Masa lalu dan masa depan laser semikonduktor berkuasa tinggi

Apabila kecekapan dan kuasa terus meningkat, diod laser akan terus menggantikan teknologi tradisional, mengubah cara perkara dikendalikan, dan merangsang kelahiran perkara baharu.
Secara tradisinya, ahli ekonomi percaya bahawa kemajuan teknologi adalah proses yang beransur-ansur. Baru-baru ini, industri lebih menumpukan pada inovasi yang mengganggu yang boleh menyebabkan ketidaksinambungan. Inovasi ini, yang dikenali sebagai teknologi tujuan umum (GPT), ialah "idea atau teknologi baharu yang mendalam yang mungkin memberi kesan besar kepada banyak aspek ekonomi." Teknologi am biasanya mengambil masa beberapa dekad untuk dibangunkan, dan lebih lama lagi akan membawa peningkatan dalam produktiviti. Pada mulanya, mereka tidak difahami dengan baik. Walaupun selepas teknologi itu dikomersialkan, terdapat ketinggalan jangka panjang dalam penggunaan pengeluaran. Litar bersepadu adalah contoh yang baik. Transistor mula diperkenalkan pada awal abad ke-20, tetapi ia digunakan secara meluas sehingga lewat petang.
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 dalam banyak bidang baru." Walaupun ramalannya yang berani dan tepat di luar jangkaan, dia telah melalui beberapa dekad peningkatan berterusan sebelum mencapai produktiviti dan pertumbuhan ekonomi.
Begitu juga, pemahaman tentang perkembangan dramatik laser semikonduktor kuasa tinggi adalah terhad. Pada tahun 1962, industri pertama kali menunjukkan penukaran elektron kepada laser, diikuti dengan beberapa kemajuan yang telah membawa kepada peningkatan ketara dalam penukaran elektron kepada proses laser hasil tinggi. Penambahbaikan ini boleh menyokong pelbagai aplikasi penting, termasuk storan optik, rangkaian optik dan pelbagai aplikasi perindustrian.
Mengimbas kembali perkembangan ini dan pelbagai penambahbaikan yang telah mereka nyatakan telah menyerlahkan kemungkinan kesan yang lebih besar dan lebih meluas ke atas banyak aspek ekonomi. Malah, dengan penambahbaikan berterusan laser semikonduktor berkuasa tinggi, skop aplikasi penting akan meningkat dan memberi kesan mendalam kepada pertumbuhan ekonomi.
Sejarah laser semikonduktor kuasa tinggi
Pada 16 September 1962, pasukan yang diketuai oleh Robert Hall dari General Electric telah menunjukkan pelepasan inframerah bagi semikonduktor gallium arsenide (GaAs), yang mempunyai corak gangguan "pelik", yang bermaksud Laser koheren - kelahiran laser semikonduktor pertama. Hall pada mulanya percaya bahawa laser semikonduktor adalah "tembakan panjang" kerana diod pemancar cahaya pada masa itu sangat tidak cekap. Pada masa sama, dia juga ragu-ragu mengenai perkara ini kerana laser yang telah disahkan dua tahun lalu dan sudah wujud memerlukan "cermin halus."
Pada musim panas 1962, Halle berkata bahawa dia terkejut dengan diod pemancar cahaya GaAs yang lebih cekap yang dibangunkan oleh Makmal Lincoln MIT. Selepas itu, dia berkata dia bernasib baik kerana dapat menguji dengan beberapa bahan GaAs berkualiti tinggi dan menggunakan pengalamannya sebagai ahli astronomi amatur untuk membangunkan cara untuk menggilap tepi cip GaAs untuk membentuk rongga.
Demonstrasi yang berjaya Hall adalah berdasarkan reka bentuk sinaran melantun ke depan dan ke belakang pada antara muka dan bukannya lantunan menegak. Dia berkata dengan sederhana bahawa tiada siapa yang "telah datang dengan idea ini." Malah, reka bentuk Hall pada asasnya adalah kebetulan yang bernasib baik bahawa bahan semikonduktor yang membentuk pandu gelombang juga mempunyai sifat mengehadkan pembawa bipolar pada masa yang sama. Jika tidak, adalah mustahil untuk merealisasikan laser semikonduktor. Dengan menggunakan bahan semikonduktor yang tidak serupa, pandu gelombang papak boleh dibentuk untuk bertindih foton dengan pembawa.
