گذشته و آینده لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا

با افزایش کارایی و قدرت ، دیودهای لیزر همچنان جایگزین فناوری های سنتی می شوند ، روش کار را تغییر می دهند و تولد چیزهای جدید را تحریک می کنند.
به طور سنتی ، اقتصاددانان معتقدند که پیشرفت فناوری یک روند تدریجی است. اخیراً ، این صنعت بیشتر بر نوآوری مختل کننده متمرکز شده است که می تواند باعث ایجاد ناپیوستگی شود. این نوآوری ها که به عنوان فناوری های عمومی (GPT) شناخته می شوند ، "ایده ها یا فن آوری های عمیق جدیدی هستند که ممکن است تأثیر زیادی در بسیاری از جنبه های اقتصاد داشته باشند." توسعه فناوری عمومی معمولاً چندین دهه به طول می انجامد و حتی مدت زمان بیشتری باعث افزایش بهره وری می شود. در ابتدا ، آنها به خوبی درک نشده بودند. حتی پس از تجاری شدن این فناوری ، در تصویب تولید یک تأخیر طولانی مدت وجود داشت. مدارهای مجتمع مثال خوبی است. ترانزیستورها برای اولین بار در اوایل قرن 20 معرفی شدند ، اما تا اواخر شب به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند.
گوردون مور ، یکی از بنیانگذاران قانون مور ، در سال 1965 پیش بینی کرد که نیمه هادی ها با سرعت بیشتری توسعه خواهند یافت ، "محبوبیت الکترونیک را به ارمغان می آورد و این علم را به بسیاری از زمینه های جدید سوق می دهد." با وجود پیش بینی های جسورانه و دقیق غیر منتظره ، او قبل از دستیابی به بهره وری و رشد اقتصادی ، چندین دهه بهبود مستمر داشته است.
به طور مشابه ، درک توسعه چشمگیر لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا محدود است. در سال 1962 ، این صنعت برای اولین بار تبدیل الکترون به لیزر و به دنبال آن تعدادی پیشرفت را نشان داد که منجر به پیشرفتهای چشمگیری در تبدیل الکترون به فرآیندهای لیزر با بازده بالا شده است. این پیشرفت ها می توانند طیف وسیعی از برنامه های مهم ، از جمله ذخیره سازی نوری ، شبکه نوری و طیف گسترده ای از برنامه های صنعتی را پشتیبانی کنند.
یادآوری این تحولات و پیشرفتهای بیشماری که آنها به وجود آورده اند ، احتمال تأثیر گسترده و گسترده در بسیاری از جنبه های اقتصاد را برجسته کرده است. در واقع ، با بهبود مستمر لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا ، دامنه کاربردهای مهم افزایش می یابد و تأثیر زیادی بر رشد اقتصادی دارد.
سابقه لیزر نیمه هادی با قدرت بالا
در 16 سپتامبر 1962 ، تیمی به سرپرستی رابرت هال جنرال الکتریک ، انتشار مادون قرمز نیمه هادی های گالیم آرسنید (GaAs) را نشان داد که دارای الگوی تداخل "عجیب" هستند ، به معنای انسجام لیزر - تولد اولین لیزر نیمه هادی. هال در ابتدا معتقد بود که لیزر نیمه هادی یک "شات طولانی" است زیرا دیودهای ساطع کننده نور در آن زمان بسیار ناکارآمد هستند. در همان زمان ، وی همچنین در این مورد تردید داشت زیرا لیزری که دو سال پیش تأیید شده بود و از قبل وجود دارد ، به "آینه خوب" نیاز دارد.
در تابستان سال 1962 ، هاله گفت که از دیودهای ساطع کننده نور GaAs که توسط آزمایشگاه Minc Lincoln ساخته شده ، شوکه شده است. پس از آن ، او گفت که خوشبخت است که می تواند با برخی از مواد GaAs با کیفیت بالا آزمایش کند و از تجربه خود به عنوان یک ستاره شناس آماتور برای ایجاد روشی برای صیقل دادن لبه های تراشه های GaAs برای ایجاد حفره استفاده کرد.
