Ang nakaraan at hinaharap ng high power semiconductor lasers

Habang patuloy na tumataas ang kahusayan at kapangyarihan, patuloy na papalitan ng mga laser diode ang mga tradisyonal na teknolohiya, babaguhin ang paraan ng paghawak ng mga bagay, at pasiglahin ang pagsilang ng mga bagong bagay.
Ayon sa kaugalian, naniniwala ang mga ekonomista na ang pag-unlad ng teknolohiya ay isang unti-unting proseso. Kamakailan, mas nakatuon ang industriya sa nakakagambalang inobasyon na maaaring magdulot ng mga discontinuity. Ang mga pagbabagong ito, na kilala bilang mga general purpose technologies (GPTs), ay "malalim na bagong ideya o teknolohiya na maaaring magkaroon ng malaking epekto sa maraming aspeto ng ekonomiya." Ang pangkalahatang teknolohiya ay karaniwang tumatagal ng ilang dekada upang mabuo, at kahit na mas matagal ay magdadala ng pagtaas sa produktibidad. Noong una, hindi sila masyadong naiintindihan. Kahit na pagkatapos na ang teknolohiya ay komersyalisado, nagkaroon ng pangmatagalang lag sa pag-aampon ng produksyon. Ang mga pinagsama-samang circuit ay isang magandang halimbawa. Ang mga transistor ay unang ipinakilala noong unang bahagi ng ika-20 siglo, ngunit malawak itong ginagamit hanggang sa huli ng gabi.
Ang isa sa mga tagapagtatag ng Batas ni Moore, si Gordon Moore, ay hinulaang noong 1965 na ang mga semiconductor ay bubuo sa mas mabilis na rate, "nagdudulot ng katanyagan ng electronics at itulak ang agham na ito sa maraming bagong larangan." Sa kabila ng kanyang matapang at hindi inaasahang tumpak na mga hula, dumaan siya sa mga dekada ng patuloy na pagpapabuti bago makamit ang pagiging produktibo at paglago ng ekonomiya.
Katulad nito, ang pag-unawa sa dramatikong pag-unlad ng high power semiconductor lasers ay limitado. Noong 1962, unang ipinakita ng industriya ang conversion ng mga electron sa mga laser, na sinundan ng ilang mga pagsulong na humantong sa makabuluhang mga pagpapabuti sa conversion ng mga electron sa mga high-yield na proseso ng laser. Maaaring suportahan ng mga pagpapahusay na ito ang isang hanay ng mahahalagang aplikasyon, kabilang ang optical storage, optical networking, at malawak na hanay ng mga pang-industriyang aplikasyon.
Ang pag-alaala sa mga pag-unlad na ito at ang maraming mga pagpapabuti na kanilang dinala sa liwanag ay na-highlight ang posibilidad ng mas malaki at mas malawak na epekto sa maraming aspeto ng ekonomiya. Sa katunayan, sa patuloy na pagpapabuti ng high power semiconductor lasers, ang saklaw ng mahahalagang aplikasyon ay tataas at magkakaroon ng malalim na epekto sa paglago ng ekonomiya.
High power semiconductor laser history
Noong Setyembre 16, 1962, ipinakita ng isang team na pinamumunuan ng General Electric's Robert Hall ang infrared emission ng gallium arsenide (GaAs) semiconductors, na may "kakaibang" interference pattern, ibig sabihin, coherence Laser - ang pagsilang ng unang semiconductor laser. Noong una ay naniniwala si Hall na ang semiconductor laser ay isang "long shot" dahil ang mga light emitting diode noong panahong iyon ay napaka-inefficient. Kasabay nito, nag-aalinlangan din siya tungkol dito dahil ang laser na nakumpirma dalawang taon na ang nakakaraan at umiiral na ay nangangailangan ng isang "pinong salamin."
