromaskiner.
fiberoptisk laser. Fiberlasere giver en mere effektiv måde at konvertere lysstyrken på halvlederlasere med høj effekt. Selvom bølgelængde-multiplekset optik kan konvertere en relativt lav-luminans halvlederlaser til en lysere halvlederlaser, sker dette på bekostning af øget spektral bredde og optomekanisk kompleksitet. Fiberlasere har vist sig at være særligt effektive til fotometrisk konvertering.
De dobbeltklædte fibre, der blev introduceret i 1990'erne, bruger single-mode fibre omgivet af en multimode beklædning, hvilket gør det muligt at injicere lasere med højere effekt, billigere multimode halvlederpumpe effektivt i fiberen, hvilket skaber en mere En økonomisk måde at konvertere en halvleder med høj effekt til en lysere laser. For ytterbium (Yb) doterede fibre exciterer pumpen en bred absorption centreret ved 915 nm eller et smalt båndfunktion omkring 976 nm. Når pumpens bølgelængde nærmer sig laserbølgelængden for fiberlaseren, reduceres såkaldte kvantefejl og maksimerer dermed effektiviteten og minimerer mængden af ​​varmeafledning.
Både fiberlasere og diodepumpede solid state-lasere er afhængige af forbedringer i lysdioden for diodelaser. Generelt, da lysstyrken på diodelaser fortsætter med at forbedre sig, øges andelen af ​​lasereffekt, som de pumper også. Den øgede lysstyrke af halvlederlasere letter mere effektiv konvertering af lysstyrke.
Som vi ville forvente, vil rumlig og spektral lysstyrke være nødvendig for fremtidige systemer, som vil muliggøre pumpning med lav kvantedefekt med smalle absorptionsegenskaber i solid state-lasere og tæt bølgelængdemultipleksering til direkte halvlederlaserapplikationer. Planen bliver mulig.
Marked og anvendelse
Udviklingen af ​​højeffektive halvlederlasere har gjort det muligt for mange vigtige anvendelser. Disse lasere har erstattet mange traditionelle teknologier og har implementeret nye produktkategorier.
Med en 10 gange stigning i omkostninger og ydelse pr. Årti forstyrrer halvlederlasere med høj effekt den normale drift af markedet på uforudsigelige måder. Selv om det er vanskeligt at forudsige nøjagtige fremtidige applikationer, er det meget vigtigt at gennemgå udviklingshistorikken i de sidste tre årtier og give rammemuligheder for udviklingen af ​​det næste årti (se figur 2).

Figur 2. Brændstofanvendelse med høj effekt halvlederlaserlysstyrke (standardiseringsomkostninger pr. Watt lysstyrke)
1980'erne: Optisk opbevaring og indledende niche-applikationer. Optisk lagring er den første store applikation i halvlederlaserindustrien. Kort efter at Hall først viste den infrarøde halvlederlaser, viste General Electrics Nick Holonyak også den første synlige røde halvlederlaser. Tyve år senere blev cd'er introduceret på markedet efterfulgt af markedet for optisk lagring.
Den konstante innovation inden for halvlederlaserteknologi har ført til udviklingen af ​​optiske lagringsteknologier såsom digital alsidig disk (DVD) og Blu-ray Disc (BD). Dette er det første store marked for halvlederlasere, men generelt begrænser beskedne effektniveauer andre applikationer til relativt små nichemarkeder såsom termotryk, medicinske applikationer og udvalgte luft- og forsvarsapplikationer.
1990'erne: Optiske netværk er fremherskende. I 1990'erne blev halvlederlasere nøglen til kommunikationsnetværk. Halvlederlasere bruges til at transmittere signaler over fiberoptiske netværk, men single-mode pumpelasere med højere effekt til optiske forstærkere er afgørende for at opnå skala af optiske netværk og virkelig understøtter væksten af ​​internetdata.
Telekommunikationsindustriens boom, som den bringer, er vidtrækkende og tager Spectra Diode Labs (SDL), en af ​​de første pionerer i højeffekt halvlederlaserindustrien som et eksempel. SDL blev grundlagt i 1983 og er et joint venture mellem Newport Groups lasermærker Spectra-Physics og Xerox. Det blev lanceret i 1995 med en markedsværdi på ca. $ 100 millioner. Fem år senere blev SDL solgt til JDSU for mere end $ 40 milliarder dollar under telekommunikationsindustriens højdepunkt, en af ​​de største teknologikøb i historien. Kort tid efter sprang telekommunikationsboblen og ødelagde billioner af dollars kapital, nu betragtet som den største boble i historien.
2000'erne: Lasere blev et værktøj. Selvom sprængningen af ​​telekommunikationsmarkedsboblen er ekstremt ødelæggende, har den enorme investering i højeffektive halvlederlasere lagt grundlaget for bredere anvendelse. Efterhånden som ydeevne og omkostninger stiger, begynder disse lasere at erstatte traditionelle gaslasere eller andre energiomdannelseskilder i en række forskellige processer.
Halvlederlasere er blevet et meget anvendt værktøj. Industrielle applikationer spænder fra traditionelle fremstillingsprocesser såsom skæring og lodning til nye avancerede produktionsteknologier såsom additiv fremstilling af 3D-trykte metaldele. Mikrofabrikationsapplikationer er mere forskellige, da nøgleprodukter såsom smartphones er kommercialiseret med disse lasere. Luft- og forsvarsapplikationer involverer en bred vifte af missionskritiske applikationer og vil sandsynligvis omfatte næste generations retningsbestemte energisystemer i fremtiden.
at opsummere
For mere end 50 år siden foreslog Moore ikke en ny grundlæggende fysiklov, men gjorde store forbedringer af de integrerede kredsløb, der først blev undersøgt for ti år siden. Hans profeti varede i årtier og førte med sig en række forstyrrende innovationer, der var utænkelige i 1965.
Da Hall demonstrerede halvlederlasere for mere end 50 år siden, udløste det en teknologisk revolution. Som med Moores lov kan ingen forudsige den hastighedsudvikling, som halvintensiv halvlederlasere opnået ved et stort antal innovationer efterfølgende vil gennemgå.
Der er ingen grundlæggende regel i fysik for at kontrollere disse teknologiske forbedringer, men kontinuerlig teknologisk fremskridt kan fremme laseren med hensyn til lysstyrke. Denne tendens vil fortsat erstatte traditionelle teknologier og derved ændre den måde, tingene udvikles på. Mere vigtigt for økonomisk vækst vil halvlederlasere med høj effekt også fremme fødslen af ​​nye ting.