Suuritehoisten puolijohdelaserien menneisyys ja tulevaisuus

Kun tehokkuus ja teho kasvavat edelleen, laserdiodit korvaavat edelleen perinteisen tekniikan, muuttavat tapoja käsitellä asioita ja kannustavat uusien asioiden syntymää.
Perinteisesti ekonomistit uskovat, että tekninen kehitys on asteittainen prosessi. Viime aikoina teollisuus on keskittynyt enemmän häiritsevään innovaatioon, joka voi aiheuttaa epäjatkuvuuksia. Nämä innovaatiot, joita kutsutaan yleiskäyttöisiksi tekniikoiksi, ovat "syviä uusia ideoita tai tekniikoita, joilla voi olla merkittävä vaikutus moniin talouden osa-alueisiin". Yleisen tekniikan kehittäminen kestää yleensä useita vuosikymmeniä, ja vielä pidempi tuo tuottavuuden kasvua. Aluksi heitä ei ymmärretty hyvin. Jopa tekniikan kaupallistamisen jälkeen tuotannon käyttöönotto viivästyi pitkällä aikavälillä. Integroidut piirit ovat hyvä esimerkki. Transistorit esiteltiin ensimmäisen kerran 1900-luvun alussa, mutta niitä käytettiin laajalti myöhään illalla.
Yksi Mooren lain perustajista, Gordon Moore, ennusti vuonna 1965, että puolijohteet kehittyvät nopeammin "tuoden elektroniikan suosion ja työntämällä tämän tieteen monille uusille aloille". Rohkeista ja yllättäen tarkoista ennusteistaan ​​huolimatta hän on parantunut vuosikymmenien ajan ennen tuottavuuden ja talouskasvun saavuttamista.
Samoin ymmärrys suuritehoisten puolijohdelaserien dramaattisesta kehityksestä on rajallinen. Vuonna 1962 teollisuus osoitti ensimmäisen kerran elektronien muuntumisen lasereiksi, mitä seurasi joukko edistysaskeleita, jotka ovat johtaneet merkittäviin parannuksiin elektronien muuntamisessa korkeatuottoisiksi laserprosesseiksi. Nämä parannukset voivat tukea useita tärkeitä sovelluksia, mukaan lukien optinen tallennus, optinen verkko ja laaja valikoima teollisia sovelluksia.
Palauttaa mieleen nämä kehitykset ja niiden esiin tuomat lukuisat parannukset ovat korostaneet mahdollisuutta lisätä ja laajentaa vaikutuksia moniin talouden osa-alueisiin. Itse asiassa suuritehoisten puolijohdelaserien jatkuvan parantamisen myötä tärkeiden sovellusten laajuus kasvaa ja niillä on syvällinen vaikutus talouskasvuun.
Suuritehoiset puolijohdelaserihistoria
16. syyskuuta 1962 General Electricin Robert Hallin johtama joukkue osoitti galliumarsenidin (GaAs) puolijohteiden infrapunapäästöt, joilla on "outoja" häiriökuvioita eli koherenssilaseria - ensimmäisen puolijohdelaserin syntymä. Hall uskoi alun perin, että puolijohdelaseri oli "pitkä laukaus", koska tuolloin valoa lähettävät diodit olivat hyvin tehotonta. Samalla hän oli myös skeptinen tässä, koska kaksi vuotta sitten vahvistettu ja jo olemassa oleva laser vaatii "hienon peilin".
Kesällä 1962 Halle sanoi olevansa järkyttynyt MIT Lincoln Laboratoryn kehittämistä tehokkaammista GaAs-valodiodeista. Myöhemmin hän sanoi olevansa onnekas voidessaan testata korkealaatuisilla GaAs-materiaaleilla ja käytti kokemustaan ​​amatööri-tähtitieteilijänä kehittäen tapaa kiillottaa GaAs-sirujen reunat onkalon muodostamiseksi.
Hallin onnistunut esittely perustuu säteilyn palautumiseen edestakaisin rajapinnalla eikä pystysuoraan. Hän sanoi vaatimattomasti, ettei kukaan "ole sattunut keksimään tätä ajatusta". Itse asiassa Hallin suunnittelu on olennaisesti onnekas sattuma, että aaltojohdon muodostavalla puolijohdemateriaalilla on myös ominaisuus rajoittaa kaksisuuntaisia ​​kantajia samanaikaisesti. Muuten on mahdotonta toteuttaa puolijohdelaseria. Käyttämällä erilaisia ​​puolijohdemateriaaleja voidaan muodostaa laatan aaltojohto päällekkäisten fotonien kanssa kantajien kanssa.
