Fortiden og fremtiden for højeffekt 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 tror økonomer, at teknologiske fremskridt er en gradvis proces. På det seneste har industrien fokuseret mere på disruptiv innovation, der kan forårsage diskontinuiteter. Disse innovationer, kendt som teknologier til generelle formål (GPT'er), er "dybe nye ideer eller teknologier, der kan have en stor indflydelse på mange aspekter af økonomien." Generel teknologi tager normalt flere årtier at udvikle, og endnu længere vil medføre en stigning i produktiviteten. I starten var de ikke godt forstået. Selv efter at teknologien var blevet kommercialiseret, var der et langsigtet forsinkelse i produktionen. Integrerede kredsløb er et godt eksempel. Transistorer blev først introduceret i begyndelsen af ​​det 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 i en hurtigere hastighed, "som bringer elektronikkens popularitet og skubber denne videnskab ind på mange nye områder." På trods af hans dristige og uventet præcise forudsigelser har han gennemgået årtiers kontinuerlige forbedringer, før han opnåede produktivitet og økonomisk vækst.
Tilsvarende er forståelsen af ​​den dramatiske udvikling af højeffekthalvlederlasere begrænset. I 1962 demonstrerede industrien for første gang omdannelsen af ​​elektroner til lasere, efterfulgt af en række fremskridt, der har ført til betydelige forbedringer i omdannelsen af ​​elektroner til højtydende laserprocesser. Disse forbedringer kan understøtte en række vigtige applikationer, herunder optisk lagring, optisk netværk og en lang række industrielle applikationer.
Minde om denne udvikling og de talrige forbedringer, de har bragt frem i lyset, har fremhævet muligheden for større og mere udbredt indvirkning på mange aspekter af økonomien. Faktisk vil omfanget af vigtige applikationer med den kontinuerlige forbedring af højeffekthalvlederlasere øges og have en dyb indvirkning på økonomisk 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 "mærkelige" interferensmønstre, hvilket betyder kohærens Laser - fødslen af ​​den første halvlederlaser. Hall mente oprindeligt, at halvlederlaseren var et "long shot", fordi de lysemitterende dioder 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. Efterfølgende sagde han, at han var heldig at være i stand til at teste med nogle højkvalitets GaAs-materialer og brugte sin erfaring som amatørastronom til at udvikle en måde at polere kanterne på GaAs-chips for at danne et hulrum.
Halls succesfulde demonstration er baseret på designet af stråling, der hopper frem og tilbage ved grænsefladen i stedet for lodret afvisning. Han sagde beskedent, at ingen "tilfældigvis er kommet på denne idé." Faktisk er Halls design i det væsentlige et heldigt tilfælde af, at det halvledermateriale, der danner bølgelederen, også har den egenskab at begrænse bipolære bærere på samme tid. Ellers er det umuligt at realisere en halvlederlaser. Ved at bruge uens halvledermaterialer kan en pladebølgeleder dannes 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 ​​høj-effekt halvlederlasere skal fusion af forskellige teknologier realiseres. Vigtige teknologiske innovationer begyndte med en forståelse af direkte båndgap-halvledermaterialer og krystalvækstteknikker.
Senere udviklinger omfattede opfindelsen af ​​dobbelte heterojunction-lasere og den efterfølgende udvikling af kvantebrøndlasere. Nøglen til yderligere at forbedre disse kerneteknologier ligger i forbedringen af ​​effektiviteten og udviklingen af ​​kavitetspassivering, varmeafledning og emballeringsteknologi.
Lysstyrke
Innovation gennem de seneste årtier har medført spændende forbedringer. Især lysstyrkeforbedringen er fremragende. I 1985 var den state-of-the-art højeffekt halvlederlaser i stand til at koble 105 milliwatt strøm til en 105 mikron kerne fiber. De mest avancerede halvlederlasere med høj effekt kan nu producere mere end 250 watt 105-mikron fiber med en enkelt bølgelængde - en 10-dobling hvert ottende år.

Moore opfattede at "fikse flere komponenter til det integrerede kredsløb" - derefter steg antallet af transistorer pr. chip med 10 gange hvert 7. år. Tilfældigvis inkorporerer højeffekthalvlederlasere flere fotoner i fiberen ved lignende eksponentielle hastigheder (se figur 1).

