Propesyonal na kaalaman

Ang nakaraan at hinaharap ng mataas na lakas na mga semiconductor laser

2021-04-12
Tulad ng kahusayan at lakas na patuloy na tataas, ang mga diode ng laser ay magpapatuloy na palitan ang tradisyunal na mga teknolohiya, baguhin 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 mabagal na proseso. Kamakailan lamang, ang industriya ay higit na nakatuon sa nakakagambala na makabagong ideya na maaaring maging sanhi ng mga hindi pagkakatuloy. Ang mga makabagong ideya na ito, na kilala bilang mga pangkalahatang layunin na teknolohiya (GPTs), ay "malalim na mga bagong ideya o teknolohiya na maaaring may malaking epekto sa maraming aspeto ng ekonomiya." Pangkalahatang teknolohiya ay karaniwang tumatagal ng ilang mga dekada upang bumuo, at kahit na mas matagal ay magdadala ng isang pagtaas sa pagiging produktibo. Sa una, hindi sila masyadong naintindihan. Kahit na matapos na gawing komersyal ang teknolohiya, mayroong isang pangmatagalang pagkahuli sa pag-aampon ng produksyon. Ang mga integrated circuit ay isang magandang halimbawa. Ang mga Transistor ay unang ipinakilala noong unang bahagi ng ika-20 siglo, ngunit malawakang ginamit ito hanggang sa huli na ng gabi.
Ang isa sa mga nagtatag ng Batas ng Moore, si Gordon Moore, ay hinulaan noong 1965 na ang mga semiconductor ay bubuo sa isang mas mabilis na rate, "na nagdadala ng katanyagan ng electronics at itulak ang agham na ito sa maraming mga bagong larangan." Sa kabila ng kanyang naka-bold at hindi inaasahang tumpak na mga hula, sumailalim 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 mataas na lakas na semiconductor lasers ay limitado. Noong 1962, unang ipinakita ng industriya ang pagbabago ng mga electron sa mga laser, na sinundan ng isang bilang ng mga pagsulong na humantong sa makabuluhang mga pagpapabuti sa pag-convert ng mga electron sa mga proseso ng laser na may mataas na ani. Ang mga pagpapahusay na ito ay maaaring suportahan ang isang hanay ng mga mahahalagang application, kabilang ang optikal na imbakan, optical networking, at isang malawak na hanay ng mga pang-industriya na application.
Ang paggunita sa mga pagpapaunlad na ito at ang maraming pagpapabuti na kanilang nailahad ay nag-highlight ng posibilidad ng mas malaki at mas malawak na epekto sa maraming aspeto ng ekonomiya. Sa katunayan, sa patuloy na pagpapabuti ng mataas na lakas na semiconductor laser, ang saklaw ng mahahalagang aplikasyon ay tataas at may malalim na epekto sa paglago ng ekonomiya.
Mataas na kapangyarihan ng kasaysayan ng semiconductor laser
Noong Setyembre 16, 1962, isang koponan na pinangunahan ni General Electric na Robert Hall ay nagpakita ng infrared emission ng gallium arsenide (GaAs) semiconductors, na mayroong "kakaibang" mga pattern ng pagkagambala, nangangahulugang coherence Laser - ang pagsilang ng unang semiconductor laser. Una nang naniniwala si Hall na ang semiconductor laser ay isang "long shot" dahil ang ilaw na nagpapalabas ng mga diode noong panahong iyon ay napaka-episyente. Sa parehong oras, siya ay may pag-aalinlangan din tungkol dito dahil ang laser na nakumpirma dalawang taon na ang nakakaraan at mayroon nang nangangailangan ng isang "pinong salamin."
Noong tag-araw ng 1962, sinabi ni Halle na laking gulat niya sa mas mahusay na mga Gaode ng light-emitting diode na binuo ng MIT Lincoln Laboratory. Kasunod nito, sinabi niya na masuwerte siya na makapag-test sa ilang mga de-kalidad na materyales ng GaAs at ginamit ang kanyang karanasan bilang isang amateur astronomo upang makabuo ng isang paraan upang makintab ang mga gilid ng mga chip ng GaAs upang mabuo ang isang lukab.