Noong tag-araw ng 1962, sinabi ni Halle na nagulat siya sa mas mahusay na GaAs light-emitting diodes na binuo ng MIT Lincoln Laboratory. Kasunod nito, sinabi niyang masuwerte siyang makapagsubok gamit ang ilang mataas na kalidad na mga materyales ng GaAs at ginamit ang kanyang karanasan bilang isang baguhang astronomer upang bumuo ng isang paraan upang pakinisin ang mga gilid ng GaAs chips upang bumuo ng isang lukab.
Ang matagumpay na demonstrasyon ng Hall ay nakabatay sa disenyo ng radiation bounce pabalik-balik sa interface sa halip na vertical bounce. Mahinhin niyang sinabi na walang sinuman ang "nagkataong makabuo ng ideyang ito." Sa katunayan, ang disenyo ng Hall ay mahalagang isang masuwerte na pagkakataon na ang materyal na semiconductor na bumubuo sa waveguide ay mayroon ding pag-aari ng paglilimita sa mga bipolar carrier sa parehong oras. Kung hindi man, imposibleng mapagtanto ang isang semiconductor laser. Sa pamamagitan ng paggamit ng hindi magkatulad na mga materyales ng semiconductor, ang isang slab waveguide ay maaaring mabuo upang mag-overlap ng mga photon sa mga carrier.
Ang mga paunang demonstrasyon na ito sa General Electric ay isang malaking tagumpay. Gayunpaman, ang mga laser na ito ay malayo sa mga praktikal na aparato. Upang maisulong ang pagsilang ng high-power semiconductor lasers, dapat na maisakatuparan ang pagsasanib ng iba't ibang teknolohiya. Ang mga pangunahing teknolohikal na inobasyon ay nagsimula sa pag-unawa sa mga direktang bandgap na semiconductor na materyales at mga diskarte sa paglago ng kristal.
Kasama sa mga pag-unlad sa ibang pagkakataon ang pag-imbento ng double heterojunction lasers at ang kasunod na pag-unlad ng quantum well lasers. Ang susi sa higit pang pagpapahusay ng mga pangunahing teknolohiyang ito ay nakasalalay sa pagpapabuti ng kahusayan at pag-unlad ng cavity passivation, heat dissipation, at packaging technology.
Liwanag
Ang pagbabago sa nakalipas na ilang dekada ay nagdulot ng mga kapana-panabik na pagpapabuti. Sa partikular, ang pagpapabuti ng liwanag ay mahusay. Noong 1985, ang state-of-the-art na high power semiconductor laser ay nagawang pagsamahin ang 105 milliwatts ng kapangyarihan sa isang 105 micron core fiber. Ang pinaka-advanced na high-power semiconductor lasers ay maaari na ngayong gumawa ng higit sa 250 watts ng 105-micron fiber na may isang solong wavelength - isang 10-fold na pagtaas kada walong taon.

Naisip ni Moore ang "pag-aayos ng higit pang mga bahagi sa integrated circuit" - pagkatapos, ang bilang ng mga transistor bawat chip ay tumaas ng 10 beses bawat 7 taon. Nagkataon, ang high-power semiconductor lasers ay nagsasama ng higit pang mga photon sa fiber sa magkatulad na exponential rate (tingnan ang Figure 1).

Figure 1. Liwanag ng high-power semiconductor lasers at paghahambing sa batas ni Moore
Ang pagpapabuti sa ningning ng high power semiconductor lasers ay nagsulong ng pagbuo ng iba't ibang hindi inaasahang teknolohiya. Bagama't ang pagpapatuloy ng kalakaran na ito ay nangangailangan ng higit na pagbabago, may dahilan upang maniwala na ang pagbabago ng teknolohiya ng semiconductor laser ay malayong makumpleto. Ang kilalang pisika ay maaaring higit pang mapabuti ang pagganap ng mga semiconductor laser sa pamamagitan ng patuloy na pag-unlad ng teknolohiya.
Halimbawa, ang quantum dot gain media ay maaaring makabuluhang tumaas ang kahusayan kumpara sa kasalukuyang mga quantum well device. Nag-aalok ang mabagal na liwanag ng axis ng isa pang pagkakasunod-sunod ng potensyal na pagpapabuti ng magnitude. Ang mga bagong packaging materials na may pinahusay na thermal at expansion na pagtutugma ay magbibigay ng mga pagpapahusay na kailangan para sa tuluy-tuloy na pagsasaayos ng kuryente at pinasimpleng thermal management. Ang mga pangunahing pagpapaunlad na ito ay magbibigay ng roadmap para sa pagbuo ng high power semiconductor lasers sa mga darating na dekada.
