Yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin geçmişi ve geleceği

Verimlilik ve güç artmaya devam ettikçe, lazer diyotlar geleneksel teknolojilerin yerini almaya, işlerin halledilme şeklini değiştirmeye ve yeni şeylerin doğuşunu teşvik etmeye devam edecek.
Geleneksel olarak ekonomistler teknolojik ilerlemenin aşamalı bir süreç olduğuna inanırlar. Son zamanlarda endüstri, süreksizliklere neden olabilecek yıkıcı inovasyonlara 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 gelişmesi genellikle birkaç on yıl alır ve hatta daha uzun süre üretkenlikte bir artışa neden olur. İlk başta pek iyi anlaşılmadılar. Teknoloji ticarileştikten sonra bile üretime geçişte 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 Yasasının kurucularından biri olan Gordon Moore, 1965 yılında yarı iletkenlerin daha hızlı gelişeceğini, "elektroniğin popülaritesini artıracağını ve bu bilimi birçok yeni alana iteceğini" öngördü. Cesur ve beklenmedik derecede doğru tahminlerine rağmen, üretkenliğe ve ekonomik büyümeye ulaşmadan önce onlarca yıl süren sürekli iyileştirme sürecinden geçti.
Benzer şekilde, yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin dramatik gelişiminin anlaşılması da sınırlıdır. 1962'de endüstri ilk olarak elektronların lazerlere dönüşümünü gösterdi ve bunu elektronların yüksek verimli lazer işlemlerine dönüştürülmesinde önemli gelişmelere yol açan bir dizi ilerleme izledi. Bu iyileştirmeler, optik depolama, optik ağ oluşturma ve çok çeşitli endüstriyel uygulamalar dahil olmak üzere bir dizi önemli uygulamayı destekleyebilir.
Bu gelişmelerin ve bunların gün ışığına çıkardığı sayısız iyileştirmenin hatırlanması, ekonominin birçok yönü üzerinde daha büyük ve daha yaygın etki olasılığının altını çizdi. Aslında, yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin sürekli olarak geliştirilmesiyle, önemli uygulamaların kapsamı artacak ve ekonomik büyüme üzerinde derin bir etkiye sahip olacaktır.
Yüksek güçlü yarı iletken lazerin geçmişi
16 Eylül 1962'de General Electric'ten Robert Hall liderliğindeki bir ekip, "tuhaf" girişim desenlerine sahip galyum arsenit (GaAs) yarı iletkenlerinin kızılötesi emisyonunu gösterdi; bu, tutarlı Lazer anlamına gelir - ilk yarı iletken lazerin doğuşu. Hall başlangıçta yarı iletken lazerin "uzun bir ihtimal" olduğuna inanıyordu çünkü o zamanlar ışık yayan diyotlar çok verimsizdi. Aynı zamanda bu konuda da şüpheciydi çünkü iki yıl önce doğrulanan ve halihazırda mevcut olan lazerin "ince bir ayna"ya ihtiyacı vardı.
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 yapabilme şansına sahip olduğu için şanslı olduğunu söyledi ve amatör bir gökbilimci olarak deneyimini, GaAs çiplerinin kenarlarını bir boşluk oluşturacak şekilde cilalamanın bir yolunu geliştirmek için kullandı.
Hall'un başarılı gösterimi, dikey sıçrama yerine ara yüzeyde ileri geri yayılan radyasyonun tasarımına dayanıyor. Mütevazı bir tavırla kimsenin "bu fikri aklına getirmediğini" söyledi. Aslında Hall'un tasarımı, dalga kılavuzunu oluşturan yarı iletken malzemenin aynı zamanda iki kutuplu taşıyıcıları sınırlama özelliğine de sahip olması, esasen şanslı bir tesadüftür. Aksi halde yarı iletken lazerin gerçekleştirilmesi mümkün değildir. Benzer olmayan yarı iletken malzemeler kullanılarak, fotonları taşıyıcılarla örtüştürecek bir levha dalga kılavuzu oluşturulabilir.
General Electric'teki bu ön gösteriler büyük bir atılımdı. 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 heteroeklemli lazerlerin icadı ve ardından kuantum kuyulu lazerlerin geliştirilmesi yer aldı. Bu temel teknolojileri daha da geliştirmenin anahtarı, verimliliğin arttırılmasında ve boşluk pasivasyonu, ısı dağıtımı ve paketleme teknolojisinin geliştirilmesinde yatmaktadır.
Parlaklık
Geçtiğimiz birkaç on yıldaki yenilikler heyecan verici gelişmelere yol açtı. Özellikle parlaklık iyileştirmesi mükemmel. 1985 yılında, son teknoloji ürünü yüksek güçlü yarı iletken lazer, 105 miliwatt gücü 105 mikron çekirdekli bir fibere birleştirmeyi başardı. En gelişmiş yüksek güçlü yarı iletken lazerler artık tek bir dalga boyunda 250 watt'tan fazla 105 mikron fiber üretebilmektedir; bu, her sekiz yılda bir 10 kat artış anlamına gelmektedir.