Demonstrasi awal di General Electric ini merupakan satu kejayaan besar. Walau bagaimanapun, laser ini jauh dari peranti praktikal. Untuk menggalakkan kelahiran laser semikonduktor berkuasa tinggi, gabungan teknologi yang berbeza mesti direalisasikan. Inovasi teknologi utama bermula dengan pemahaman tentang bahan semikonduktor celah jalur langsung dan teknik pertumbuhan kristal.
Perkembangan kemudiannya termasuk penciptaan laser heterojunction berganda dan perkembangan seterusnya laser telaga kuantum. Kunci untuk mempertingkatkan lagi teknologi teras ini terletak pada peningkatan kecekapan dan pembangunan pempasifan rongga, pelesapan haba dan teknologi pembungkusan.
Kecerahan
Inovasi sejak beberapa dekad yang lalu telah membawa peningkatan yang menarik. Khususnya, peningkatan kecerahan adalah sangat baik. Pada tahun 1985, laser semikonduktor kuasa tinggi yang canggih telah dapat menggabungkan 105 miliwatt kuasa ke dalam gentian teras 105 mikron. Laser semikonduktor berkuasa tinggi yang paling canggih kini boleh menghasilkan lebih daripada 250 watt gentian 105 mikron dengan satu panjang gelombang - peningkatan 10 kali ganda setiap lapan tahun.

Moore membayangkan "memperbaiki lebih banyak komponen pada litar bersepadu" - kemudian, bilangan transistor setiap cip meningkat sebanyak 10 kali setiap 7 tahun. Secara kebetulan, laser semikonduktor berkuasa tinggi menggabungkan lebih banyak foton ke dalam gentian pada kadar eksponen yang sama (lihat Rajah 1).

Rajah 1. Kecerahan laser semikonduktor berkuasa tinggi dan perbandingan dengan hukum Moore
Peningkatan dalam kecerahan laser semikonduktor kuasa tinggi telah menggalakkan pembangunan pelbagai teknologi yang tidak dijangka. Walaupun penerusan trend ini memerlukan lebih banyak inovasi, ada sebab untuk mempercayai bahawa inovasi teknologi laser semikonduktor masih jauh dari selesai. Fizik yang terkenal boleh meningkatkan lagi prestasi laser semikonduktor melalui pembangunan teknologi yang berterusan.
Sebagai contoh, media perolehan titik kuantum boleh meningkatkan kecekapan dengan ketara berbanding peranti telaga kuantum semasa. Kecerahan paksi perlahan menawarkan potensi peningkatan magnitud yang lain. Bahan pembungkusan baharu dengan pemadanan haba dan pengembangan yang lebih baik akan menyediakan peningkatan yang diperlukan untuk pelarasan kuasa berterusan dan pengurusan haba yang dipermudahkan. Perkembangan utama ini akan menyediakan peta jalan untuk pembangunan laser semikonduktor berkuasa tinggi dalam dekad yang akan datang.
Laser keadaan pepejal dan gentian yang dipam diod
Penambahbaikan dalam laser semikonduktor berkuasa tinggi telah menjadikan pembangunan teknologi laser hiliran mungkin; dalam teknologi laser hiliran, laser semikonduktor digunakan untuk merangsang (mengepam) kristal terdop (laser keadaan pepejal yang dipam diod) atau gentian terdop (laser gentian).
Walaupun laser semikonduktor menyediakan tenaga laser yang berkecekapan tinggi dan kos rendah, terdapat dua batasan utama: ia tidak menyimpan tenaga dan kecerahannya terhad. Pada asasnya kedua-dua laser ini perlu digunakan untuk banyak aplikasi: satu untuk menukar elektrik kepada pelepasan laser dan satu lagi untuk meningkatkan kecerahan pelepasan 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 saiz dan kerumitan sistem pengurusan haba (terutamanya penyejuk peredaran semula) dan mendapatkan modul yang mempunyai sejarah menggabungkan lampu arka untuk mengepam kristal laser keadaan pepejal.
