Поскольку эффективность и мощность продолжают расти, лазерные диоды будут продолжать заменять традиционные технологии, изменять способ обработки вещей и стимулировать рождение новых вещей.
Традиционно экономисты считают, что технический прогресс - это постепенный процесс. В последнее время отрасль уделяет больше внимания прорывным инновациям, которые могут вызвать разрывы. Эти инновации, известные как технологии общего назначения (GPT), являются «глубокими новыми идеями или технологиями, которые могут оказать значительное влияние на многие аспекты экономики». Общая технология обычно занимает несколько десятилетий, и еще дольше приведет к увеличению производительности. Сначала они не были хорошо поняты. Даже после того, как технология была коммерциализирована, процесс внедрения производства был долгосрочным. Интегральные схемы являются хорошим примером. Транзисторы были впервые введены в начале 20-го века, но они широко использовались до позднего вечера.
Один из основателей закона Мура, Гордон Мур, предсказал в 1965 году, что полупроводники будут развиваться более быстрыми темпами, «привнося популярность электроники и продвигая эту науку во многих новых областях». Несмотря на его смелые и неожиданно точные прогнозы, он претерпел десятилетия постоянного улучшения, прежде чем достиг производительности и экономического роста.
Точно так же понимание драматического развития мощных полупроводниковых лазеров ограничено. В 1962 году промышленность впервые продемонстрировала превращение электронов в лазеры, после чего последовал ряд достижений, которые привели к значительным улучшениям в преобразовании электронов в лазерные процессы с высоким выходом. Эти улучшения могут поддерживать ряд важных приложений, в том числе оптическое запоминающее устройство, оптические сети и широкий спектр промышленных приложений.
Напоминая об этих событиях и многочисленных улучшениях, которые они выявили, высветили возможность большего и более широкого воздействия на многие аспекты экономики. Фактически, с непрерывным улучшением мощных полупроводниковых лазеров, сфера важных применений будет расширяться и оказывать глубокое влияние на экономический рост.
История мощных полупроводниковых лазеров
16 сентября 1962 года группа под руководством Роберта Холла из General Electric продемонстрировала инфракрасное излучение арсенид-галлиевых (GaAs) полупроводников, которые имеют «странные» интерференционные картины, что означает когерентный лазер - рождение первого полупроводникового лазера. Холл изначально полагал, что полупроводниковый лазер был «длинным выстрелом», потому что светодиоды в то время были очень неэффективными. В то же время он также скептически относился к этому, потому что лазер, подтвержденный два года назад и уже существующий, требует «прекрасного зеркала».
Летом 1962 года Галле сказал, что был шокирован более эффективными светодиодами GaAs, разработанными в лаборатории MIT Lincoln Laboratory. Впоследствии он сказал, что ему повезло, что он смог провести испытания с некоторыми высококачественными материалами GaAs, и использовал свой опыт астронома-любителя, чтобы разработать способ полировки краев чипов GaAs для формирования полости.
Успешная демонстрация Холла основана на дизайне радиационных отскоков назад и вперед на границе раздела, а не вертикальном отскоке. Он скромно сказал, что никто "случайно не придумал эту идею". На самом деле, конструкция Холла - это, по сути, удачное совпадение, что полупроводниковый материал, образующий волновод, также обладает свойством ограничивать биполярные носители одновременно. В противном случае невозможно реализовать полупроводниковый лазер. При использовании разнородных полупроводниковых материалов пластинчатый волновод может быть сформирован для перекрытия фотонов с носителями.
Эти предварительные демонстрации в General Electric были крупным прорывом. Однако эти лазеры далеки от практических устройств. Чтобы способствовать рождению мощных полупроводниковых лазеров, необходимо объединить различные технологии. Основные технологические инновации начались с понимания полупроводниковых материалов с прямой запрещенной зоной и методов выращивания кристаллов.
Более поздние разработки включали изобретение лазеров с двойным гетеропереходом и последующую разработку лазеров с квантовыми ямами. Ключ к дальнейшему совершенствованию этих основных технологий лежит в повышении эффективности и развитии пассивации полости, рассеивания тепла и технологии упаковки.
яркость
Инновации за последние несколько десятилетий привели к захватывающим улучшениям. В частности, улучшение яркости отличное. В 1985 году современный полупроводниковый лазер высокой мощности смог соединить 105 милливатт мощности в волокне с сердечником 105 микрон. Самые современные мощные полупроводниковые лазеры теперь могут производить более 250 Вт из 105-микронного волокна с одной длиной волны - увеличение в 10 раз каждые восемь лет.
Мур задумал «прикрепить больше компонентов к интегральной схеме» - тогда число транзисторов на чип увеличивается в 10 раз каждые 7 лет. По совпадению, мощные полупроводниковые лазеры включают большее количество фотонов в волокно с одинаковыми экспоненциальными скоростями (см. Рисунок 1).
