Yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin geçmişi ve geleceği

Verimlilik ve güç artmaya devam ettikçe, lazer diyotlar geleneksel teknolojilerin yerini almaya, işlerin ele alınma şeklini değiştirmeye ve yeni şeylerin doğuşunu teşvik etmeye devam edecek.
Geleneksel olarak, ekonomistler teknolojik ilerlemenin aşamalı bir süreç olduğuna inanırlar. Son zamanlarda endüstri, kesintilere neden olabilecek yıkıcı inovasyona daha fazla odaklandı. Genel amaçlı teknolojiler (GPT'ler) olarak bilinen bu yenilikler, "ekonominin birçok yönü üzerinde büyük bir etkiye sahip olabilecek derin yeni fikirler veya teknolojilerdir." Genel teknolojinin geliştirilmesi genellikle birkaç on yıl alır ve daha da uzun süre, üretkenlikte bir artışa neden olur. İlk başta iyi anlaşılmamışlardı. Teknoloji ticarileştikten sonra bile, üretimin benimsenmesinde uzun vadeli bir gecikme yaşandı. Entegre devreler buna iyi bir örnektir. Transistörler ilk olarak 20. yüzyılın başlarında tanıtıldı, ancak akşam geç saatlere kadar yaygın olarak kullanıldılar.
Moore Yasası'nın kurucularından biri olan Gordon Moore, 1965'te yarı iletkenlerin daha hızlı gelişeceğini tahmin ederek "elektroniğin popülaritesini getirir ve bu bilimi birçok yeni alana taşır." Cesur ve beklenmedik şekilde doğru tahminlerine rağmen, üretkenlik ve ekonomik büyüme elde etmeden önce onlarca yıllık sürekli iyileştirme geçirdi.
Benzer şekilde, yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin dramatik gelişiminin anlaşılması sınırlıdır. 1962'de endüstri ilk olarak elektronların lazerlere dönüştürüldüğünü ve ardından elektronların yüksek verimli lazer işlemlerine dönüştürülmesinde önemli gelişmelere yol açan bir dizi ilerlemeyi gösterdi. Bu iyileştirmeler, optik depolama, optik ağ ve çok çeşitli endüstriyel uygulamalar dahil olmak üzere bir dizi önemli uygulamayı destekleyebilir.
Bu gelişmeleri ve gün ışığına çıkardıkları sayısız iyileştirmeyi hatırlamak, ekonominin birçok yönü üzerinde daha büyük ve daha yaygın bir etki olasılığını vurguladı. Aslında, yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin sürekli iyileştirilmesiyle, önemli uygulamaların kapsamı artacak ve ekonomik büyüme üzerinde derin bir etkiye sahip olacaktır.
Yüksek güçlü yarı iletken lazer geçmişi
16 Eylül 1962'de General Electric'den Robert Hall liderliğindeki bir ekip, ilk yarı iletken lazerin doğuşu olan tutarlılık Lazeri anlamına gelen "garip" girişim modellerine sahip galyum arsenit (GaAs) yarı iletkenlerinin kızılötesi emisyonunu gösterdi. Hall başlangıçta yarı iletken lazerin "uzun atış" olduğuna inanıyordu çünkü o sırada ışık yayan diyotlar çok verimsizdi. Aynı zamanda, buna da şüpheyle bakıyordu çünkü iki yıl önce onaylanmış olan ve zaten var olan lazer bir "ince ayna" gerektiriyordu.
1962 yazında Halle, MIT Lincoln Laboratuvarı tarafından geliştirilen daha verimli GaAs ışık yayan diyotlar karşısında şok olduğunu söyledi. Daha sonra, bazı yüksek kaliteli GaAs malzemeleriyle test edebildiği için şanslı olduğunu ve amatör bir gökbilimci olarak deneyimini GaAs yongalarının kenarlarını bir boşluk oluşturmak üzere parlatmanın bir yolunu geliştirmek için kullandığını söyledi.
Hall'un başarılı gösterimi, dikey sıçramadan ziyade arayüzde ileri geri yansıyan radyasyon tasarımına dayanıyor. Alçakgönüllülükle kimsenin "bu fikri bulmadığını" söyledi. Gerçekte, Hall'un tasarımı, dalga kılavuzunu oluşturan yarı iletken malzemenin aynı zamanda iki kutuplu taşıyıcıları sınırlama özelliğine de sahip olması esasen şans eseri bir tesadüftür. Aksi takdirde yarı iletken bir lazerin gerçekleştirilmesi imkansızdır. Farklı yarı iletken malzemeler kullanılarak, fotonları taşıyıcılarla üst üste getirmek için bir levha dalga kılavuzu oluşturulabilir.