نمایش موفقیت آمیز هال بر اساس طراحی پرش های تابشی به جلو و عقب در رابط است تا گزاف گویی عمودی. او متواضعانه گفت که هیچ کس "تصور این ایده را نکرده است". در حقیقت ، طراحی هال اساساً یک اتفاق خوشبختانه است که مواد نیمه هادی تشکیل دهنده راهنمای موج دارای خاصیت محدود کردن حامل های دو قطبی به طور همزمان است. در غیر این صورت ، تحقق لیزر نیمه هادی غیرممکن است. با استفاده از مواد نیمه هادی غیر مشابه ، می توان یک موجبر دال تشکیل داد تا فوتون ها را با حامل ها همپوشانی کند.
این تظاهرات مقدماتی در جنرال الکتریک یک موفقیت بزرگ بود. با این حال ، این لیزرها از دستگاه های عملی بسیار دور هستند. به منظور ارتقا تولد لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا ، باید تلفیق فن آوری های مختلف محقق شود. نوآوری های کلیدی فناوری با درک مستقیم مواد نیمه هادی باند گپ و تکنیک های رشد بلور آغاز شد.
تحولات بعدی شامل اختراع لیزرهای دو منظوره و توسعه بعدی لیزرهای چاه کوانتومی بود. کلید افزایش بیشتر این فناوری های اصلی در بهبود کارایی و توسعه انفعال حفره ، اتلاف حرارت و فناوری بسته بندی نهفته است.
روشنایی
نوآوری در چند دهه گذشته موجب پیشرفت های مهیجی شده است. به طور خاص ، بهبود روشنایی بسیار عالی است. در سال 1985 ، پیشرفته ترین لیزر نیمه هادی قدرتمند توانسته است 105 میلی وات نیرو را به فیبر هسته 105 میکرون متصل کند. پیشرفته ترین لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا اکنون می توانند بیش از 250 وات فیبر 105 میکرونی را با یک طول موج واحد تولید کنند - هر هشت سال 10 برابر افزایش.

مور تصور "تعمیر اجزای بیشتر در مدار مجتمع" را انجام داد - سپس تعداد ترانزیستورها در هر تراشه هر 7 سال 10 برابر افزایش می یابد. به طور هم زمان ، لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا فوتون های بیشتری را با نرخ نمایی مشابه در فیبر قرار می دهند (شکل 1 را ببینید).

شکل 1. روشنایی لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا و مقایسه با قانون مور
بهبود روشنایی لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا باعث پیشرفت در فن آوری های مختلف پیش بینی نشده شده است. اگرچه ادامه این روند به نوآوری بیشتری نیاز دارد ، اما دلیلی وجود دارد که باور کنیم نوآوری در فناوری لیزر نیمه هادی بسیار کامل نیست. فیزیک معروف می تواند از طریق توسعه مداوم فناوری ، عملکرد لیزرهای نیمه هادی را نیز بهبود بخشد.
به عنوان مثال ، محیط افزایش نقطه کوانتومی می تواند به طور قابل توجهی در مقایسه با دستگاه های فعلی چاه کوانتومی ، کارایی را افزایش دهد. روشنایی محور آهسته یک ترتیب دیگر از پتانسیل بهبود اندازه را ارائه می دهد. مواد بسته بندی جدید با مطابقت حرارتی و انبساطی بهبود یافته ، موارد مورد نیاز برای تنظیم مداوم توان و مدیریت حرارتی ساده را فراهم می کنند. این تحولات کلیدی ، نقشه راهی برای تولید لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا در دهه های آینده فراهم می کند.
لیزرهای حالت جامد و الیاف پمپ شده دیود
پیشرفت در لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا ، توسعه فن آوری های لیزر پایین دستی را ممکن کرده است. در فن آوری های لیزر پایین دستی ، از لیزرهای نیمه هادی برای تحریک (پمپ) بلورهای دوپ شده (لیزرهای حالت جامد پمپ شده دیود) یا الیاف دوپ (لیزرهای الیاف) استفاده می شود.