Nämä alustavat mielenosoitukset General Electricillä olivat merkittävä läpimurto. Nämä laserit ovat kuitenkin kaukana käytännöllisistä laitteista. Suuritehoisten puolijohdelaserien syntymisen edistämiseksi on toteutettava eri tekniikoiden fuusio. Keskeiset teknologiset innovaatiot alkoivat ymmärtää suoria kaistanleveyspuolijohdemateriaaleja ja kiteiden kasvutekniikoita.
Myöhempiin kehityksiin sisältyi kaksinkertaisten heteroyhteyslaserien keksiminen ja sen jälkeen kvanttikaivolaserien kehittäminen. Avain näiden ydinteknologioiden edelleen kehittämiseen on tehokkuuden parantaminen ja ontelon passivoinnin, lämmöntuotannon ja pakkaustekniikan kehittäminen.
Kirkkaus
Viime vuosikymmenien innovaatiot ovat tuottaneet jännittäviä parannuksia. Erityisesti kirkkauden parannus on erinomaista. Vuonna 1985 huipputason suuritehoinen puolijohdelaseri pystyi kytkemään 105 milliwatin tehon 105 mikronin ydinkuituun. Edistyneimmät suuritehoiset puolijohdelaserit voivat nyt tuottaa yli 250 wattia 105 mikronin kuitua yhdellä aallonpituudella - 10-kertainen lisäys kahdeksan vuoden välein.

Moore ajatteli "kiinnittävänsä enemmän komponentteja integroituun piiriin" - sitten transistoreiden määrä sirua kohti kasvoi 10 kertaa 7 vuoden välein. Sattumalta suuritehoiset puolijohdelaserit sisällyttävät kuituun enemmän fotoneja samanlaisilla eksponentiaalisilla nopeuksilla (katso kuva 1).

Kuva 1. Suuritehoisten puolijohdelaserien kirkkaus ja vertailu Mooren lakiin
Suuritehoisten puolijohdelaserien kirkkauden parantaminen on edistänyt erilaisten odottamattomien tekniikoiden kehittämistä. Vaikka tämän suuntauksen jatkuminen vaatii enemmän innovaatioita, on syytä uskoa, että puolijohdelaser-tekniikan innovaatiot ovat kaukana keskeneräisistä. Tunnettu fysiikka voi parantaa edelleen puolijohdelaserien suorituskykyä jatkuvan teknologisen kehityksen avulla.
Esimerkiksi kvanttipisteiden vahvistusvälineet voivat lisätä merkittävästi tehokkuutta verrattuna nykyisiin kvanttikuvalaitteisiin. Hidas akselin kirkkaus tarjoaa toisen suuruusluokan parannuspotentiaalin. Uudet pakkausmateriaalit, joilla on parempi terminen ja paisuntasovitus, tarjoavat parannukset, joita tarvitaan jatkuvaan tehon säätämiseen ja yksinkertaistettuun lämmönhallintaan. Nämä avainkehitykset tarjoavat etenemissuunnitelman suuritehoisten puolijohdelaserien kehittämiseksi tulevina vuosikymmeninä.
Diodipumput kiinteät olo- ja kuitulaserit
Suuritehoisten puolijohdelaserien parannukset ovat mahdollistaneet loppupään lasertekniikoiden kehittämisen; loppupään lasertekniikoissa puolijohdelasereita käytetään seostettujen kiteiden (diodipumputetut kiinteät tilalaserit) tai seostettujen kuitujen (kuitulaserit) virittämiseen.
Vaikka puolijohdelaserit tuottavat erittäin tehokasta ja edullista laserenergiaa, on kaksi keskeistä rajoitusta: ne eivät varastoi energiaa ja niiden kirkkaus on rajallinen. Pohjimmiltaan näitä kahta laseria on käytettävä monissa sovelluksissa: yksi muuntaa sähkö lasersäteilyksi ja toinen lasersäteilyn kirkkauden parantamiseksi.
Diodipumput kiinteän tilan laserit. 1980-luvun lopulla puolijohdelaserien käyttö solid-state-lasereiden pumppaamiseksi alkoi suosia kaupallisissa sovelluksissa. Diodipumput kiinteät tilalaserit (DPSSL) vähentävät huomattavasti lämmönhallintajärjestelmien (pääasiassa kierrätysjäähdyttimien) kokoa ja monimutkaisuutta ja hankkivat moduuleja, joissa on historiallisesti yhdistetty kaarilamput kiinteän tilan laserkiteiden pumppaamiseksi.
Puolijohdelaserien aallonpituudet valitaan niiden päällekkäisyyden perusteella kiinteän tilan laservahvistusvälineen spektriabsorptio-ominaisuuksien kanssa; lämpökuormitus pienenee huomattavasti verrattuna valokaaren laajakaistapäästöspektriin. 1064 nm: n germaniumpohjaisten lasereiden suosion vuoksi 808 nm: n aallonpituudesta on tullut puolijohdelaserien suurin aallonpituus yli 20 vuoden ajan.