Diode-pumped solid-state at fiber lasers
Ang mga pagpapabuti sa high-power semiconductor lasers ay ginawa ang pagbuo ng downstream na mga teknolohiya ng laser na posible; sa downstream na mga teknolohiya ng laser, ang mga semiconductor laser ay ginagamit upang pasiglahin (pump) ang doped crystals (diode-pumped solid-state lasers) o doped fibers (fiber lasers).
Bagama't ang mga semiconductor laser ay nagbibigay ng mataas na kahusayan, murang enerhiya ng laser, mayroong dalawang pangunahing limitasyon: hindi sila nag-iimbak ng enerhiya at limitado ang kanilang liwanag. Karaniwang kailangang gamitin ang dalawang laser na ito para sa maraming aplikasyon: ang isa para sa pag-convert ng kuryente sa laser emission at ang isa para sa pagpapahusay ng liwanag ng laser emission.
Diode-pumped solid-state lasers. Sa huling bahagi ng 1980s, ang paggamit ng mga semiconductor laser upang mag-bomba ng solid-state na mga laser ay nagsimulang makakuha ng katanyagan sa mga komersyal na aplikasyon. Ang mga diode-pumped solid-state lasers (DPSSL) ay lubos na nakakabawas sa laki at pagiging kumplikado ng mga thermal management system (pangunahin ang mga recirculating cooler) at kumuha ng mga module na may kasaysayang pinagsama-samang mga arc lamp para sa pumping solid-state laser crystals.
Ang mga wavelength ng mga semiconductor laser ay pinili batay sa kanilang overlap sa mga katangian ng spectral absorption ng solid-state na laser gain medium; ang pagkarga ng init ay lubhang nabawasan kumpara sa malawak na banda na emission spectrum ng arc lamp. Dahil sa katanyagan ng 1064 nm germanium-based lasers, ang 808 nm pump wavelength ay naging pinakamalaking wavelength sa semiconductor lasers sa loob ng higit sa 20 taon.
Sa pagtaas ng liwanag ng multimode semiconductor lasers at ang kakayahang patatagin ang makitid na lapad ng linya ng emitter na may volume na Bragg gratings (VBGs) noong kalagitnaan ng 2000, ang ikalawang henerasyon ng pinabuting diode pumping efficiency ay nakamit. Ang mas mahina at kakaibang makitid na tampok sa pagsipsip sa paligid ng 880 nm ay naging mga hot spot para sa mataas na ningning na mga pump diode. Ang mga diode na ito ay maaaring makamit ang parang multo na katatagan. Ang mga laser na ito na may mas mataas na pagganap ay maaaring direktang pukawin ang itaas na antas ng laser na 4F3/2 sa silicon, na binabawasan ang mga depekto sa dami, at sa gayon ay nagpapabuti sa pagkuha ng mas mataas na average na mga pangunahing mode na kung hindi man ay limitado ng mga thermal lens.
Sa simula ng 2010, nasaksihan namin ang high-power scaling trend ng single-cross-mode 1064nm laser at mga kaugnay na serye ng frequency conversion laser na tumatakbo sa nakikita at ultraviolet na mga banda. Dahil sa mas matagal na high energy state lifetime ng Nd:YAG at Nd:YVO4, ang mga DPSSL Q switching operation na ito ay nagbibigay ng mataas na pulse energy at peak power, na ginagawa itong perpekto para sa ablative material processing at high precision micromachining applications.
fiber-optic laser. Ang mga fiber laser ay nagbibigay ng mas mahusay na paraan ng pag-convert ng ningning ng mga high power na semiconductor laser. Bagama't ang wavelength-multiplexed optics ay maaaring mag-convert ng isang medyo mababang-luminance na semiconductor laser sa isang mas maliwanag na semiconductor laser, ito ay sa gastos ng tumaas na spectral width at optomechanical complexity. Ang mga fiber laser ay ipinakita na partikular na epektibo sa photometric conversion.