Ang matagumpay na pagpapakita ng Hall ay batay sa disenyo ng radiation bounces pabalik-balik sa interface kaysa sa patayong bounce. Mahinhin na sinabi niya na walang sinumang "nangyari na makabuo ng ideyang ito." Sa katunayan, ang disenyo ng Hall ay mahalagang isang masuwerteng pagkakataon na ang materyal na semiconductor na bumubuo sa waveguide ay mayroon ding pag-aari ng paglilimita sa mga bipolar carriers nang sabay. Kung hindi man, imposibleng mapagtanto ang isang laser na semiconductor. Sa pamamagitan ng paggamit ng hindi magkatulad na mga materyales na semiconductor, ang isang slab waveguide ay maaaring mabuo upang mag-overlap ng mga photon sa mga carrier.
Ang mga paunang demonstrasyong ito sa General Electric ay isang pangunahing tagumpay. Gayunpaman, ang mga laser na ito ay malayo sa mga praktikal na aparato. Upang maitaguyod ang kapanganakan ng mga laser na semiconductor na may mataas na kapangyarihan, dapat na maisakatuparan ang pagsasanib ng iba't ibang mga teknolohiya. Ang mga pangunahing makabagong teknolohiya ay nagsimula sa isang pag-unawa sa direktang mga materyales ng bandgap semiconductor at mga diskarte sa paglago ng kristal.
Kasama sa mga pag-unlad ang pag-imbento ng mga dobleng heterojunction laser at ang kasunod na pag-unlad ng mga laser ng kabuuan na rin. Ang susi sa karagdagang pagpapahusay ng mga pangunahing teknolohiyang ito ay nakasalalay sa pagpapabuti ng kahusayan at pagbuo ng lukab ng passivation, pagwawaldas ng init, at teknolohiya ng pagbabalot.
Ningning
Ang pagbabago sa nakaraang mga dekada ay nagdulot ng mga nakagaganyak na pagpapabuti. Sa partikular, ang pagpapabuti ng ningning ay mahusay. Noong 1985, ang state-of-the-art high power semiconductor laser ay nagawang mag-asawa ng 105 milliwatts ng kapangyarihan sa isang 105 micron core fiber. Ang pinaka-advanced na high-power semiconductor lasers ay maaari na ngayong makabuo ng higit sa 250 watts ng 105-micron fiber na may isang solong haba ng daluyong - isang 10 beses na pagtaas sa bawat walong taon.

Nag-isip si Moore ng "pag-aayos ng maraming mga bahagi sa pinagsamang circuit" - pagkatapos, ang bilang ng mga transistor bawat maliit na tilad ay tumaas ng 10 beses bawat 7 taon. Nagkataon, ang mga laser na semiconductor na may mataas na kapangyarihan ay nagsasama ng mas maraming mga photon sa hibla sa magkatulad na mga exponential rate (tingnan ang Larawan 1).

Larawan 1. Liwanag ng mga laser na semiconductor na may mataas na lakas at paghahambing sa batas ni Moore
Ang pagpapabuti ng ningning ng mga mataas na lakas na semiconductor laser ay na-promosyon ang pag-unlad ng iba't ibang mga hindi inaasahang teknolohiya. Kahit na 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 malayo sa pagkumpleto. Ang kilalang pisika ay maaaring lalong mapabuti ang pagganap ng mga semiconductor laser sa pamamagitan ng tuluy-tuloy na pag-unlad na teknolohikal.
Halimbawa, ang quantum dot makakuha ng media ay maaaring makabuluhang taasan ang kahusayan kumpara sa kasalukuyang mga aparato ng kabuuan na rin. Ang mabagal na ilaw ng axis ay nag-aalok ng isa pang pagkakasunud-sunod ng potensyal na pagpapabuti ng lakas. Ang mga bagong materyales sa pagbabalot na may pinahusay na pagtutugma ng thermal at pagpapalawak ay magbibigay ng mga pagpapahusay na kinakailangan para sa patuloy na pagsasaayos ng kuryente at pinasimple na pamamahala ng thermal. Ang mga pangunahing pagpapaunlad na ito ay magbibigay ng isang roadmap para sa pagpapaunlad ng mga laser na may mataas na lakas na semiconductor sa mga darating na dekada.
