Pengetahuan Profesional

Masa lalu dan masa depan laser semikonduktor berkuasa tinggi

2021-04-12
Oleh kerana kecekapan dan daya terus meningkat, diod laser akan terus menggantikan teknologi tradisional, mengubah cara menangani sesuatu, dan merangsang kelahiran perkara baru.
Secara tradisional, ahli ekonomi percaya bahawa kemajuan teknologi adalah proses yang beransur-ansur. Baru-baru ini, industri ini lebih memfokuskan pada gangguan inovasi yang boleh menyebabkan penghentian. Inovasi-inovasi ini, yang dikenali sebagai teknologi tujuan umum (GPT), adalah "idea atau teknologi baru yang mendalam yang mungkin memberi kesan besar pada banyak aspek ekonomi." Teknologi umum biasanya memerlukan beberapa dekad untuk dikembangkan, dan lebih lama lagi akan membawa peningkatan produktiviti. Pada mulanya, mereka tidak difahami dengan baik. Walaupun teknologi ini dikomersialkan, terdapat kelewatan jangka panjang dalam penggunaan pengeluaran. Litar bersepadu adalah contoh yang baik. Transistor pertama kali diperkenalkan pada awal abad ke-20, tetapi digunakan secara meluas hingga larut malam.
Salah seorang pengasas Undang-Undang Moore, Gordon Moore, meramalkan pada tahun 1965 bahawa semikonduktor akan berkembang pada kadar yang lebih cepat, "membawa populariti elektronik dan mendorong sains ini ke banyak bidang baru." Walaupun terdapat ramalan yang berani dan tidak disangka-sangka, dia telah mengalami puluhan tahun peningkatan berterusan sebelum mencapai produktiviti dan pertumbuhan ekonomi.
Begitu juga, pemahaman mengenai perkembangan dramatik laser semikonduktor berkuasa tinggi adalah terhad. Pada tahun 1962, industri ini pertama kali menunjukkan penukaran elektron menjadi laser, diikuti oleh sejumlah kemajuan yang menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam penukaran elektron menjadi proses laser hasil tinggi. Peningkatan ini dapat menyokong pelbagai aplikasi penting, termasuk penyimpanan optik, rangkaian optik, dan berbagai aplikasi industri.
Mengingat perkembangan ini dan banyak penambahbaikan yang telah mereka sampaikan telah menyoroti kemungkinan kesan yang lebih besar dan lebih meluas pada banyak aspek ekonomi. Sebenarnya, dengan peningkatan berterusan laser semikonduktor kuasa tinggi, skop aplikasi penting akan meningkat dan memberi kesan mendalam terhadap pertumbuhan ekonomi.
Sejarah laser semikonduktor berkuasa tinggi
Pada 16 September 1962, sebuah pasukan yang diketuai oleh General Hall Robert Electric menunjukkan pelepasan inframerah semikonduktor gallium arsenide (GaAs), yang mempunyai corak gangguan "pelik", yang bermaksud koherensi Laser - kelahiran laser semikonduktor pertama. Hall pada mulanya percaya bahawa laser semikonduktor adalah "tembakan panjang" kerana diod pemancar cahaya pada masa itu sangat tidak efisien. Pada saat yang sama, dia juga ragu-ragu tentang hal ini karena laser yang telah disahkan dua tahun lalu dan sudah ada memerlukan "cermin halus."
Pada musim panas tahun 1962, Halle mengatakan bahawa dia terkejut dengan diod pemancar cahaya GaAs yang lebih cekap yang dikembangkan oleh Makmal MIT Lincoln. Selepas itu, dia mengatakan bahawa dia bernasib baik kerana dapat menguji dengan beberapa bahan GaAs berkualiti tinggi dan menggunakan pengalamannya sebagai ahli astronomi amatur untuk mengembangkan cara untuk menggilap tepi cip GaAs untuk membentuk rongga.
Demonstrasi Hall yang berjaya didasarkan pada reka bentuk lantunan sinaran bolak-balik di antara muka dan bukannya pantulan menegak. Dia mengatakan dengan sederhana bahawa tidak seorang pun "kebetulan muncul dengan idea ini." Sebenarnya, reka bentuk Hall pada dasarnya adalah kebetulan yang beruntung bahawa bahan semikonduktor yang membentuk pandu gelombang juga mempunyai sifat membatasi pembawa bipolar pada masa yang sama. Jika tidak, mustahil untuk mewujudkan laser semikonduktor. Dengan menggunakan bahan-bahan semikonduktor yang berbeza, panduan gelombang papak dapat dibentuk untuk tumpang tindih foton dengan pembawa.