Ang mga double-clad fibers na ipinakilala noong 1990s ay gumagamit ng single-mode fibers na napapalibutan ng isang multimode cladding, na nagbibigay-daan sa mas mataas na kapangyarihan, mas mababang gastos na multimode semiconductor-pumped laser na mahusay na mai-inject sa fiber, na lumilikha ng isang mas matipid na paraan upang mag-convert ng isang mataas na kapangyarihan semiconductor laser sa isang mas maliwanag laser. Para sa ytterbium (Yb) doped fibers, ang pump ay nasasabik ng malawak na pagsipsip na nakasentro sa 915 nm o isang makitid na tampok na banda sa paligid ng 976 nm. Habang papalapit ang wavelength ng pump sa lasing wavelength ng fiber laser, nababawasan ang tinatawag na quantum defects, at sa gayo'y na-maximize ang kahusayan at pinapaliit ang dami ng heat dissipation.
Ang parehong fiber laser at diode-pumped solid-state lasers ay umaasa sa mga pagpapabuti sa diode laser brightness. Sa pangkalahatan, habang ang ningning ng mga diode laser ay patuloy na bumubuti, ang proporsyon ng laser power na kanilang pump ay tumataas din. Ang tumaas na ningning ng mga semiconductor laser ay nagpapadali sa mas mahusay na conversion ng liwanag.
Gaya ng inaasahan namin, kakailanganin ang spatial at spectral brightness para sa mga hinaharap na sistema, na magbibigay-daan sa mababang quantum defect pumping na may makitid na katangian ng pagsipsip sa solid-state lasers at dense wavelength multiplexing para sa direktang semiconductor laser application. Nagiging posible ang plano.
Market at Application
Ang pag-unlad ng high power semiconductor lasers ay gumawa ng maraming mahahalagang aplikasyon na posible. Pinalitan ng mga laser na ito ang maraming tradisyonal na teknolohiya at nagpatupad ng mga bagong kategorya ng produkto.
Sa 10-tiklop na pagtaas sa gastos at pagganap sa bawat dekada, ang mga high-power na semiconductor laser ay nakakagambala sa normal na operasyon ng merkado sa mga hindi inaasahang paraan. Bagama't mahirap hulaan nang tumpak ang mga aplikasyon sa hinaharap, napakahalagang suriin ang kasaysayan ng pag-unlad ng nakalipas na tatlong dekada at magbigay ng mga posibilidad ng balangkas para sa pagbuo ng susunod na dekada (tingnan ang Larawan 2).

Figure 2. High-power semiconductor laser brightness fuel application (standardization cost per watt brightness)
1980s: Optical storage at mga paunang niche application. Ang optical storage ay ang unang malakihang aplikasyon sa industriya ng semiconductor laser. Di-nagtagal pagkatapos unang ipakita ng Hall ang infrared semiconductor laser, ipinakita rin ng General Electrics Nick Holonyak ang unang nakikitang pulang semiconductor laser. Pagkalipas ng dalawampung taon, ang mga compact disc (CD) ay ipinakilala sa merkado, na sinundan ng optical storage market.
Ang patuloy na pagbabago ng teknolohiya ng semiconductor laser ay humantong sa pagbuo ng mga optical storage na teknolohiya tulad ng digital versatile disc (DVD) at Blu-ray Disc (BD). Ito ang unang malaking merkado para sa mga semiconductor laser, ngunit sa pangkalahatan ay nililimitahan ng mababang antas ng kapangyarihan ang iba pang mga application sa medyo maliit na mga niche market tulad ng thermal printing, mga medikal na aplikasyon, at mga piling aerospace at defense application.