اگرچه لیزرهای نیمه رسانا انرژی لیزری با کارایی بالا و کم هزینه را فراهم می کنند ، اما دو محدودیت اساسی وجود دارد: آنها انرژی را ذخیره نمی کنند و روشنایی آنها محدود است. اساساً از این دو لیزر برای بسیاری از برنامه ها باید استفاده شود: یکی برای تبدیل الکتریسیته به انتشار لیزر و دیگری برای افزایش روشنایی انتشار لیزر.
لیزرهای حالت جامد پمپ شده دیود. در اواخر دهه 1980 ، استفاده از لیزرهای نیمه هادی برای پمپاژ لیزرهای حالت جامد محبوبیت بیشتری در کاربردهای تجاری پیدا کرد. لیزرهای حالت جامد پمپ شده با دیود (DPSSL) اندازه و پیچیدگی سیستم های مدیریت حرارتی (به طور عمده کولرهای با چرخش مجدد) را بسیار کاهش می دهند و ماژول هایی را به دست می آورند که از لحاظ تاریخی لامپ های قوسی را برای پمپاژ بلورهای لیزر حالت جامد ترکیب کرده اند.
طول موجهای لیزرهای نیمه رسانا بر اساس همپوشانی آنها با خصوصیات جذب طیفی محیط افزایش لیزر حالت جامد انتخاب می شوند. بار گرما در مقایسه با طیف انتشار باند وسیع لامپ قوس بسیار کاهش می یابد. با توجه به محبوبیت لیزرهای 1064 نانومتر بر پایه ژرمانیم ، طول موج پمپ 808 نانومتر به بیش از 20 سال تبدیل به بزرگترین طول موج در لیزرهای نیمه هادی شده است.
با افزایش روشنایی لیزرهای نیمه رسانای چند حالته و توانایی تثبیت عرض باریک خط انتشار دهنده با توری های برگی (VBG) در اواسط سال 2000 ، نسل دوم بازده پمپاژ دیود بهبود یافته حاصل شد. ویژگی های جذب ضعیف و طیفی باریک در حدود 880 نانومتر به نقاط داغ دیودهای پمپ با روشنایی بالا تبدیل شده اند. این دیودها می توانند به ثبات طیفی برسند. این لیزرها با کارایی بالاتر می توانند سطح بالایی 4F3 / 2 لیزر را در سیلیکون تحریک کنند ، نقص کوانتومی را کاهش دهند ، در نتیجه استخراج حالت های بنیادی با متوسط ​​بالاتر را بهبود می بخشند که در غیر این صورت توسط لنزهای حرارتی محدود می شوند.
با آغاز سال 2010 ، شاهد روند مقیاس پذیری با قدرت بالا لیزر تک کراس 1064nm و سری لیزرهای تبدیل فرکانس مربوطه هستیم که در باند های مرئی و فرابنفش کار می کنند. با توجه به طول عمر طولانی تر انرژی های Nd: YAG و Nd: YVO4 ، این عملیات سوئیچینگ DPSSL Q انرژی پالس بالا و قدرت اوج را فراهم می کند ، و آنها را برای پردازش مواد چرنده و کاربردهای میکرو ماشینکاری با دقت بالا ایده آل می کند.
لیزر فیبر نوری لیزرهای الیافی روش کارآمدتری برای تبدیل روشنایی لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا ارائه می دهند. گرچه اپتیک های چندگانه ای با طول موج می توانند لیزر نیمه رسانای با درخشندگی کم را به لیزر نیمه رسانای روشن تر تبدیل کنند ، این هزینه به افزایش عرض طیفی و پیچیدگی مکانیزه است. نشان داده شده است که لیزرهای الیافی به ویژه در تبدیل نورسنجی مثر هستند.