Nag-pump ng diode na solid-state at mga fiber laser
Ang mga pagpapabuti sa mga laser na may mataas na lakas na semiconductor ay ginawang posible ang pagpapaunlad ng mga teknolohiyang hilig na laser; sa mga teknolohiyang hilig na laser, ang mga laser na semiconductor ay ginagamit upang ma-excite (mag-pump) ang mga doped crystals (diode-pumped solid-state lasers) o mga doped fibers (fiber laser).
Kahit na ang mga semiconductor laser ay nagbibigay ng mataas na kahusayan, mababang lakas na laser na enerhiya, mayroong dalawang pangunahing limitasyon: hindi nila iniimbak ang enerhiya at limitado ang kanilang ningning. Karaniwan ang dalawang mga laser na ito ay kailangang gamitin para sa maraming mga application: isa para sa pag-convert ng kuryente sa paglabas ng laser at ang iba pa para sa pagpapahusay ng ningning ng paglabas ng laser.
Mga laser solid-state na pumped na diode. Sa huling bahagi ng 1980s, ang paggamit ng mga laser na semiconductor upang mag-usisa ang mga solid-state laser ay nagsimulang makakuha ng katanyagan sa mga komersyal na aplikasyon. Ang mga diode na pumped solid-state lasers (DPSSL) ay lubos na binabawasan ang laki at pagiging kumplikado ng mga thermal management system (pangunahin ang recirculate cooler) at kumuha ng mga modyul na pinagsama sa kasaysayan ang mga arc lamp para sa pagbomba ng mga kristal na laser na solid-state.
Ang mga haba ng daluyong ng mga semiconductor laser ay napili batay sa kanilang overlap sa mga katangian ng pagsipsip ng parang multo ng solid-state na laser na nakakuha ng daluyan; ang pagkarga ng init ay lubos na nabawasan kumpara sa malawak na band ng pagpapalabas ng spectrum ng arc lamp. Dahil sa katanyagan ng 1064 nm germanium-based lasers, ang 808 nm pump wavelength ay naging pinakamalaking haba ng haba ng daluyong sa mga semiconductor laser sa loob ng higit sa 20 taon.
Sa pagtaas ng ningning ng mga multimode semiconductor laser at ang kakayahang patatagin ang makitid na lapad ng linya ng emitter na may dami ng Bragg gratings (VBGs) sa kalagitnaan ng 2000, nakamit ang pangalawang henerasyon ng pinahusay na diode pumping na kahusayan. Ang mga mahina at spektral na makitid na tampok sa pagsipsip sa paligid ng 880 nm ay naging mga hot spot para sa mataas na bright diode ng pump. Ang mga diode na ito ay maaaring makamit ang spectral katatagan. Ang mga mas mataas na pagganap na mga laser na ito ay maaaring direktang mapupukaw ang itaas na antas ng 4F3 / 2 sa silikon, binabawasan ang mga depekto sa kabuuan, sa gayon pinapabuti ang pagkuha ng mas mataas na average na pangunahing mga mode na kung hindi man ay malilimitahan ng mga thermal lens.
Sa pagsisimula ng 2010, nasaksihan namin ang takbo ng lakas na pag-scale ng solong-cross-mode na 1064nm laser at mga kaugnay na serye ng mga laser conversion ng dalas na tumatakbo sa mga nakikita at ultraviolet na banda. Dahil sa mas matagal na habang buhay na estado ng enerhiya ng Nd: YAG at Nd: YVO4, ang mga operasyon ng paglipat ng DPSSL Q na ito ay nagbibigay ng mataas na enerhiya ng pulso at rurok na lakas, ginagawang perpekto para sa ablative material processing at mataas na katumpakan na mga aplikasyon ng micromachining.
laser ng fiber-optic. Ang mga laser fiber ay nagbibigay ng isang mas mahusay na paraan ng pag-convert ng ningning ng mga laser na semiconductor ng mataas na lakas. Kahit na ang wavelength-multiplexed optics ay maaaring mag-convert ng isang medyo mababang ilaw na semiconductor laser sa isang mas maliwanag na semiconductor laser, ito ay sa gastos ng tumaas na spectral lapad at optomekanikal na pagiging kumplikado. Ang mga laser fiber ay ipinakita na partikular na epektibo sa photometric conversion.