Ang 1990s: Ang mga optical network ay nangingibabaw. Noong 1990s, ang mga semiconductor laser ay naging susi sa mga network ng komunikasyon. Ang mga semiconductor laser ay ginagamit upang magpadala ng mga signal sa mga fiber optic na network, ngunit ang mas mataas na kapangyarihan na single mode pump laser para sa mga optical amplifier ay kritikal sa pagkamit ng sukat ng mga optical network at tunay na sumusuporta sa paglago ng data sa Internet.
Ang boom ng industriya ng telekomunikasyon na dala nito ay napakalawak, na kinuha ang Spectra Diode Labs (SDL), isa sa mga unang pioneer sa high power semiconductor laser industry bilang isang halimbawa. Itinatag noong 1983, ang SDL ay isang joint venture sa pagitan ng mga laser brand ng Newport Group na Spectra-Physics at Xerox. Ito ay inilunsad noong 1995 na may market capitalization na humigit-kumulang $100 milyon. Pagkalipas ng limang taon, naibenta ang SDL sa JDSU ng higit sa $40 bilyon sa panahon ng peak ng industriya ng telecom, isa sa pinakamalaking pagkuha ng teknolohiya sa kasaysayan. Di-nagtagal, ang telecommunications bubble ay sumabog at nawasak ang trilyong dolyar na kapital, na ngayon ay nakikita bilang ang pinakamalaking bubble sa kasaysayan.
2000s: Ang mga laser ay naging isang kasangkapan. Kahit na ang pagsabog ng bubble ng merkado ng telekomunikasyon ay lubhang mapanira, ang malaking pamumuhunan sa high-power semiconductor lasers ay naglatag ng pundasyon para sa mas malawak na pag-aampon. Habang tumataas ang performance at gastos, ang mga laser na ito ay nagsisimula nang palitan ang mga tradisyonal na gas laser o iba pang pinagmumulan ng conversion ng enerhiya sa iba't ibang proseso.
Ang mga semiconductor laser ay naging isang malawakang ginagamit na tool. Ang mga pang-industriya na aplikasyon ay mula sa tradisyonal na mga proseso ng pagmamanupaktura gaya ng pagputol at paghihinang hanggang sa mga bagong advanced na teknolohiya sa pagmamanupaktura gaya ng additive na pagmamanupaktura ng mga 3D na naka-print na bahagi ng metal. Ang mga micro-manufacturing application ay mas magkakaibang, dahil ang mga pangunahing produkto tulad ng mga smartphone ay na-komersyal sa mga laser na ito. Ang mga aplikasyon ng aerospace at pagtatanggol ay nagsasangkot ng malawak na hanay ng mga aplikasyong kritikal sa misyon at malamang na isasama ang mga susunod na henerasyong mga sistema ng enerhiyang may direksyon sa hinaharap.
upang sum up 
Mahigit 50 taon na ang nakalilipas, hindi nagmungkahi si Moore ng bagong pangunahing batas ng pisika, ngunit gumawa ng mahusay na mga pagpapabuti sa mga pinagsama-samang circuit na unang pinag-aralan sampung taon na ang nakakaraan. Ang kanyang propesiya ay tumagal ng mga dekada at nagdala ng isang serye ng mga nakakagambalang pagbabago na hindi maiisip noong 1965.
Nang magpakita si Hall ng mga semiconductor laser higit sa 50 taon na ang nakalilipas, nag-trigger ito ng isang teknolohikal na rebolusyon. Tulad ng Batas ni Moore, walang sinuman ang maaaring mahulaan ang high-speed development na ang high-intensity semiconductor lasers na nakamit ng isang malaking bilang ng mga inobasyon ay sasailalim sa dakong huli.
Walang pangunahing panuntunan sa pisika upang kontrolin ang mga teknolohikal na pagpapabuti na ito, ngunit ang patuloy na pagsulong ng teknolohiya ay maaaring isulong ang laser sa mga tuntunin ng liwanag. Ang trend na ito ay patuloy na papalitan ang mga tradisyonal na teknolohiya, kaya't higit na nagbabago ang paraan ng pagbuo ng mga bagay. Mas mahalaga sa paglago ng ekonomiya, ang high-power semiconductor lasers ay magsusulong din ng pagsilang ng mga bagong bagay.