Рисунок 1. Яркость мощных полупроводниковых лазеров и сравнение с законом Мура
Улучшение яркости полупроводниковых лазеров большой мощности способствовало развитию различных непредвиденных технологий. Хотя продолжение этой тенденции требует дополнительных инноваций, есть основания полагать, что инновация в области полупроводниковых лазерных технологий еще далека от завершения. Хорошо известная физика может еще больше улучшить характеристики полупроводниковых лазеров за счет постоянного технологического развития.
Например, усиливающая среда с квантовыми точками может значительно повысить эффективность по сравнению с современными устройствами с квантовыми ямами. Яркость медленной оси дает еще один потенциал улучшения на порядок. Новые упаковочные материалы с улучшенным термическим согласованием и согласованием расширения обеспечат улучшения, необходимые для непрерывной регулировки мощности и упрощенного управления температурой. Эти ключевые события обеспечат дорожную карту для разработки мощных полупроводниковых лазеров в ближайшие десятилетия.
Твердотельные и волоконные лазеры с диодной накачкой
Усовершенствования в мощных полупроводниковых лазерах сделали возможным развитие нисходящих лазерных технологий; в последующих лазерных технологиях полупроводниковые лазеры используются для возбуждения (накачка) легированных кристаллов (твердотельные лазеры с диодной накачкой) или легированных волокон (волоконные лазеры).
Хотя полупроводниковые лазеры обеспечивают высокоэффективную и недорогую энергию лазера, есть два ключевых ограничения: они не накапливают энергию и их яркость ограничена. По сути, эти два лазера необходимо использовать для многих применений: один для преобразования электричества в лазерное излучение, а другой для повышения яркости лазерного излучения.
Твердотельные лазеры с диодной накачкой. В конце 1980-х годов использование полупроводниковых лазеров для накачки твердотельных лазеров стало набирать популярность в коммерческих приложениях. Твердотельные лазеры с диодной накачкой (DPSSL) значительно уменьшают размер и сложность систем терморегулирования (главным образом, рециркуляционных охладителей) и получают модули, которые исторически объединяли дуговые лампы для накачки твердотельных лазерных кристаллов.
Длины волн полупроводниковых лазеров выбираются на основе их перекрытия со свойствами спектрального поглощения усиливающей среды твердотельного лазера; тепловая нагрузка значительно снижается по сравнению с широкополосным спектром излучения дуговой лампы. Из-за популярности 1064 нм германиевых лазеров длина волны накачки 808 нм стала самой большой длиной волны в полупроводниковых лазерах за более чем 20 лет.
С увеличением яркости многомодовых полупроводниковых лазеров и способностью стабилизировать узкую ширину линии излучателя с помощью объемных брэгговских решеток (VBG) в середине 2000 года было достигнуто второе поколение улучшенной эффективности диодной накачки. Более слабые и спектрально узкие характеристики поглощения около 880 нм стали горячими точками для диодов накачки высокой яркости. Эти диоды могут достичь спектральной стабильности. Эти высокопроизводительные лазеры могут непосредственно возбуждать верхний уровень лазера 4F3 / 2 в кремнии, уменьшая квантовые дефекты, тем самым улучшая извлечение фундаментальных мод с более высоким средним, которые в противном случае были бы ограничены тепловыми линзами.
К началу 2010 года мы стали свидетелями тенденции мощного масштабирования для однофазного лазера на 1064 нм и связанных с ним серий лазеров с преобразованием частоты, работающих в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Из-за более продолжительного времени жизни в высоком энергетическом состоянии Nd: YAG и Nd: YVO4 эти операции переключения DPSSL Q обеспечивают высокую энергию импульса и пиковую мощность, что делает их идеальными для обработки абляционных материалов и высокоточной микрообработки.
волоконно-оптический лазер. Волоконные лазеры обеспечивают более эффективный способ преобразования яркости полупроводниковых лазеров высокой мощности. Хотя оптика с мультиплексированием по длине волны может преобразовывать полупроводниковый лазер с относительно низкой яркостью в более яркий полупроводниковый лазер, это происходит за счет увеличения спектральной ширины и оптомеханической сложности. Было показано, что волоконные лазеры особенно эффективны в фотометрическом преобразовании.
В волокнах с двойной оболочкой, представленных в 1990-х годах, используются одномодовые волокна, окруженные многомодовой оболочкой, что позволяет эффективно вводить в волокно более мощные и недорогие многомодовые лазеры с полупроводниковой накачкой, создавая более экономичный способ преобразования Мощный полупроводниковый лазер в более яркий лазер. Для волокон, легированных иттербием (Yb), накачка вызывает широкое поглощение с центром при 915 нм или узкополосный элемент около 976 нм. По мере приближения длины волны накачки к длине волны генерации волоконного лазера, так называемые квантовые дефекты уменьшаются, тем самым максимизируя эффективность и сводя к минимуму величину тепловыделения.
Как волоконные лазеры, так и твердотельные лазеры с диодной накачкой полагаются на улучшение яркости диодного лазера. В целом, поскольку яркость диодных лазеров продолжает улучшаться, доля мощности лазера, которую они накачивают, также увеличивается. Увеличенная яркость полупроводниковых лазеров способствует более эффективному преобразованию яркости.