Figur 1. Lysstyrke af højeffekthalvlederlasere og sammenligning med Moores lov
Forbedringen i lysstyrke af højeffekt halvlederlasere har fremmet udviklingen af ​​forskellige uforudsete teknologier. Selvom fortsættelsen af ​​denne trend kræver mere innovation, er der grund til at tro, at innovationen af ​​halvlederlaserteknologien langt fra er afsluttet. Den velkendte fysik kan yderligere forbedre ydeevnen af ​​halvlederlasere gennem kontinuerlig teknologisk udvikling.
For eksempel kan quantum dot gain-medier øge effektiviteten betydeligt sammenlignet med nuværende quantum well-enheder. Langsom akse lysstyrke tilbyder en anden størrelsesorden forbedring potentiale. Nye emballagematerialer med forbedret termisk og ekspansionsmatching vil give de forbedringer, der er nødvendige for kontinuerlig effektjustering og forenklet termisk styring. Disse nøgleudviklinger vil give en køreplan for udviklingen af ​​højeffekthalvlederlasere i de kommende årtier.
Diodepumpede solid state- og fiberlasere
Forbedringer i højeffekt halvlederlasere har gjort udviklingen af ​​downstream laserteknologier mulig; i downstream laserteknologier bruges halvlederlasere til at excitere (pumpe) doterede krystaller (diodepumpede solid-state lasere) eller doterede fibre (fiberlasere).
Selvom halvlederlasere giver højeffektiv, lavpris laserenergi, er der to vigtige begrænsninger: de lagrer ikke energi, og deres lysstyrke er begrænset. Grundlæggende skal disse to lasere bruges til mange applikationer: en til at konvertere elektricitet til laseremission og den anden til at forbedre lysstyrken 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 har historisk kombinerede lysbuelamper til pumpning af solid-state laserkrystaller.
Bølgelængderne af halvlederlaserne er valgt ud fra deres overlapning med de spektrale absorptionsegenskaber af faststoflaserforstærkningsmediet; varmebelastningen er stærkt reduceret sammenlignet med lysbuelampens bredbånds-emissionsspektrum. På grund af populariteten af ​​1064 nm germanium-baserede lasere er 808 nm pumpebølgelængden blevet den største bølgelængde i halvlederlasere i mere end 20 år.
Med stigningen i lysstyrken af ​​multimode halvlederlasere og evnen til at stabilisere den smalle emitterlinjebredde med volumen Bragg-gitter (VBG'er) i midten af ​​2000, blev anden generation af forbedret diodepumpeeffektivitet opnået. De svagere og spektralt smalle absorptionsegenskaber omkring 880 nm er blevet hot spots for pumpedioder med høj lysstyrke. Disse dioder kan opnå spektral stabilitet. Disse højtydende lasere kan direkte excitere laserens øverste niveau 4F3/2 i silicium, hvilket reducerer kvantefejl og forbedrer derved udvindingen af ​​højere gennemsnitlige fundamentale tilstande, som ellers ville være begrænset af termiske linser.
I begyndelsen af ​​2010 har vi været vidne til højeffektskaleringstendensen for single-cross-mode 1064nm laseren og relaterede serier af frekvenskonverteringslasere, der opererer i det synlige og ultraviolette bånd. På grund af den længere højenergitilstandslevetid for Nd:YAG og Nd:YVO4 giver disse DPSSL Q-switchoperationer høj pulsenergi og spidseffekt, hvilket gør dem ideelle til ablativ materialebehandling og mikrobearbejdningsapplikationer med høj præcision.
fiberoptisk laser. Fiberlasere giver en mere effektiv måde at konvertere lysstyrken af ​​halvlederlasere med høj effekt. Selvom bølgelængdemultiplekset optik kan konvertere en halvlederlaser med relativt lav luminans til en lysere halvlederlaser, er dette på bekostning af øget spektral bredde og optomekanisk kompleksitet. Fiberlasere har vist sig at være særligt effektive til fotometrisk konvertering.
De dobbelt-beklædte fibre, der blev introduceret i 1990'erne, bruger single-mode fibre omgivet af en multimode-beklædning, hvilket gør det muligt at injicere en mere effektiv og billigere multimode halvlederpumpede lasere effektivt i fiberen, hvilket skaber en mere økonomisk måde at konvertere en høj effekt halvlederlaser til en lysere laser. For ytterbium (Yb)-doterede fibre exciterer pumpen en bred absorption centreret ved 915 nm eller et smalbåndstræk omkring 976 nm. Når pumpens bølgelængde nærmer sig fiberlaserens laserende bølgelængde, reduceres såkaldte kvantefejl, hvorved effektiviteten maksimeres og mængden af ​​varmeafledning minimeres.