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

Şekil 1. Yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin parlaklığı ve Moore yasasıyla karşılaştırılması
Yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin parlaklığındaki iyileşme, çeşitli öngörülemeyen teknolojilerin gelişimini teşvik etti. Bu eğilimin devamı daha fazla yenilik gerektirse de, yarı iletken lazer teknolojisindeki yeniliğin henüz tamamlanmaktan uzak olduğuna inanmak için nedenler var. İyi bilinen fizik, sürekli teknolojik gelişme yoluyla yarı iletken lazerlerin performansını daha da artırabilir.
Örneğin, kuantum nokta kazanç ortamı, mevcut kuantum kuyusu cihazlarına kıyasla verimliliği önemli ölçüde artırabilir. Yavaş eksen parlaklığı, başka bir büyüklük sırası iyileştirme potansiyeli sunar. İyileştirilmiş termal ve genleşme uyumuna sahip yeni ambalaj malzemeleri, sürekli güç ayarı ve basitleştirilmiş termal yönetim için gereken iyileştirmeleri sağlayacaktır. Bu önemli gelişmeler önümüzdeki 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 yönlü lazer teknolojilerinin geliştirilmesini mümkün kılmıştır; Aşağı yöndeki lazer teknolojilerinde, katkılı kristalleri (diyot pompalı katı hal lazerleri) veya katkılı fiberleri (fiber lazerler) uyarmak (pompalamak) için yarı iletken lazerler kullanılır.
Yarı iletken lazerler yüksek verimli, düşük maliyetli lazer enerjisi sağlasa da iki temel sınırlama vardır: Enerji depolamazlar ve parlaklıkları sınırlıdır. Temel olarak bu iki lazerin birçok uygulama için kullanılması gerekir: biri elektriği lazer emisyonuna dönüştürmek, diğeri ise lazer emisyonunun parlaklığını arttırmak için.
Diyot pompalı katı hal lazerleri. 1980'lerin sonlarında, katı hal lazerlerini pompalamak için yarı iletken lazerlerin kullanımı ticari uygulamalarda popülerlik kazanmaya başladı. Diyot pompalı katı hal lazerleri (DPSSL), termal yönetim sistemlerinin (esas olarak devridaim yapan soğutucular) boyutunu ve karmaşıklığını büyük ölçüde azaltır ve katı hal lazer kristallerini pompalamak için geçmişte birleştirilmiş ark lambalarına sahip modüller elde eder.
Yarı iletken lazerlerin dalga boyları, katı hal lazer kazanç ortamının spektral absorpsiyon özellikleriyle örtüşmelerine göre seçilir; ısı yükü, ark lambasının geniş bant emisyon spektrumuna kıyasla büyük ölçüde azalır. 1064 nm germanyum bazlı lazerlerin popülaritesinden dolayı, 808 nm pompa dalga boyu, 20 yılı aşkın süredir yarı iletken lazerler arasında en büyük dalga boyu haline gelmiştir.
Çok modlu yarı iletken lazerlerin parlaklığındaki artış ve 2000 yılının ortalarında hacimsel Bragg ızgaraları (VBG'ler) ile dar yayıcı hat genişliğini stabilize etme yeteneği ile, ikinci nesil iyileştirilmiş diyot pompalama verimliliği elde edildi. 880 nm civarındaki daha zayıf ve spektral olarak dar absorpsiyon özellikleri, yüksek parlaklıktaki pompa diyotları için sıcak noktalar haline gelmiştir. Bu diyotlar spektral kararlılığa ulaşabilir. Bu yüksek performanslı lazerler, lazerin silikondaki üst seviyesi 4F3/2'yi doğrudan uyararak kuantum kusurlarını azaltabilir ve böylece aksi durumda termal lensler tarafından sınırlandırılacak olan daha yüksek ortalama temel modların çıkarılmasını iyileştirebilir.
2010 yılının başında, tek çapraz modlu 1064nm lazerin ve görünür ve morötesi bantlarda çalışan ilgili frekans dönüşüm lazer serilerinin yüksek güçlü ölçeklendirme eğilimine tanık olduk. Nd:YAG ve Nd:YVO4'ün daha uzun yüksek enerji durumu ömürleri nedeniyle, bu DPSSL Q anahtarlama işlemleri, yüksek darbe enerjisi ve tepe gücü sağlar, bu da onları ablatif malzeme işleme ve yüksek hassasiyetli mikro işleme uygulamaları için ideal kılar.
fiber optik lazer. Fiber lazerler, yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin parlaklığını dönüştürmenin daha etkili bir yolunu sağlar. Dalga boyu çoğullanmış optikler nispeten düşük parlaklıktaki yarı iletken lazeri daha parlak bir yarı iletken lazere dönüştürebilse de, bu artan spektral genişlik ve optomekanik karmaşıklık pahasına olur. Fiber lazerlerin fotometrik dönüşümde özellikle etkili olduğu gösterilmiştir.