Panjang gelombang laser semikonduktor dipilih berdasarkan pertindihannya dengan sifat penyerapan spektrum medium perolehan laser keadaan pepejal; beban haba sangat berkurangan berbanding dengan spektrum pelepasan jalur lebar lampu arka. Disebabkan populariti laser berasaskan germanium 1064 nm, panjang gelombang pam 808 nm telah menjadi panjang gelombang terbesar dalam laser semikonduktor selama lebih daripada 20 tahun.
Dengan peningkatan dalam kecerahan laser semikonduktor berbilang mod dan keupayaan untuk menstabilkan lebar garis pemancar sempit dengan kisi-kisi Bragg volum (VBG) pada pertengahan tahun 2000, generasi kedua kecekapan pengepaman diod yang dipertingkatkan telah dicapai. Ciri penyerapan yang lebih lemah dan sempit secara spektrum sekitar 880 nm telah menjadi titik panas untuk diod pam kecerahan tinggi. Diod ini boleh mencapai kestabilan spektrum. Laser berprestasi tinggi ini secara langsung boleh merangsang tahap atas laser 4F3/2 dalam silikon, mengurangkan kecacatan kuantum, dengan itu meningkatkan pengekstrakan mod asas purata lebih tinggi yang sebaliknya akan dihadkan oleh kanta haba.
Menjelang awal tahun 2010, kami telah menyaksikan trend penskalaan kuasa tinggi laser 1064nm mod silang tunggal dan siri berkaitan laser penukaran frekuensi yang beroperasi dalam jalur yang boleh dilihat dan ultraungu. Disebabkan oleh jangka hayat keadaan tenaga tinggi yang lebih lama bagi Nd:YAG dan Nd:YVO4, operasi pensuisan DPSSL Q ini memberikan tenaga nadi tinggi dan kuasa puncak, menjadikannya sesuai untuk pemprosesan bahan ablatif dan aplikasi pemesinan mikro berketepatan tinggi.
laser gentian optik. Laser gentian menyediakan cara yang lebih cekap untuk menukar kecerahan laser semikonduktor kuasa tinggi. Walaupun optik berbilang gelombang panjang boleh menukar laser semikonduktor bercahaya yang agak rendah kepada laser semikonduktor yang lebih cerah, ini adalah dengan mengorbankan peningkatan lebar spektrum dan kerumitan optomekanikal. Laser gentian telah terbukti berkesan terutamanya dalam penukaran fotometrik.
Gentian dwi-salut yang diperkenalkan pada tahun 1990-an menggunakan gentian mod tunggal yang dikelilingi oleh salutan berbilang mod, membolehkan laser pam semikonduktor berbilang mod berkuasa tinggi dan kos rendah disuntik dengan cekap ke dalam gentian, mewujudkan cara yang lebih menjimatkan untuk menukar laser semikonduktor kuasa tinggi menjadi laser yang lebih cerah. Untuk gentian doped ytterbium (Yb), pam merangsang penyerapan luas berpusat pada 915 nm atau ciri jalur sempit sekitar 976 nm. Apabila panjang gelombang pam menghampiri panjang gelombang pengelasan laser gentian, apa yang dipanggil kecacatan kuantum dikurangkan, dengan itu memaksimumkan kecekapan dan meminimumkan jumlah pelesapan haba.
Kedua-dua laser gentian dan laser keadaan pepejal yang dipam diod bergantung pada penambahbaikan dalam kecerahan laser diod. Secara umum, apabila kecerahan laser diod terus bertambah baik, perkadaran kuasa laser yang dipam juga semakin meningkat. Peningkatan kecerahan laser semikonduktor memudahkan penukaran kecerahan yang lebih cekap.
Seperti yang kita jangkakan, kecerahan spatial dan spektrum akan diperlukan untuk sistem masa hadapan, yang akan membolehkan pengepam kecacatan kuantum yang rendah dengan ciri penyerapan sempit dalam laser keadaan pepejal dan pemultipleksan panjang gelombang padat untuk aplikasi laser semikonduktor langsung. Rancangan menjadi mungkin.
Pasaran dan Aplikasi
Pembangunan laser semikonduktor berkuasa tinggi telah membolehkan banyak aplikasi penting. Laser ini telah menggantikan banyak teknologi tradisional dan telah melaksanakan kategori produk baharu.