Ang mga fibre na may dobleng suot na ipinakilala noong dekada ng 1990 ay gumagamit ng mga solong mode na napapalibutan ng isang multimode cladding, na nagpapagana ng mas mataas na lakas, mas mababang gastos na multimode na binobomba ng mga semiconductor na laser upang mahusay na ma-injected sa hibla, na lumilikha ng isang mas matipid na paraan upang ma-convert ang isang mataas na lakas na semiconductor laser sa isang mas maliwanag na laser. Para sa ytterbium (Yb) doped fibers, ang bomba ay nagpapalakas ng isang malawak na pagsipsip na nakasentro sa 915 nm o isang makitid na tampok na banda sa paligid ng 976 nm. Habang papalapit ang haba ng bomba ng bomba sa haba ng haba ng hibla ng fiber laser, ang tinaguriang mga depekto sa kabuuan ay nabawasan, sa gayong paraan ay pinapalaki ang kahusayan at pinapaliit ang dami ng pagwawaldas ng init.
Ang parehong mga 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 lasers ay patuloy na nagpapabuti, ang proporsyon ng lakas ng laser na kanilang pinapamomba ay tumataas din. Ang tumaas na ningning ng mga semiconductor laser ay nagpapadali sa mas mahusay na pagbabago ng ilaw.
Tulad ng aasahan namin, kakailanganin ang spatial at spectral brightness para sa mga hinaharap na system, na magbibigay-daan sa mababang pumping ng depekto ng kabuuan na may makitid na mga katangian ng pagsipsip sa mga solidong estado na lasers at siksik na haba ng daluyong na multiplexing para sa direktang mga aplikasyon ng laser na semiconductor. Nagiging posible ang plano.
Market at Application
Ang pagpapaunlad ng mataas na lakas na semiconductor lasers ay ginawang posible ang maraming mahahalagang aplikasyon. Ang mga laser na ito ay pinalitan ng maraming tradisyonal na teknolohiya at nagpatupad ng mga bagong kategorya ng produkto.
Sa isang 10-tiklop na pagtaas sa gastos at pagganap bawat dekada, ang mga laser na may mataas na lakas na semiconductor ay nakakagambala sa normal na pagpapatakbo ng merkado sa hindi mahuhulaan na mga paraan. Bagaman mahirap matukoy nang wasto ang mga aplikasyon sa hinaharap, napakahalaga na suriin ang kasaysayan ng pag-unlad ng nakaraang tatlong dekada at magbigay ng mga posibilidad ng balangkas para sa pag-unlad ng susunod na dekada (tingnan ang Larawan 2).

Larawan 2. Pag-apply ng gasolina ng ilaw na may lakas na semiconductor (lakas na pamantayan sa bawat watt na ningning)
1980s: Optical imbakan at paunang mga aplikasyon ng angkop na lugar. Ang optikong imbakan ay ang unang malakihang aplikasyon sa industriya ng laser na semiconductor. Makalipas ang ilang sandali matapos maipakita ng Hall ang infrared semiconductor laser, ipinakita din ng General Electrics na si Nick Holonyak ang unang nakikitang red semiconductor laser. Dalawampung taon na ang lumipas, ang mga compact disc (CD) ay ipinakilala sa merkado, na sinundan ng merkado ng optikong imbakan.
Ang patuloy na pagbabago ng teknolohiya ng laser na semiconductor ay humantong sa pagpapaunlad ng mga teknolohiya ng optikong imbakan tulad ng digital maraming nalalaman disc (DVD) at Blu-ray Disc (BD). Ito ang kauna-unahang malaking merkado para sa mga semiconductor laser, ngunit sa pangkalahatan ay katamtaman ang antas ng kuryente ay naglilimita sa iba pang mga aplikasyon sa medyo maliit na mga merkado ng angkop na lugar tulad ng thermal printing, mga medikal na aplikasyon, at mga napiling aplikasyon sa aerospace at depensa.
