گذشته و آینده لیزرهای نیمه هادی با توان بالا

با ادامه افزایش کارایی و قدرت، دیودهای لیزر جایگزین فناوری‌های سنتی، تغییر نحوه کار با چیزها و تحریک تولد چیزهای جدید خواهند شد.
به طور سنتی، اقتصاددانان معتقدند که پیشرفت تکنولوژی یک فرآیند تدریجی است. اخیراً، صنعت بیشتر بر روی نوآوری های مخرب تمرکز کرده است که می تواند باعث ناپیوستگی شود. این نوآوری‌ها که به عنوان فناوری‌های هدف عمومی (GPT) شناخته می‌شوند، «ایده‌ها یا فناوری‌های عمیق جدیدی هستند که ممکن است تأثیر عمده‌ای بر بسیاری از جنبه‌های اقتصاد داشته باشند». توسعه فناوری عمومی معمولاً چندین دهه طول می کشد و حتی بیشتر باعث افزایش بهره وری می شود. در ابتدا آنها به خوبی درک نشده بودند. حتی پس از تجاری‌سازی این فناوری، تاخیر طولانی‌مدت در پذیرش تولید وجود داشت. مدارهای مجتمع مثال خوبی هستند. ترانزیستورها اولین بار در اوایل قرن بیستم معرفی شدند، اما تا اواخر عصر به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند.
یکی از بنیانگذاران قانون مور، گوردون مور، در سال 1965 پیش بینی کرد که نیمه هادی ها با سرعت بیشتری توسعه می یابند و "محبوبیت الکترونیک را به ارمغان می آورند و این علم را به بسیاری از زمینه های جدید سوق می دهند." علیرغم پیش بینی های جسورانه و غیرمنتظره دقیق او، او قبل از دستیابی به بهره وری و رشد اقتصادی چندین دهه بهبود مستمر را پشت سر گذاشته است.
به طور مشابه، درک پیشرفت چشمگیر لیزرهای نیمه هادی با توان بالا محدود است. در سال 1962، صنعت برای اولین بار تبدیل الکترون ها به لیزر را نشان داد و به دنبال آن تعدادی پیشرفت انجام شد که منجر به پیشرفت های قابل توجهی در تبدیل الکترون ها به فرآیندهای لیزری با بازده بالا شد. این پیشرفت‌ها می‌توانند طیف وسیعی از برنامه‌های کاربردی مهم، از جمله ذخیره‌سازی نوری، شبکه‌های نوری و طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی را پشتیبانی کنند.
یادآوری این تحولات و پیشرفت‌های متعددی که به‌وجود آورده‌اند، امکان تأثیر بیشتر و گسترده‌تر را بر بسیاری از جنبه‌های اقتصاد برجسته کرده است. در واقع با بهبود مستمر لیزرهای نیمه هادی پرقدرت، دامنه کاربردهای مهم افزایش یافته و تأثیر عمیقی بر رشد اقتصادی خواهد داشت.
تاریخچه لیزر نیمه هادی با قدرت بالا
در 16 سپتامبر 1962، تیمی به رهبری رابرت هال از جنرال الکتریک، تابش مادون قرمز نیمه هادی های آرسنید گالیم (GaAs) را نشان دادند که دارای الگوهای تداخلی "عجیب" هستند، به معنای لیزر انسجام - تولد اولین لیزر نیمه هادی. هال در ابتدا معتقد بود که لیزر نیمه هادی یک "لنگ شات" است زیرا دیودهای ساطع کننده نور در آن زمان بسیار ناکارآمد بودند. در عین حال، او در این مورد نیز تردید داشت زیرا لیزری که دو سال پیش تایید شده بود و از قبل وجود دارد، نیاز به یک "آینه خوب" دارد.