Dengan peningkatan 10 kali ganda dalam kos dan prestasi setiap dekad, laser semikonduktor berkuasa tinggi mengganggu operasi biasa pasaran dengan cara yang tidak dapat diramalkan. Walaupun sukar untuk meramalkan aplikasi masa depan dengan tepat, adalah sangat penting untuk menyemak sejarah pembangunan tiga dekad yang lalu dan menyediakan kemungkinan rangka kerja untuk pembangunan dekad yang akan datang (lihat Rajah 2).

Rajah 2. Aplikasi bahan api kecerahan laser semikonduktor berkuasa tinggi (kos penyeragaman setiap kecerahan watt)
1980-an: Storan optik dan aplikasi niche awal. Storan optik ialah 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 kelihatan. Dua puluh tahun kemudian, cakera padat (CD) diperkenalkan ke pasaran, diikuti oleh pasaran storan optik.
Inovasi berterusan teknologi laser semikonduktor telah membawa kepada pembangunan teknologi storan optik seperti cakera serba boleh digital (DVD) dan Cakera Blu-ray (BD). Ini adalah pasaran besar pertama untuk laser semikonduktor, tetapi secara amnya tahap kuasa sederhana mengehadkan aplikasi lain kepada pasaran khusus yang agak kecil seperti percetakan terma, aplikasi perubatan, dan aplikasi aeroangkasa dan pertahanan terpilih.
1990-an: Rangkaian 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 adalah penting untuk mencapai skala rangkaian optik dan benar-benar menyokong pertumbuhan data Internet.
Ledakan industri telekomunikasi yang dibawa olehnya adalah meluas, mengambil Spectra Diode Labs (SDL), salah satu perintis pertama dalam industri laser semikonduktor berkuasa tinggi sebagai contoh. Ditubuhkan pada tahun 1983, SDL ialah usaha sama antara jenama laser Kumpulan Newport Spectra-Physics dan Xerox. Ia dilancarkan pada tahun 1995 dengan permodalan pasaran kira-kira $100 juta. Lima tahun kemudian, SDL telah dijual kepada JDSU untuk lebih daripada $40 bilion semasa kemuncak industri telekomunikasi, salah satu pemerolehan teknologi terbesar dalam sejarah. Tidak lama kemudian, gelembung telekomunikasi pecah dan memusnahkan bertrilion dolar modal, 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 penggunaan yang lebih luas. Apabila prestasi dan kos meningkat, laser ini mula menggantikan laser gas tradisional atau sumber penukaran tenaga lain dalam pelbagai proses.
Laser semikonduktor telah menjadi alat yang digunakan secara meluas. Aplikasi industri terdiri daripada proses pembuatan tradisional seperti pemotongan dan pematerian kepada teknologi pembuatan termaju baharu seperti pembuatan bahan tambahan bahagian logam bercetak 3D. Aplikasi pembuatan mikro adalah 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 berarah generasi akan datang pada masa hadapan.
untuk merumuskan 
Lebih daripada 50 tahun yang lalu, Moore tidak mencadangkan undang-undang asas fizik yang baru, tetapi membuat penambahbaikan yang hebat pada litar bersepadu yang pertama kali dikaji sepuluh tahun lalu. Nubuatnya bertahan selama beberapa dekad dan membawa bersamanya satu siri inovasi yang mengganggu yang tidak dapat difikirkan pada tahun 1965.
Apabila Hall menunjukkan laser semikonduktor lebih daripada 50 tahun yang lalu, ia mencetuskan revolusi teknologi. Seperti Undang-undang Moore, tiada siapa yang boleh meramalkan pembangunan berkelajuan tinggi yang akan dilalui oleh laser semikonduktor intensiti tinggi yang dicapai oleh sejumlah besar inovasi.
Tiada peraturan asas dalam fizik untuk mengawal peningkatan teknologi ini, tetapi kemajuan teknologi yang berterusan boleh memajukan laser dari segi kecerahan. Trend ini akan terus menggantikan teknologi tradisional, sekali gus mengubah cara sesuatu dibangunkan. Lebih penting kepada pertumbuhan ekonomi, laser semikonduktor berkuasa tinggi juga akan menggalakkan kelahiran perkara baharu.