Både fiberlasere og diodepumpede solid-state lasere er afhængige af forbedringer i diodelaserens lysstyrke. Generelt, da lysstyrken af ​​diodelasere fortsætter med at forbedres, stiger andelen af ​​lasereffekt, som de pumper, også. Den øgede lysstyrke af halvlederlasere letter mere effektiv lysstyrkekonvertering.
Som vi kunne forvente, vil rumlig og spektral lysstyrke være nødvendig for fremtidige systemer, hvilket vil muliggøre pumpning med lav kvantefejl med snævre absorptionsegenskaber i faststoflasere og tæt bølgelængdemultipleksing til direkte halvlederlaserapplikationer. Planen bliver mulig.
Marked og applikation
Udviklingen af ​​højeffekt halvlederlasere har gjort mange vigtige applikationer mulige. Disse lasere har erstattet mange traditionelle teknologier og har implementeret nye produktkategorier.
Med en 10-dobling i omkostninger og ydeevne pr. årti forstyrrer højeffekthalvlederlasere den normale drift af markedet på uforudsigelige måder. Selvom det er vanskeligt præcist at forudsige fremtidige anvendelser, er det meget vigtigt at gennemgå udviklingshistorien fra de seneste tre årtier og give rammemuligheder for udviklingen af ​​det næste årti (se figur 2).

Figur 2. Højeffekt halvlederlaserlysstyrke brændstofanvendelse (standardiseringsomkostninger pr. watt lysstyrke)
1980'erne: Optisk lagring og indledende nicheapplikationer. Optisk lagring er den første applikation i stor skala 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 (cd'er) introduceret på markedet, efterfulgt af markedet for optisk lagring.
Den konstante innovation af halvlederlaserteknologi har ført til udviklingen af ​​optiske lagringsteknologier såsom digital versatile disc (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 termisk print, medicinske applikationer og udvalgte rumfarts- 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 enkelttilstandspumpelasere med højere effekt til optiske forstærkere er afgørende for at opnå skala af optiske netværk og virkelig understøtte væksten af ​​internetdata.
Det boom i telekommunikationsindustrien, den har medført, er vidtrækkende, idet man tager Spectra Diode Labs (SDL), en af ​​de første pionerer inden for højeffekthalvlederlaserindustrien som 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 cirka 100 millioner dollars. Fem år senere blev SDL solgt til JDSU for mere end 40 milliarder dollars under telekommunikationsindustriens højdepunkt, et af de største teknologiopkøb i historien. Kort efter bristede telekommunikationsboblen og ødelagde billioner af dollars af kapital, som nu betragtes som historiens største boble.
2000'erne: Lasere blev et værktøj. Selvom sprængningen af ​​telekommunikationsmarkedsboblen er ekstremt ødelæggende, har den enorme investering i højeffekthalvlederlasere lagt grundlaget for en bredere anvendelse. Efterhånden som ydeevnen og omkostningerne stiger, begynder disse lasere at erstatte traditionelle gaslasere eller andre energiomdannelseskilder i en række forskellige processer.
Halvlederlasere er blevet et meget brugt værktøj. Industrielle anvendelser spænder fra traditionelle fremstillingsprocesser såsom skæring og lodning til nye avancerede fremstillingsteknologier såsom additiv fremstilling af 3D-printede metaldele. Mikroproduktionsapplikationer er mere forskellige, da nøgleprodukter såsom smartphones er blevet kommercialiseret med disse lasere. Luftfarts- 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 lavede store forbedringer af de integrerede kredsløb, der først blev undersøgt for ti år siden. Hans profeti varede i årtier og bragte en række forstyrrende innovationer med sig, som 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 højhastighedsudvikling, som højintensive halvlederlasere opnået ved et stort antal innovationer efterfølgende vil gennemgå.
Der er ingen grundlæggende regel i fysik til at kontrollere disse teknologiske forbedringer, men kontinuerlige teknologiske fremskridt kan fremme laseren med hensyn til lysstyrke. Denne tendens vil fortsætte med at erstatte traditionelle teknologier og dermed yderligere ændre måden, tingene udvikles på. Mere vigtigt for økonomisk vækst, højeffekt halvlederlasere vil også fremme fødslen af ​​nye ting.