در تابستان 1962، هال گفت که از دیودهای ساطع نور کارآمدتر GaAs که توسط آزمایشگاه MIT لینکلن ساخته شده بود، شوکه شده است. متعاقبا، او گفت که خوش شانس بود که توانست با برخی از مواد GaAs با کیفیت بالا آزمایش کند و از تجربیات خود به عنوان یک ستاره شناس آماتور برای ایجاد راهی برای صیقل دادن لبه های تراشه های GaAs برای تشکیل حفره استفاده کرد.
نمایش موفقیت آمیز هال بر اساس طراحی پرش تابش به جلو و عقب در رابط به جای جهش عمودی است. او با متواضعانه گفت که هیچ کس "اتفاقاً به این ایده رسیده است." در واقع، طراحی هال اساساً یک تصادف خوش شانس است که مواد نیمه هادی تشکیل دهنده موجبر نیز دارای خاصیت محدود کردن حامل های دوقطبی در همان زمان است. در غیر این صورت، تشخیص لیزر نیمه هادی غیرممکن است. با استفاده از مواد نیمه هادی غیرمشابه، می توان یک موجبر دال برای همپوشانی فوتون ها با حامل ها تشکیل داد.
این تظاهرات اولیه در جنرال الکتریک یک پیشرفت بزرگ بود. با این حال، این لیزرها به دور از دستگاه های کاربردی هستند. به منظور ترویج تولد لیزرهای نیمه هادی پرقدرت، ادغام فناوری های مختلف باید تحقق یابد. نوآوری های کلیدی فن آوری با درک مواد نیمه هادی مستقیم باند و تکنیک های رشد کریستال آغاز شد.
پیشرفت‌های بعدی شامل اختراع لیزرهای دوتایی ناهمگون و متعاقب آن توسعه لیزرهای چاه کوانتومی بود. کلید تقویت بیشتر این فناوری های اصلی در بهبود کارایی و توسعه غیرفعال سازی حفره، اتلاف گرما و فناوری بسته بندی نهفته است.
روشنایی
نوآوری در چند دهه گذشته پیشرفت های هیجان انگیزی را به همراه داشته است. به ویژه، بهبود روشنایی عالی است. در سال 1985، لیزر نیمه هادی پیشرفته و پیشرفته توانست 105 میلی وات توان را در یک فیبر هسته ای 105 میکرونی جفت کند. پیشرفته ترین لیزرهای نیمه هادی پرقدرت اکنون می توانند بیش از 250 وات فیبر 105 میکرونی را با یک طول موج تولید کنند که هر هشت سال یک بار 10 برابر افزایش می یابد.

مور به فکر "تثبیت اجزای بیشتر در مدار مجتمع" بود - سپس، تعداد ترانزیستورها در هر تراشه هر 7 سال 10 برابر افزایش یافت. به طور تصادفی، لیزرهای نیمه هادی پرقدرت فوتون های بیشتری را با سرعت های نمایی مشابه در فیبر ترکیب می کنند (شکل 1 را ببینید).

شکل 1. روشنایی لیزرهای نیمه هادی پرقدرت و مقایسه با قانون مور
بهبود روشنایی لیزرهای نیمه هادی با توان بالا، توسعه فناوری های مختلف پیش بینی نشده را ارتقا داده است. اگرچه ادامه این روند مستلزم نوآوری بیشتری است، اما دلایلی وجود دارد که باور کنیم نوآوری در فناوری لیزر نیمه هادی تا تکمیل شدن فاصله دارد. فیزیک شناخته شده می تواند عملکرد لیزرهای نیمه هادی را از طریق توسعه مداوم فناوری بهبود بخشد.
به عنوان مثال، رسانه های افزایش نقطه کوانتومی می توانند به طور قابل توجهی کارایی را در مقایسه با دستگاه های چاه کوانتومی فعلی افزایش دهند. روشنایی محور آهسته پتانسیل بهبود مرتبه دیگری را ارائه می دهد. مواد بسته بندی جدید با تطابق حرارتی و انبساط بهبود یافته، پیشرفت های مورد نیاز برای تنظیم مداوم توان و مدیریت حرارتی ساده را فراهم می کند. این تحولات کلیدی نقشه راه توسعه لیزرهای نیمه هادی با توان بالا در دهه های آینده را فراهم می کند.