Как и следовало ожидать, пространственная и спектральная яркость будут необходимы для будущих систем, что позволит использовать накачку с малыми квантовыми дефектами с узкими характеристиками поглощения в твердотельных лазерах и мультиплексирование с плотной длиной волны для применения в полупроводниковых лазерах. План становится возможным.
Рынок и применение
Разработка мощных полупроводниковых лазеров сделала возможным множество важных применений. Эти лазеры заменили многие традиционные технологии и внедрили новые категории продуктов.
С увеличением стоимости и производительности в 10 раз за десятилетие мощные полупроводниковые лазеры непредсказуемым образом нарушают нормальную работу рынка. Хотя трудно точно предсказать будущие приложения, очень важно проанализировать историю развития за последние три десятилетия и предоставить базовые возможности для разработки в следующем десятилетии (см. Рисунок 2).
Рисунок 2. Применение топлива яркости полупроводникового лазера высокой мощности (стоимость стандартизации на ватт яркости)
1980-е годы: Оптические накопители и начальные нишевые приложения. Оптические накопители - первое крупномасштабное применение в полупроводниковой лазерной промышленности. Вскоре после того, как Холл впервые продемонстрировал инфракрасный полупроводниковый лазер, Ник Холоньяк из General Electric также показал первый видимый красный полупроводниковый лазер. Двадцать лет спустя на рынке появились компакт-диски (CD), а затем рынок оптических носителей.
Постоянные инновации в технологии полупроводниковых лазеров привели к развитию оптических технологий хранения, таких как цифровой универсальный диск (DVD) и диск Blu-ray (BD). Это первый крупный рынок для полупроводниковых лазеров, но, как правило, скромные уровни мощности ограничивают другие области применения относительно небольшими нишевыми рынками, такими как термопечать, медицинские приложения и отдельные применения в аэрокосмической и оборонной промышленности.
1990-е годы: преобладают оптические сети. В 1990-х годах полупроводниковые лазеры стали ключом к сетям связи. Полупроводниковые лазеры используются для передачи сигналов по оптоволоконным сетям, но одномодовые лазеры накачки с большей мощностью для оптических усилителей имеют решающее значение для достижения масштаба оптических сетей и действительно поддерживают рост интернет-данных.
Бум телекоммуникационной индустрии, вызванный этим, является далеко идущим, на примере Spectra Diode Labs (SDL), одного из первых пионеров в отрасли мощных полупроводниковых лазеров. Основанная в 1983 году, SDL является совместным предприятием лазерных брендов Newport Group, Spectra-Physics и Xerox. Он был запущен в 1995 году с рыночной капитализацией около 100 миллионов долларов. Пять лет спустя SDL был продан JDSU более чем на 40 миллиардов долларов во время пика телекоммуникационной отрасли, одного из крупнейших технологических приобретений в истории. Вскоре после этого телекоммуникационный пузырь лопнул и уничтожил триллионы долларов капитала, который теперь считается самым большим пузырем в истории.
2000-е годы: лазеры стали инструментом. Хотя взрыв пузыря на рынке телекоммуникаций чрезвычайно разрушителен, огромные инвестиции в мощные полупроводниковые лазеры заложили основу для более широкого применения. По мере увеличения производительности и стоимости, эти лазеры начинают заменять традиционные газовые лазеры или другие источники преобразования энергии в различных процессах.
Полупроводниковые лазеры стали широко используемым инструментом. Промышленные применения варьируются от традиционных производственных процессов, таких как резка и пайка, до новых передовых производственных технологий, таких как аддитивное производство металлических 3D-печатных деталей. Приложения для микропроизводства более разнообразны, так как такие продукты, как смартфоны, коммерциализируются с этими лазерами. Аэрокосмические и оборонные применения включают в себя широкий спектр критически важных приложений и, вероятно, будут включать в себя системы направленной энергии следующего поколения в будущем.
подводить итоги
Более 50 лет назад Мур не предложил новый базовый закон физики, но внес значительные улучшения в интегральные схемы, которые впервые были изучены десять лет назад. Его пророчество длилось десятилетиями и принесло с собой ряд разрушительных инноваций, которые были немыслимы в 1965 году.
Когда Холл продемонстрировал полупроводниковые лазеры более 50 лет назад, это вызвало технологическую революцию. Как и в случае с законом Мура, никто не может предсказать скоростное развитие, которому впоследствии подвергнутся высокоинтенсивные полупроводниковые лазеры, достигнутые благодаря большому количеству инноваций.
В физике нет фундаментального правила контролировать эти технологические усовершенствования, но непрерывное технологическое развитие может продвигать лазер с точки зрения яркости. Эта тенденция будет и впредь заменять традиционные технологии, тем самым еще больше изменяя способ развития событий. Более важные для экономического роста мощные полупроводниковые лазеры также будут способствовать рождению новых вещей.
Box optronics
Box optronics
'sales@boxoptronics.com'