الیاف دو روکش که در دهه 1990 معرفی شدند از الیاف تک حالت احاطه شده توسط یک روکش چند حالته استفاده می کنند و امکان لیزرهای پمپاژ نیمه هادی چند حالته با قدرت بالاتر و کم هزینه را فراهم می کنند تا به طور م intoثر به فیبر تزریق شوند و یک روش اقتصادی تر برای تبدیل لیزر نیمه هادی با قدرت بالا به لیزر روشن تر. برای الیاف دوپ شده یتربیوم (Yb) ، پمپ جذب گسترده ای متمرکز در 915 نانومتر یا ویژگی باند باریک در حدود 976 نانومتر را تحریک می کند. با نزدیک شدن طول موج پمپ به طول موج لیزر فیبر ، به اصطلاح نقص کوانتوم کاهش می یابد ، در نتیجه کارایی را به حداکثر می رساند و میزان اتلاف گرما را به حداقل می رساند.
لیزرهای الیافی و لیزرهای حالت جامد پمپ شده دیود به بهبود روشنایی لیزر دیود اعتماد دارند. به طور کلی ، با بهبود روشنایی لیزرهای دیود ، نسبت لیزر مورد استفاده آنها نیز در حال افزایش است. افزایش روشنایی لیزرهای نیمه هادی ، تبدیل روشنایی کارآمدتر را تسهیل می کند.
همانطور که انتظار داریم ، روشنایی فضایی و طیفی برای سیستمهای آینده ضروری خواهد بود ، که پمپاژ کم نقص کوانتومی با ویژگیهای جذب باریک در لیزرهای حالت جامد و چند برابر سازی طول موج متراکم را برای کاربردهای مستقیم لیزر نیمه هادی امکان پذیر می کند. این طرح امکان پذیر می شود.
بازار و کاربرد
توسعه لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا بسیاری از کاربردهای مهم را ممکن کرده است. این لیزرها جایگزین بسیاری از فناوری های سنتی شده و دسته بندی های جدید محصول را پیاده سازی کرده اند.
با افزایش 10 برابری هزینه و عملکرد در هر دهه ، لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا عملکرد عادی بازار را به روشهای غیرقابل پیش بینی مختل می کنند. اگرچه پیش بینی دقیق کاربردهای آینده دشوار است ، اما بررسی تاریخچه توسعه در سه دهه گذشته و فراهم آوردن امکانات چارچوبی برای توسعه دهه آینده بسیار مهم است (شکل 2 را ببینید).

شکل 2. کاربرد سوخت روشنایی لیزر نیمه هادی با قدرت بالا (هزینه استاندارد برای روشنایی وات)
1980s: ذخیره سازی نوری و برنامه های کاربردی اولیه ذخیره سازی نوری اولین کاربرد در مقیاس بزرگ در صنعت لیزر نیمه هادی است. اندکی پس از آنکه هال برای اولین بار لیزر نیمه رسانای مادون قرمز را نشان داد ، شرکت جنرال الکتریک نیک هولونیاک نیز اولین لیزر نیمه رسانای قرمز قابل مشاهده را نشان داد. بیست سال بعد ، دیسک های فشرده (CD) به بازار و پس از آن بازار ذخیره سازی نوری وارد بازار شد.
نوآوری مداوم فناوری لیزر نیمه هادی منجر به توسعه فن آوری های ذخیره سازی نوری مانند دیسک همه کاره دیجیتال (DVD) و دیسک Blu-ray (BD) شده است. این اولین بازار بزرگ برای لیزرهای نیمه هادی است ، اما به طور کلی سطح قدرت متوسط ​​سایر برنامه ها را به بازارهای نسبتاً کوچکی مانند چاپ حرارتی ، برنامه های پزشکی و برنامه های انتخابی هوا فضا و دفاع محدود می کند.