Monimoodisten puolijohdelaserien kirkkauden lisääntyessä ja kyvyllä vakauttaa kapea emitterilinjan leveys tilavilla Bragg-ritilöillä (VBG) vuoden 2000 puolivälissä saavutettiin toisen sukupolven parempi diodipumppaustehokkuus. Heikommat ja spektrisesti kapeat absorptio-ominaisuudet noin 880 nm: ssä ovat tulleet kuumien pisteiden kirkkaille pumppudiodeille. Nämä diodit voivat saavuttaa spektrin vakauden. Nämä korkeamman suorituskyvyn laserit voivat suoraan kiihottaa laserin ylemmän tason 4F3 / 2 piitä vähentäen kvanttihäiriöitä ja parantamalla siten keskimääräistä korkeamman perustilan uuttamista, jota muuten lämpöobjektiivit rajoittaisivat.
Vuoden 2010 alkuun mennessä olemme nähneet yksiristimäisen 1064 nm: n laserin ja siihen liittyvien taajuusmuunnoslaserien suuritehoisen skaalauksen trendin, jotka toimivat näkyvillä ja ultraviolettikaistoilla. Nd: YAG: n ja Nd: YVO4: n pidempien korkean energian tilan käyttöiöiden vuoksi nämä DPSSL Q -kytkentäoperaatiot tarjoavat korkean pulssienergian ja huipputehon, mikä tekee niistä ihanteellisia ablaatiomateriaalien käsittelyyn ja erittäin tarkkoihin mikrokoneistussovelluksiin.
kuituoptinen laser. Kuitulaserit tarjoavat tehokkaamman tavan muuntaa suuritehoisten puolijohdelaserien kirkkaus. Vaikka aallonpituudella multipleksoitu optiikka voi muuntaa suhteellisen matalan luminanssin puolijohdelaserin kirkkaammaksi puolijohde-laseriksi, tämä johtuu lisääntyneestä spektrileveydestä ja optomekaanisesta monimutkaisuudesta. Kuitulaserien on osoitettu olevan erityisen tehokkaita fotometrisessä muunnoksessa.
1990-luvulla käyttöönotetut kaksinkertaisesti peitetyt kuidut käyttävät yksimoodikuituja, joita ympäröi monimoodipäällyste, mikä mahdollistaa suuremman tehon, edullisemman monimuotopuolijohdepumppuisten lasereiden injektoinnin tehokkaasti kuituun, mikä luo taloudellisemman tavan muuntaa suuritehoinen puolijohdelaseri kirkkaammaksi laseriksi. Ytterbiumilla (Yb) seostetuille kuiduille pumppu herättää laajan absorptiokeskeisen aallonpituudella 915 nm tai kapean kaistan ominaisuuden noin 976 nm: n alueella. Kun pumpun aallonpituus lähestyy kuitulaserin lasausaallonpituutta, niin sanotut kvanttihäiriöt vähenevät, mikä maksimoi tehokkuuden ja minimoi lämmöntuotannon määrän.
Sekä kuitulaserit että diodipumput kiinteät tilalaserit luottavat diodilaserin kirkkauden parantamiseen. Yleensä, kun diodilaserien kirkkaus paranee edelleen, myös niiden pumppaaman lasertehon osuus kasvaa. Puolijohdelaserien lisääntynyt kirkkaus helpottaa kirkkauden muuntamista.
Kuten voimme odottaa, avaruus- ja spektrikirkkaus ovat välttämättömiä tuleville järjestelmille, mikä mahdollistaa pienikvanttisen vikapumppauksen kapeilla absorptio-ominaisuuksilla kiinteän olomuodon lasereissa ja tiheän aallonpituuden multipleksoinnin suorissa puolijohdelasersovelluksissa. Suunnitelma tulee mahdolliseksi.
Markkinat ja sovellus
Suuritehoisten puolijohdelaserien kehittäminen on mahdollistanut monia tärkeitä sovelluksia. Nämä laserit ovat korvanneet monet perinteiset tekniikat ja ottaneet käyttöön uusia tuoteryhmiä.
Kymmenen kertaa kasvaneet kustannukset ja suorituskyky vuosikymmenessä suuritehoiset puolijohdelaserit häiritsevät markkinoiden normaalia toimintaa arvaamattomilla tavoilla. Vaikka tulevia sovelluksia on vaikea ennustaa tarkasti, on erittäin merkittävää tarkastella viimeisten kolmen vuosikymmenen kehityshistoriaa ja tarjota kehysmahdollisuudet seuraavan vuosikymmenen kehitykselle (katso kuva 2).