General Electric'teki bu ön gösteriler büyük bir dönüm noktasıydı. Ancak bu lazerler pratik cihazlardan uzaktır. Yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin doğuşunu teşvik etmek için farklı teknolojilerin füzyonu gerçekleştirilmelidir. Temel teknolojik yenilikler, doğrudan bant aralıklı yarı iletken malzemeler ve kristal büyütme tekniklerinin anlaşılmasıyla başladı.
Daha sonraki gelişmeler arasında çift heterojonksiyonlu lazerlerin icadı ve ardından kuantum kuyulu lazerlerin geliştirilmesi yer aldı. Bu temel teknolojileri daha da geliştirmenin anahtarı, verimliliğin iyileştirilmesi ve kavite pasivasyonu, ısı dağıtımı ve paketleme teknolojisinin geliştirilmesinde yatmaktadır.
Parlaklık
Geçtiğimiz birkaç on yılda yenilik, heyecan verici gelişmeler sağladı. Özellikle parlaklık artışı mükemmel. 1985 yılında, son teknoloji ürünü yüksek güçlü yarı iletken lazer, 105 miliwatt gücü 105 mikronluk bir çekirdek fibere bağlayabildi. En gelişmiş yüksek güçlü yarı iletken lazerler artık tek bir dalga boyuyla 250 watt'tan fazla 105 mikron fiber üretebilir - her sekiz yılda bir 10 kat artış.

Moore, "entegre devreye daha fazla bileşen sabitlemeyi" tasarladı - daha sonra, yonga başına transistör sayısı her 7 yılda bir 10 kat arttı. Tesadüfen, yüksek güçlü yarı iletken lazerler, fibere benzer üstel oranlarda daha fazla foton ekler (bkz. Şekil 1).

Şekil 1. Yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin parlaklığı ve Moore yasası ile karşılaştırılması
Yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin parlaklığındaki gelişme, öngörülemeyen çeşitli teknolojilerin geliştirilmesini teşvik etti. Bu eğilimin devamı daha fazla inovasyon gerektirse de, yarı iletken lazer teknolojisindeki inovasyonun tamamlanmaktan çok uzak olduğuna inanmak için nedenler var. İyi bilinen fizik, sürekli teknolojik gelişme yoluyla yarı iletken lazerlerin performansını daha da artırabilir.
Örneğin, kuantum nokta kazanım ortamı, mevcut kuantum kuyu cihazlarına kıyasla verimliliği önemli ölçüde artırabilir. Yavaş eksen parlaklığı, başka bir büyüklük geliştirme potansiyeli sırası sunar. İyileştirilmiş termal ve genleşme uyumlu yeni ambalaj malzemeleri, sürekli güç ayarı ve basitleştirilmiş termal yönetim için gereken iyileştirmeleri sağlayacaktır. Bu önemli gelişmeler, önümüzdeki on yıllarda yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin geliştirilmesi için bir yol haritası sağlayacaktır.
Diyot pompalı katı hal ve fiber lazerler
Yüksek güçlü yarı iletken lazerlerdeki gelişmeler, aşağı akım lazer teknolojilerinin geliştirilmesini mümkün kılmıştır; aşağı akım lazer teknolojilerinde, yarı iletken lazerler katkılı kristalleri (diyot pompalı katı hal lazerleri) veya katkılı fiberleri (fiber lazerler) uyarmak (pompalamak) için kullanılır.
Yarı iletken lazerler yüksek verimli, düşük maliyetli lazer enerjisi sağlamalarına rağmen, iki temel sınırlama vardır: enerji depolamazlar ve parlaklıkları sınırlıdır. Temel olarak bu iki lazerin birçok uygulama için kullanılması gerekir: biri elektriği lazer emisyonuna dönüştürmek için, diğeri lazer emisyonunun parlaklığını artırmak için.
Diyot pompalı katı hal lazerleri. 1980'lerin sonlarında, yarı iletken lazerlerin katı hal lazerlerini pompalamak için kullanılması ticari uygulamalarda popülerlik kazanmaya başladı. Diyot pompalı katı hal lazerleri (DPSSL), termal yönetim sistemlerinin (esas olarak devridaim soğutucular) boyutunu ve karmaşıklığını büyük ölçüde azaltır ve katı hal lazer kristallerini pompalamak için tarihsel olarak birleşik ark lambalarına sahip modüller elde eder.
Yarı iletken lazerlerin dalga boyları, katı hal lazer kazanç ortamının spektral absorpsiyon özellikleri ile örtüşmelerine göre seçilir; ark lambasının geniş bant emisyon spektrumuna kıyasla ısı yükü büyük ölçüde azaltılır. 1064 nm germanyum bazlı lazerlerin popülaritesi nedeniyle, 808 nm pompa dalga boyu, 20 yıldan fazla bir süredir yarı iletken lazerlerde en büyük dalga boyu haline geldi.