دهه 1990: شبکه های نوری غالب هستند. در دهه 1990 ، لیزرهای نیمه هادی کلید شبکه های ارتباطی شدند. از لیزرهای نیمه رسانا برای انتقال سیگنال ها از طریق شبکه های فیبر نوری استفاده می شود ، اما لیزرهای پمپ تک حالته با قدرت بالاتر برای تقویت کننده های نوری برای دستیابی به مقیاس شبکه های نوری و پشتیبانی واقعی از رشد داده های اینترنتی بسیار مهم هستند.
رونق صنعت ارتباطات از راه دور گسترده است و از آزمایشگاه های Spectra Diode (SDL) ، یکی از اولین پیشگامان صنعت لیزر نیمه هادی با قدرت بالا به عنوان نمونه استفاده می شود. SDL در سال 1983 تاسیس شد و سرمایه گذاری مشترکی بین مارک های لیزری Spectra-Physics و زیراکس گروه نیوپورت است. در سال 1995 با سرمایه بازار تقریباً 100 میلیون دلار راه اندازی شد. پنج سال بعد ، SDL با بیش از 40 میلیارد دلار در اوج صنعت مخابرات ، یکی از بزرگترین خریدهای فناوری در تاریخ ، به JDSU فروخته شد. اندکی بعد ، حباب ارتباطات از راه دور ترکید و تریلیون دلار سرمایه را نابود کرد ، اکنون به عنوان بزرگترین حباب تاریخ شناخته می شود.
دهه 2000: لیزر به ابزاری تبدیل شد. اگرچه ترکیدن حباب بازار ارتباطات از راه دور بسیار مخرب است ، اما سرمایه گذاری کلان در لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا پایه و اساس بیشتری را برای تصویب بیشتر ایجاد کرده است. با افزایش عملکرد و هزینه ، این لیزرها در فرآیندهای مختلف جایگزین لیزرهای گازی سنتی یا سایر منابع تبدیل انرژی می شوند.
لیزرهای نیمه هادی به ابزاری پرکاربرد تبدیل شده اند. برنامه های کاربردی صنعتی از فرآیندهای ساخت سنتی مانند برش و لحیم کاری تا فن آوری های پیشرفته ساخت جدید مانند ساخت افزودنی قطعات فلزی چاپ سه بعدی را شامل می شود. برنامه های تولید میکرو متنوع تر است ، زیرا محصولات اصلی مانند تلفن های هوشمند با این لیزرها تجاری شده اند. برنامه های هوافضا و دفاعی شامل طیف گسترده ای از برنامه های حیاتی هستند و احتمالاً در آینده شامل سیستم های انرژی جهت دار نسل بعدی خواهند بود.
خلاصه کردن
بیش از 50 سال پیش ، مور قانون اساسی جدیدی از فیزیک را پیشنهاد نکرد ، اما در مدارهای مجتمع که ده سال پیش برای اولین بار مورد مطالعه قرار گرفت ، پیشرفت های زیادی کرد. پیشگویی او ده ها سال به طول انجامید و مجموعه ای از نوآوری های مخرب را به همراه آورد که در سال 1965 غیر قابل تصور بود.
هنگامی که هال لیزرهای نیمه هادی را بیش از 50 سال پیش نشان داد ، این یک انقلاب تکنولوژیکی را به وجود آورد. همانند قانون مور ، هیچ کس نمی تواند پیشرفت سریع لیزرهای نیمه هادی با شدت بالا را که متعاقباً با تعداد زیادی نوآوری حاصل خواهد شد ، پیش بینی کند.
در فیزیک هیچ قاعده اساسی برای کنترل این پیشرفت های تکنولوژیکی وجود ندارد ، اما پیشرفت مداوم فناوری ممکن است لیزر را از نظر روشنایی پیش ببرد. این روند همچنان جایگزین فن آوری های سنتی خواهد شد ، بنابراین روش توسعه بیشتر تغییر خواهد کرد. برای رشد اقتصادی که از اهمیت بیشتری برخوردار است ، لیزرهای نیمه هادی با قدرت بالا همچنین باعث تولد چیزهای جدید می شوند.