Demonstrasi awal ini di General Electric adalah satu kejayaan besar. Walau bagaimanapun, laser ini jauh dari alat praktikal. Untuk mempromosikan kelahiran laser semikonduktor berkuasa tinggi, penyatuan teknologi yang berbeza mesti diwujudkan. Inovasi teknologi utama dimulakan dengan pemahaman mengenai bahan semikonduktor bandgap langsung dan teknik pertumbuhan kristal.
Perkembangan kemudian merangkumi penemuan laser heterojunction ganda dan pengembangan laser telaga kuantum seterusnya. Kunci untuk meningkatkan lagi teknologi teras ini terletak pada peningkatan kecekapan dan pengembangan pasivasi rongga, pelesapan haba, dan teknologi pembungkusan.
Kecerahan
Inovasi sejak beberapa dekad kebelakangan ini membawa peningkatan yang menarik. Khususnya, peningkatan kecerahan sangat baik. Pada tahun 1985, laser semikonduktor berkuasa tinggi canggih mampu menyambungkan kuasa 105 miliwatt menjadi gentian teras 105 mikron. Laser semikonduktor berkuasa tinggi yang paling maju kini dapat menghasilkan lebih daripada 250 watt serat 105-mikron dengan panjang gelombang tunggal - peningkatan 10 kali ganda setiap lapan tahun.

Moore merancang untuk "memperbaiki lebih banyak komponen ke litar bersepadu" - kemudian, jumlah transistor per cip meningkat sebanyak 10 kali setiap 7 tahun. Secara kebetulan, laser semikonduktor berkuasa tinggi memasukkan lebih banyak foton ke dalam serat pada kadar eksponen yang serupa (lihat Rajah 1).

Rajah 1. Kecerahan laser semikonduktor berkuasa tinggi dan perbandingan dengan undang-undang Moore
Peningkatan kecerahan laser semikonduktor berkuasa tinggi telah mendorong pengembangan pelbagai teknologi yang tidak dijangka. Walaupun kelanjutan trend ini memerlukan lebih banyak inovasi, ada alasan untuk mempercayai bahawa inovasi teknologi laser semikonduktor jauh dari selesai. Fizik yang terkenal dapat meningkatkan lagi prestasi laser semikonduktor melalui pengembangan teknologi yang berterusan.
Sebagai contoh, media penambahan titik kuantum dapat meningkatkan kecekapan dengan ketara berbanding dengan peranti sumur kuantum semasa. Kecerahan paksi perlahan menawarkan susunan potensi peningkatan magnitud yang lain. Bahan pembungkusan baru dengan pemadanan haba dan pengembangan yang lebih baik akan memberikan peningkatan yang diperlukan untuk penyesuaian kuasa berterusan dan pengurusan terma yang dipermudahkan. Perkembangan penting ini akan menyediakan peta jalan untuk pengembangan laser semikonduktor berkuasa tinggi dalam beberapa dekad akan datang.
Laser keadaan pepejal dan serat yang dipam diod
Peningkatan laser semikonduktor berkuasa tinggi telah memungkinkan pengembangan teknologi laser hilir; dalam teknologi laser hilir, laser semikonduktor digunakan untuk membangkitkan (mengepam) kristal doped (laser keadaan pepejal yang dipam diod) atau serat doped (laser serat).
Walaupun laser semikonduktor memberikan kecekapan tinggi, tenaga laser kos rendah, terdapat dua batasan utama: mereka tidak menyimpan tenaga dan kecerahannya terhad. Pada dasarnya kedua laser ini harus digunakan untuk banyak aplikasi: satu untuk menukar elektrik menjadi pancaran laser dan satu lagi untuk meningkatkan kecerahan pancaran laser.
Laser keadaan pepejal yang dipam diod. Pada akhir 1980-an, penggunaan laser semikonduktor untuk mengepam laser keadaan pepejal mula mendapat populariti dalam aplikasi komersial. Laser keadaan pepejal yang dipam diod (DPSSL) sangat mengurangkan ukuran dan kerumitan sistem pengurusan termal (terutamanya penyejuk semula peredaran) dan memperoleh modul yang telah menggabungkan lampu arka secara historis untuk mengepam kristal laser keadaan pepejal.
Panjang gelombang laser semikonduktor dipilih berdasarkan pertindihannya dengan sifat penyerapan spektrum medium penguatan laser keadaan pepejal; beban haba berkurang berbanding dengan spektrum pelepasan jalur lebar lampu arka. Kerana populariti laser berasaskan germanium 1064 nm, panjang gelombang pam 808 nm telah menjadi panjang gelombang terbesar dalam laser semikonduktor selama lebih dari 20 tahun.