2000 ortalarında çok modlu yarı iletken lazerlerin parlaklığındaki artış ve dar yayıcı hat genişliğini hacim Bragg ızgaraları (VBG'ler) ile stabilize etme yeteneği ile, ikinci nesil gelişmiş diyot pompalama verimliliği elde edildi. 880 nm civarında daha zayıf ve spektral olarak daha dar absorpsiyon özellikleri, yüksek parlaklıkta pompa diyotları için sıcak noktalar haline geldi. Bu diyotlar, spektral kararlılık sağlayabilir. Bu yüksek performanslı lazerler, lazerin silikondaki üst seviyesi 4F3 / 2'yi doğrudan uyarabilir, kuantum kusurlarını azaltabilir ve böylece, aksi takdirde termal lensler tarafından sınırlandırılacak olan daha yüksek ortalama temel modların çıkarılmasını geliştirebilir.
2010 yılının başında, tek çapraz modlu 1064nm lazerin ve görünür ve ultraviyole bantlarda çalışan ilgili frekans dönüştürme lazer serilerinin yüksek güçlü ölçeklendirme eğilimine tanık olduk. Nd: YAG ve Nd: YVO4'ün daha uzun yüksek enerji durumu yaşam süreleri nedeniyle, bu DPSSL Q anahtarlama işlemleri, onları ablatif malzeme işleme ve yüksek hassasiyetli mikro işleme uygulamaları için ideal kılarak yüksek darbe enerjisi ve tepe gücü sağlar.
fiber optik lazer. Fiber lazerler, yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin parlaklığını dönüştürmek için daha verimli bir yol sağlar. Dalgaboyu çoğullamalı optikler, nispeten düşük ışıklı yarı iletken bir lazeri daha parlak bir yarı iletken lazere dönüştürebilmesine rağmen, bu, artan spektral genişlik ve opto-mekanik karmaşıklık pahasına. Fiber lazerlerin özellikle fotometrik dönüşümde etkili olduğu gösterilmiştir.
1990'larda piyasaya sürülen çift kaplı fiberler, çok modlu bir kaplama ile çevrelenmiş tek modlu fiberleri kullanır ve daha yüksek güçlü, daha düşük maliyetli, çok modlu yarı iletken pompalı lazerlerin fibere verimli bir şekilde enjekte edilmesini sağlayarak daha ekonomik bir yol yaratır. yüksek güçlü yarı iletken lazeri daha parlak bir lazere dönüştürür. İterbiyum (Yb) katkılı lifler için pompa, 915 nm'de merkezlenmiş geniş bir emilimi veya 976 nm civarında dar bir bant özelliğini harekete geçirir. Pompa dalga boyu, fiber lazerin lazer dalga boyuna yaklaştıkça, kuantum kusurları olarak adlandırılan kusurlar azaltılır, böylece verimlilik en üst düzeye çıkarılır ve ısı dağılımı miktarı en aza indirilir.
Hem fiber lazerler hem de diyot pompalı katı hal lazerleri, diyot lazer parlaklığındaki gelişmelere dayanır. Genel olarak, diyot lazerlerin parlaklığı artmaya devam ettikçe, pompaladıkları lazer gücünün oranı da artmaktadır. Yarı iletken lazerlerin artan parlaklığı, daha verimli parlaklık dönüşümünü kolaylaştırır.
Beklediğimiz gibi, gelecekteki sistemler için uzaysal ve spektral parlaklık gerekli olacak, bu da katı hal lazerlerinde dar absorpsiyon özellikleriyle düşük kuantum kusurlu pompalamaya ve doğrudan yarı iletken lazer uygulamaları için yoğun dalga boylu çoğullamaya olanak tanıyacak. Plan mümkün hale gelir.
Pazar ve Uygulama
Yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin geliştirilmesi birçok önemli uygulamayı mümkün kılmıştır. Bu lazerler birçok geleneksel teknolojinin yerini almış ve yeni ürün kategorileri uygulamıştır.
On yılda maliyet ve performansta 10 kat artışla, yüksek güçlü yarı iletken lazerler piyasanın normal işleyişini tahmin edilemeyen şekillerde bozar. Gelecekteki uygulamaları doğru bir şekilde tahmin etmek zor olsa da, son otuz yılın geliştirme geçmişini gözden geçirmek ve gelecek on yılın gelişimi için çerçeve olanakları sağlamak çok önemlidir (bkz. Şekil 2).