1990'larda piyasaya sürülen çift kaplı fiberler, çok modlu bir kaplamayla çevrelenmiş tek modlu fiberler kullanır; bu, daha yüksek güçlü, daha düşük maliyetli, çok modlu yarı iletken pompalı lazerlerin fibere verimli bir şekilde enjekte edilmesini sağlar ve daha ekonomik bir yol yaratır. yüksek güçlü yarı iletken lazeri daha parlak bir lazere dönüştürür. İterbiyum (Yb) katkılı fiberler için pompa, 915 nm'de merkezli geniş bir emilimi veya 976 nm civarında dar bir bant özelliğini uyarır. Pompa dalga boyu, fiber lazerin lazer dalga boyuna yaklaştıkça, kuantum kusurları olarak adlandırılanlar azaltılır, böylece verimlilik en üst düzeye çıkarılır ve ısı yayılımı miktarı en aza indirilir.
Hem fiber lazerler hem de diyot pompalı katı hal lazerler, diyot lazer parlaklığındaki iyileştirmelere 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, katı hal lazerlerinde dar soğurma özellikleriyle düşük kuantum kusurlu pompalamayı ve doğrudan yarı iletken lazer uygulamaları için yoğun dalga boyu çoğullamayı mümkün kılacak gelecekteki sistemler için uzaysal ve spektral parlaklık gerekli olacaktır. 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 kategorilerini uygulamaya koymuştur.
Her on yılda bir maliyet ve performansta 10 kat artış gösteren yüksek güçlü yarı iletken lazerler, pazarın normal işleyişini öngörülemeyen şekillerde bozuyor. Gelecekteki uygulamaları doğru bir şekilde tahmin etmek zor olsa da, son otuz yılın gelişim tarihini 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 uygulamalar. Optik depolama, yarı iletken lazer endüstrisindeki ilk büyük ölçekli uygulamadır. Hall'un kızılötesi yarı iletken lazeri ilk kez göstermesinden kısa bir süre sonra, General Electric'ten Nick Holonyak da ilk görünür kırmızı yarı iletken lazeri gösterdi. Yirmi yıl sonra kompakt diskler (CD'ler) piyasaya sunuldu ve ardından optik depolama pazarı geldi.
Yarı iletken lazer teknolojisinin sürekli yenilenmesi, 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 seçilmiş havacılık ve savunma uygulamaları gibi nispeten küçük niş pazarlarla sınırlandırır.
1990'lar: Optik ağlar hakimdir. 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 lazerleri, optik ağların ölçeğine ulaşmak ve İnternet verilerinin büyümesini gerçekten desteklemek için kritik öneme sahiptir.
Bunun getirdiği telekomünikasyon endüstrisi patlaması geniş kapsamlıdır ve yüksek güçlü yarı iletken lazer endüstrisindeki ilk öncülerden biri olan Spectra Diode Labs'ı (SDL) örnek olarak alır. 1983 yılında kurulan SDL, Newport Group'un lazer markaları Spectra-Physics ve Xerox'un ortak girişimidir. 1995 yılında yaklaşık 100 milyon dolarlık piyasa değeriyle piyasaya sürüldü. Beş yıl sonra SDL, tarihteki en büyük teknoloji satın almalarından biri olan telekomünikasyon endüstrisinin zirvesi sırasında 40 milyar dolardan fazla bir bedelle JDSU'ya satıldı. Kısa bir süre sonra telekomünikasyon balonu patladı ve trilyonlarca dolarlık sermayeyi yok etti; bu, şu anda tarihin en büyük balonu olarak görülüyor.
2000'ler: Lazerler bir araç haline geldi. Telekomünikasyon pazarındaki balonun patlaması son derece yıkıcı olsa da, yüksek güçlü yarı iletken lazerlere yapılan büyük yatırım, daha geniş çapta benimsenmesinin 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 katmanlı üretimi gibi yeni ileri üretim teknolojilerine kadar çeşitlilik gösterir. Akıllı telefonlar gibi önemli ürünler bu lazerlerle ticarileştirildiğinden, mikro üretim uygulamaları daha çeşitlidir. Havacılık ve savunma uygulamaları, çok çeşitli görev açısından kritik uygulamaları içerir ve gelecekte büyük olasılıkla yeni nesil yönlü enerji sistemlerini de içerecektir.
Özetle 
50 yılı aşkın bir süre önce Moore yeni bir temel fizik yasası önermedi ancak on yıl önce ilk kez incelenen entegre devrelerde büyük gelişmeler kaydetti. Onun kehaneti onlarca yıl sürdü ve 1965'te düşünülmesi bile mümkün olmayan bir dizi yıkıcı yeniliği beraberinde getirdi.
Hall 50 yıldan fazla bir süre önce yarı iletken lazerleri tanıttığında teknolojik bir devrimi tetikledi. Moore Yasasında olduğu gibi, çok sayıda yenilikle elde edilen yüksek yoğunluklu yarı iletken lazerlerin daha sonra 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 trend geleneksel teknolojilerin yerini almaya devam edecek ve böylece işlerin geliştirilme şeklini daha da değiştirecek. Ekonomik büyüme açısından daha önemli olan yüksek güçlü yarı iletken lazerler aynı zamanda yeni şeylerin doğuşunu da teşvik edecek.