Kuva 2. Suuritehoisten puolijohteiden laserkirkkauden polttoainesovellus (standardointikustannus watin kirkkautta kohti)
1980-luku: Optinen varastointi ja alkuperäiset markkinarako-sovellukset. Optinen varastointi on ensimmäinen laajamittainen sovellus puolijohdelaseriteollisuudessa. Pian sen jälkeen, kun Hall näytti ensimmäisen kerran infrapunapuolijohdelaserin, General Electrics Nick Holonyak näytti myös ensimmäisen näkyvän punaisen puolijohdelaserin. Kaksikymmentä vuotta myöhemmin markkinoille tuotiin CD-levyjä, joita seurasivat optisen tallennuksen markkinat.
Puolijohdelaser-tekniikan jatkuva innovaatio on johtanut optisten tallennustekniikoiden, kuten digitaalisen monipuolisen levyn (DVD) ja Blu-ray-levyn (BD), kehittämiseen. Tämä on puolijohdelaserien ensimmäinen suuri markkina-alue, mutta yleensä vaatimaton tehotaso rajoittaa muita sovelluksia suhteellisen pienille markkinarakoille, kuten lämpöpainatukselle, lääketieteellisille sovelluksille sekä valituille ilmailu- ja puolustusalan sovelluksille.
1990-luku: Optiset verkot ovat vallitsevia. 1990-luvulla puolijohdelasereista tuli avain viestintäverkkoihin. Puolijohde-lasereita käytetään signaalien lähettämiseen valokaapeliverkkojen kautta, mutta suuritehoisemmat yksimoodipumppulaserit optisille vahvistimille ovat kriittisiä optisten verkkojen mittakaavan saavuttamiseksi ja Internet-datan todellisen kasvun tukemiseksi.
Sen tuottama televiestintäteollisuuden puomi on kauaskantoinen, esimerkkinä Spectra Diode Labs (SDL), joka on yksi suuritehoisten puolijohdelaseriteollisuuden edelläkävijöistä. Vuonna 1983 perustettu SDL on Newport-konsernin lasermerkkien Spectra-Physics ja Xerox yhteisyritys. Se käynnistettiin vuonna 1995 markkina-arvoltaan noin 100 miljoonaa dollaria. Viisi vuotta myöhemmin SDL myytiin JDSU: lle yli 40 miljardilla dollarilla teleteollisuuden huippunsa aikana, joka on yksi historian suurimmista teknologiaostoista. Pian sen jälkeen televiestintäkupla räjähti ja tuhosi biljoonia dollareita pääomaa, jota nyt pidetään historian suurimpana kuplana.
2000-luku: Lasereista tuli työkalu. Vaikka telemarkkinoiden kuplan puhkeaminen on erittäin tuhoisa, valtavat investoinnit suuritehoisiin puolijohdelasereihin ovat luoneet perustan laajemmalle käyttöönotolle. Suorituskyvyn ja kustannusten kasvaessa nämä laserit alkavat korvata perinteisiä kaasulasereita tai muita energianmuuntolähteitä erilaisissa prosesseissa.
Puolijohdelasereista on tullut laajalti käytetty työkalu. Teolliset sovellukset vaihtelevat perinteisistä valmistusprosesseista, kuten leikkaus ja juotto, uusiin edistyneisiin valmistustekniikoihin, kuten 3D-painettujen metalliosien lisäaineiden valmistukseen. Mikrotuotantosovellukset ovat monipuolisempia, koska näillä lasereilla on kaupallistettu avaintuotteita, kuten älypuhelimia. Ilmailu- ja puolustusalan sovelluksiin liittyy laaja joukko kriittisiä sovelluksia, ja tulevaisuudessa ne todennäköisesti sisältävät seuraavan sukupolven suunnattuja energiajärjestelmiä.
Yhteenvetona
Yli 50 vuotta sitten Moore ei ehdottanut uutta fysiikan peruslakia, mutta teki suuria parannuksia integroituihin piireihin, joita tutkittiin ensimmäisen kerran kymmenen vuotta sitten. Hänen ennustuksensa kesti vuosikymmeniä ja toi mukanaan joukon häiritseviä innovaatioita, joita ei ollut ajateltavissa vuonna 1965.
Kun Hall esitteli puolijohdelasereita yli 50 vuotta sitten, se laukaisi teknologisen vallankumouksen. Kuten Mooren laissa, kukaan ei voi ennustaa nopeaa kehitystä, jonka suurtehoisilla puolijohdelasereilla saavutetaan myöhemmin useilla innovaatioilla.
Fysiikassa ei ole perussääntöä näiden teknisten parannusten hallitsemiseksi, mutta jatkuva tekninen kehitys voi viedä laseria kirkkauden suhteen. Tämä suuntaus korvaa edelleen perinteisen tekniikan ja muuttaa siten edelleen kehitystapaa. Talouskasvulle tärkeämpää ovat suuritehoiset puolijohdelaserit, jotka edistävät myös uusien asioiden syntymistä.