Şekil 2. Yüksek güçlü yarı iletken lazer parlaklığı yakıt uygulaması (watt parlaklık başına standardizasyon maliyeti)
1980'ler: Optik depolama ve ilk niş uygulamaları. Optik depolama, yarı iletken lazer endüstrisindeki ilk büyük ölçekli uygulamadır. Hall'un kızılötesi yarı iletken lazeri göstermesinden kısa bir süre sonra, General Electrics Nick Holonyak ilk görünür kırmızı yarı iletken lazeri de gösterdi. Yirmi yıl sonra, kompakt diskler (CD'ler) piyasaya sürüldü ve bunu optik depolama pazarı izledi.
Yarı iletken lazer teknolojisindeki sürekli yenilik, dijital çok yönlü disk (DVD) ve Blu-ray Disk (BD) gibi optik depolama teknolojilerinin geliştirilmesine yol açmıştır. Bu, yarı iletken lazerler için ilk büyük pazardır, ancak genellikle mütevazı güç seviyeleri diğer uygulamaları termal baskı, tıbbi uygulamalar ve belirli havacılık ve savunma uygulamaları gibi nispeten küçük niş pazarlarla sınırlar.
1990'lar: Optik ağlar hüküm sürüyor. 1990'larda yarı iletken lazerler iletişim ağlarının anahtarı haline geldi. Yarı iletken lazerler, sinyalleri fiber optik ağlar üzerinden iletmek için kullanılır, ancak optik amplifikatörler için daha yüksek güçlü tek modlu pompa lazerler, optik ağların ölçeğini elde etmek ve İnternet verilerinin büyümesini gerçekten desteklemek için kritik öneme sahiptir.
Yüksek güçlü yarı iletken lazer endüstrisinin ilk öncülerinden biri olan Spectra Diode Labs'ı (SDL) örnek alarak, getirdiği telekomünikasyon endüstrisi patlaması geniş kapsamlı. 1983'te kurulan SDL, Newport Group'un lazer markaları Spectra-Physics ve Xerox'un ortak girişimidir. Yaklaşık 100 milyon dolarlık piyasa değeri ile 1995 yılında piyasaya sürüldü. Beş yıl sonra, SDL, tarihteki en büyük teknoloji satın alımlarından biri olan telekom endüstrisinin zirvesi sırasında 40 milyar dolardan fazla JDSU'ya satıldı. Kısa bir süre sonra, telekomünikasyon balonu patladı ve trilyonlarca dolarlık sermayeyi yok etti, şimdi tarihin en büyük balonu olarak görülüyor.
2000'ler: Lazerler bir araç haline geldi. Telekomünikasyon pazarı balonunun patlaması son derece yıkıcı olsa da, yüksek güçlü yarı iletken lazerlere yapılan büyük yatırım, daha geniş çapta benimsenmenin temelini attı. Performans ve maliyet arttıkça, bu lazerler çeşitli işlemlerde geleneksel gaz lazerlerinin veya diğer enerji dönüşüm kaynaklarının yerini almaya başlıyor.
Yarı iletken lazerler yaygın olarak kullanılan bir araç haline gelmiştir. Endüstriyel uygulamalar, kesme ve lehimleme gibi geleneksel üretim süreçlerinden, 3D baskılı metal parçaların eklemeli imalatı gibi yeni gelişmiş üretim teknolojilerine kadar uzanmaktadır. Akıllı telefonlar gibi temel ürünler bu lazerlerle ticarileştirildiği için mikro üretim uygulamaları daha çeşitlidir. Havacılık ve savunma uygulamaları, çok çeşitli görev açısından kritik uygulamaları içerir ve muhtemelen gelecekte yeni nesil yönlü enerji sistemlerini içerecektir.
Özetle
50 yıldan daha uzun bir süre önce, Moore yeni bir temel fizik yasası önermedi, ancak on yıl önce ilk çalışılan entegre devrelerde büyük iyileştirmeler yaptı. Kehaneti on yıllarca sürdü ve beraberinde 1965'te düşünülemeyecek bir dizi yıkıcı yenilik getirdi.
Hall, 50 yıldan daha uzun bir süre önce yarı iletken lazerleri sergilediğinde, teknolojik bir devrimi tetikledi. Moore Yasasında olduğu gibi, çok sayıda inovasyonla elde edilen yüksek yoğunluklu yarı iletken lazerlerin sonradan geçireceği yüksek hızlı gelişimi kimse tahmin edemez.
Fizikte bu teknolojik gelişmeleri kontrol edecek temel bir kural yoktur, ancak sürekli teknolojik ilerleme, lazerin parlaklık açısından ilerlemesini sağlayabilir. Bu eğilim, geleneksel teknolojilerin yerini almaya devam edecek ve böylece işlerin geliştirilme şeklini daha da değiştirecek. Ekonomik büyüme için daha önemli olan yüksek güçlü yarı iletken lazerler, yeni şeylerin doğuşunu da teşvik edecek.