Taong 1990s: nananaig ang mga optical network. Noong dekada 1990, ang mga semiconductor laser ay naging susi sa mga network ng komunikasyon. Ang mga laser semiconductor ay ginagamit upang magpadala ng mga signal sa mga network ng fiber optic, ngunit ang mga mas mataas na power sol mode na pump ng 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 telecommunication na dinala nito ay napakalawak, kumukuha ng Spectra Diode Labs (SDL), isa sa mga unang nagpasimula sa industriya ng laser na may mataas na lakas na semiconductor bilang isang halimbawa. Itinatag noong 1983, ang SDL ay isang magkasamang pakikipagsapalaran sa pagitan ng mga tatak ng laser ng Newport Group na Spectra-Physics at Xerox. Ito ay inilunsad noong 1995 na may isang malaking titik sa merkado ng humigit-kumulang na $ 100 milyon. Limang taon na ang lumipas, ang SDL ay naibenta sa JDSU ng higit sa $ 40 bilyon sa panahon ng rurok ng industriya ng telecom, isa sa pinakamalaking nakuha sa teknolohiya sa kasaysayan. Hindi nagtagal pagkatapos, ang bubble ng telecommunications ay sumabog at nawasak ang trilyun-milyong dolyar na kapital, na nakikita ngayon bilang pinakamalaking bubble sa kasaysayan.
2000s: Ang laser ay naging isang tool. Bagaman ang pagsabog ng bubble ng merkado ng telecommunications ay labis na mapanirang, ang malaking pamumuhunan sa mga laser na may kapangyarihan na mataas na kapangyarihan ay naglagay ng pundasyon para sa mas malawak na pag-aampon. Tulad ng pagtaas ng pagganap at gastos, ang mga laser na ito ay nagsisimulang palitan ang tradisyunal na mga laser gas o iba pang mga mapagkukunan ng conversion ng enerhiya sa iba't ibang mga proseso.
Ang mga laser semiconductor ay naging isang malawakang ginagamit na tool. Ang mga application na pang-industriya ay mula sa tradisyunal na proseso ng pagmamanupaktura tulad ng pagputol at paghihinang hanggang sa mga bagong advanced na teknolohiya sa pagmamanupaktura tulad ng additive manufacturing ng mga naka-print na bahagi ng 3D na metal. Ang mga aplikasyon ng micro-manufacturing ay mas magkakaibang, tulad ng mga pangunahing produkto tulad ng smartphone ay na-komersyalisado sa mga laser na ito. Ang mga aplikasyon sa Aerospace at defense ay nagsasangkot ng malawak na hanay ng mga application na kritikal sa misyon at malamang ay may kasamang susunod na henerasyon na mga directional na enerhiya system sa hinaharap.
sa kabuuan
Mahigit 50 taon na ang nakalilipas, hindi nagpanukala si Moore ng isang bagong pangunahing batas ng pisika, ngunit gumawa ng mahusay na pagpapabuti sa mga integrated circuit na unang pinag-aralan sampung taon na ang nakalilipas. Ang kanyang propesiya ay tumagal ng mga dekada at nagdala ng isang serye ng mga nakakagambalang pagbabago na hindi maiisip noong 1965.
Nang ipakita ni Hall ang mga laser semiconductor higit sa 50 taon na ang nakalilipas, nag-trigger ito ng isang teknolohiyang rebolusyon. Tulad ng Batas ni Moore, walang makakahula ng mabilis na pag-unlad na ang mga laser na semiconductor na may mataas na intensidad na nakamit ng isang malaking bilang ng mga makabagong ideya ay magkakasunod na sasailalim.
Walang pangunahing panuntunan sa pisika upang makontrol ang mga teknolohikal na pagpapabuti na ito, ngunit ang patuloy na teknolohikal na pagsulong ay maaaring isulong ang laser sa mga tuntunin ng ningning. Ang kalakaran na ito ay magpapatuloy na palitan ang mga tradisyunal na teknolohiya, kaya't higit na binabago ang paraan ng pagbuo ng mga bagay. Mas mahalaga sa paglago ng ekonomiya, ang mga high-power semiconductor laser ay magsusulong din ng pagsilang ng mga bagong bagay.


We use cookies to offer you a better browsing experience, analyze site traffic and personalize content. By using this site, you agree to our use of cookies. Privacy Policy
Reject Accept