Dengan peningkatan kecerahan laser semikonduktor multimode dan keupayaan untuk menstabilkan lebar garis pemancar sempit dengan kelantangan Bragg volume (VBGs) pada pertengahan tahun 2000, generasi kedua peningkatan kecekapan pengepaman diod dicapai. Ciri penyerapan yang lebih lemah dan sempit secara spektral sekitar 880 nm telah menjadi titik panas untuk diod pam kecerahan tinggi. Diod ini dapat mencapai kestabilan spektrum. Laser berprestasi lebih tinggi ini secara langsung dapat membangkitkan tahap tinggi laser 4F3 / 2 dalam silikon, mengurangkan kecacatan kuantum, dengan itu meningkatkan pengekstrakan mod asas rata-rata yang lebih tinggi yang sebaliknya akan dibatasi oleh lensa termal.
Pada awal tahun 2010, kami telah menyaksikan trend penskalaan kuasa tinggi laser single-cross-mode 1064nm dan siri laser penukaran frekuensi yang berkaitan yang beroperasi di jalur sinar dan ultraviolet. Oleh kerana jangka hayat tenaga tinggi Nd: YAG dan Nd: YVO4, operasi pensuisan DPSSL Q ini memberikan tenaga nadi tinggi dan daya puncak, menjadikannya sesuai untuk pemprosesan bahan ablatif dan aplikasi micromachining berketepatan tinggi.
laser gentian optik. Laser gentian menyediakan kaedah yang lebih cekap untuk menukar kecerahan laser semikonduktor berkuasa tinggi. Walaupun optik multiplexed panjang gelombang dapat mengubah laser semikonduktor dengan cahaya rendah yang relatif rendah menjadi laser semikonduktor yang lebih cerah, ini mengorbankan peningkatan lebar spektrum dan kerumitan optomekanik. Laser gentian terbukti sangat berkesan dalam penukaran fotometrik.
Serat berpakaian ganda yang diperkenalkan pada tahun 1990-an menggunakan serat mod tunggal yang dikelilingi oleh pelekap multimode, yang membolehkan laser yang dipam semikonduktor berkuasa tinggi, kos rendah disuntik dengan berkesan ke dalam serat, mewujudkan kaedah yang lebih ekonomik untuk menukar laser semikonduktor berkuasa tinggi menjadi laser yang lebih cerah. Untuk serat doped ytterbium (Yb), pam mengujakan penyerapan luas yang berpusat pada 915 nm atau ciri jalur sempit sekitar 976 nm. Apabila panjang gelombang pam menghampiri panjang gelombang laser serat, apa yang disebut kecacatan kuantum dikurangkan, sehingga memaksimumkan kecekapan dan meminimumkan jumlah pelesapan haba.
Kedua-dua laser gentian dan laser keadaan pepejal yang dipam diod bergantung pada peningkatan kecerahan laser diod. Secara umum, ketika kecerahan laser diod terus meningkat, perkadaran daya laser yang mereka pam juga semakin meningkat. Peningkatan kecerahan laser semikonduktor memudahkan penukaran kecerahan yang lebih cekap.
Seperti yang kita jangkakan, kecerahan spasial dan spektrum diperlukan untuk sistem masa depan, yang akan membolehkan pengurangan kecacatan kuantum rendah dengan ciri penyerapan sempit pada laser keadaan pepejal dan multiplexing panjang gelombang yang padat untuk aplikasi laser semikonduktor langsung. Rancangan menjadi mungkin.
Pasaran dan Aplikasi
Perkembangan laser semikonduktor berkuasa tinggi menjadikan banyak aplikasi penting dapat dilaksanakan. Laser ini telah menggantikan banyak teknologi tradisional dan telah menerapkan kategori produk baru.
Dengan kenaikan kos dan prestasi 10 kali ganda setiap dekad, laser semikonduktor berkuasa tinggi mengganggu operasi normal pasaran dengan cara yang tidak dapat diramalkan. Walaupun sukar untuk memprediksi aplikasi masa depan dengan tepat, sangat penting untuk mengkaji sejarah perkembangan tiga dekad yang lalu dan memberikan kemungkinan kerangka untuk pengembangan dekad berikutnya (lihat Gambar 2).

Gambar 2. Aplikasi bahan api kecerahan laser semikonduktor berkuasa tinggi (kos standardisasi per watt
1980-an: Penyimpanan optik dan aplikasi khusus. Penyimpanan optik adalah aplikasi berskala besar pertama dalam industri laser semikonduktor. Tidak lama selepas Hall pertama kali menunjukkan laser semikonduktor inframerah, General Electrics Nick Holonyak juga menunjukkan laser semikonduktor merah pertama yang dapat dilihat. Dua puluh tahun kemudian, cakera padat (CD) diperkenalkan ke pasar, diikuti oleh pasaran penyimpanan optik.
Inovasi berterusan teknologi laser semikonduktor telah mendorong pengembangan teknologi penyimpanan optik seperti cakera serba guna digital (DVD) dan Blu-ray Disc (BD). Ini adalah pasar besar pertama untuk laser semikonduktor, tetapi umumnya tahap daya sederhana membataskan aplikasi lain kepada pasaran khusus yang kecil seperti percetakan termal, aplikasi perubatan, dan aplikasi aeroangkasa dan pertahanan terpilih.
1990-an: Jaringan optik berlaku. Pada tahun 1990-an, laser semikonduktor menjadi kunci kepada rangkaian komunikasi. Laser semikonduktor digunakan untuk menghantar isyarat melalui rangkaian gentian optik, tetapi laser pam mod tunggal berkuasa tinggi untuk penguat optik sangat penting untuk mencapai skala rangkaian optik dan benar-benar menyokong pertumbuhan data Internet.
Boom industri telekomunikasi yang dibawa olehnya sangat luas, dengan mengambil Spectra Diode Labs (SDL), salah satu pelopor pertama dalam industri laser semikonduktor berkuasa tinggi sebagai contoh. Ditubuhkan pada tahun 1983, SDL adalah usaha sama antara jenama laser Spectra-Physics dan Xerox jenama Newport Group. Ia dilancarkan pada tahun 1995 dengan permodalan pasaran sekitar $ 100 juta. Lima tahun kemudian, SDL dijual kepada JDSU dengan harga lebih dari $ 40 bilion semasa puncak industri telekomunikasi, salah satu pemerolehan teknologi terbesar dalam sejarah. Tidak lama kemudian, gelembung telekomunikasi meletus dan menghancurkan triliunan dolar modal, yang kini dilihat sebagai gelembung terbesar dalam sejarah.
2000-an: Laser menjadi alat. Walaupun ledakan gelembung pasaran telekomunikasi sangat merosakkan, pelaburan besar dalam laser semikonduktor berkuasa tinggi telah meletakkan asas untuk penerapan yang lebih luas. Seiring peningkatan prestasi dan kos, laser ini mulai menggantikan laser gas tradisional atau sumber penukaran tenaga lain dalam pelbagai proses.
Laser semikonduktor telah menjadi alat yang banyak digunakan. Aplikasi perindustrian berkisar dari proses pembuatan tradisional seperti pemotongan dan pematerian hingga teknologi pembuatan canggih baru seperti pembuatan aditif bahagian logam bercetak 3D. Aplikasi pembuatan mikro lebih pelbagai, kerana produk utama seperti telefon pintar telah dikomersialkan dengan laser ini. Aplikasi aeroangkasa dan pertahanan melibatkan pelbagai aplikasi kritikal misi dan kemungkinan akan merangkumi sistem tenaga pengarah generasi akan datang di masa depan.
untuk meringkaskan
Lebih dari 50 tahun yang lalu, Moore tidak mengusulkan undang-undang asas fizik baru, tetapi membuat peningkatan yang besar pada rangkaian terpadu yang pertama kali dipelajari sepuluh tahun yang lalu. Ramalannya berlangsung selama beberapa dekad dan membawa serangkaian inovasi mengganggu yang tidak dapat difikirkan pada tahun 1965.
Ketika Hall menunjukkan laser semikonduktor lebih dari 50 tahun yang lalu, ia memicu revolusi teknologi. Seperti halnya Undang-Undang Moore, tidak ada yang dapat meramalkan pengembangan berkelajuan tinggi yang dicapai oleh laser semikonduktor intensiti tinggi oleh sebilangan besar inovasi yang kemudiannya akan dilalui.
Tidak ada peraturan asas dalam fizik untuk mengawal peningkatan teknologi ini, tetapi kemajuan teknologi yang berterusan dapat memajukan laser dari segi kecerahan. Trend ini akan terus menggantikan teknologi tradisional, seterusnya mengubah cara pengembangan sesuatu. Lebih penting bagi pertumbuhan ekonomi, laser semikonduktor berkuasa tinggi juga akan mendorong kelahiran perkara baru.