لیزرهای حالت جامد و فیبر پمپ شده با دیود
بهبود در لیزرهای نیمه هادی پرقدرت، توسعه فناوری های لیزر پایین دستی را ممکن ساخته است. در فن‌آوری‌های لیزر پایین‌دست، از لیزرهای نیمه‌رسانا برای تحریک (پمپ) کریستال‌های دوپ‌شده (لیزرهای حالت جامد پمپ‌شده با دیود) یا الیاف دوپ‌شده (لیزرهای فیبر) استفاده می‌شود.
اگرچه لیزرهای نیمه هادی انرژی لیزری با راندمان بالا و کم هزینه را ارائه می دهند، اما دو محدودیت کلیدی وجود دارد: آنها انرژی را ذخیره نمی کنند و روشنایی آنها محدود است. اساساً این دو لیزر باید برای کاربردهای زیادی مورد استفاده قرار گیرند: یکی برای تبدیل الکتریسیته به انتشار لیزر و دیگری برای افزایش روشنایی انتشار لیزر.
لیزرهای حالت جامد با پمپ دیود. در اواخر دهه 1980، استفاده از لیزرهای نیمه هادی برای پمپاژ لیزرهای حالت جامد در کاربردهای تجاری محبوبیت پیدا کرد. لیزرهای حالت جامد پمپ شده با دیود (DPSSL) اندازه و پیچیدگی سیستم‌های مدیریت حرارتی (عمدتاً خنک‌کننده‌های چرخشی) را کاهش می‌دهند و ماژول‌هایی را به دست می‌آورند که از لحاظ تاریخی لامپ‌های قوس را برای پمپاژ کریستال‌های لیزر حالت جامد ترکیب کرده‌اند.
طول موج لیزرهای نیمه هادی بر اساس همپوشانی آنها با خواص جذب طیفی محیط بهره لیزر حالت جامد انتخاب می شود. بار حرارتی در مقایسه با طیف انتشار باند وسیع لامپ قوس بسیار کاهش می یابد. با توجه به محبوبیت لیزرهای مبتنی بر ژرمانیوم 1064 نانومتر، طول موج پمپ 808 نانومتر به بزرگترین طول موج در لیزرهای نیمه هادی برای بیش از 20 سال تبدیل شده است.
با افزایش روشنایی لیزرهای نیمه هادی چند حالته و توانایی تثبیت عرض خط امیتر باریک با توری های حجمی Bragg (VBGs) در اواسط سال 2000، نسل دوم بهبود بازده پمپاژ دیود به دست آمد. ویژگی‌های جذب ضعیف‌تر و باریک‌تر از نظر طیفی در حدود 880 نانومتر به نقطه داغی برای دیودهای پمپ با روشنایی بالا تبدیل شده‌اند. این دیودها می توانند به ثبات طیفی دست یابند. این لیزرهای با کارایی بالاتر می‌توانند مستقیماً سطح بالایی لیزر 4F3/2 در سیلیکون را تحریک کنند، نقص‌های کوانتومی را کاهش دهند، در نتیجه استخراج حالت‌های اساسی متوسط ​​بالاتر را که در غیر این صورت توسط لنزهای حرارتی محدود می‌شوند، بهبود می‌بخشند.
در آغاز سال 2010، ما شاهد روند مقیاس‌پذیری پرقدرت لیزر 1064 نانومتری تک حالت متقاطع و سری لیزرهای تبدیل فرکانس مربوطه بودیم که در باندهای مرئی و فرابنفش کار می‌کردند. با توجه به طول عمر انرژی بالا Nd:YAG و Nd:YVO4، این عملیات سوئیچینگ DPSSL Q انرژی پالس و توان اوج بالایی را ارائه می‌کند و آنها را برای پردازش مواد فرسایشی و کاربردهای ریزماشینکاری با دقت بالا ایده‌آل می‌کند.
لیزر فیبر نوری لیزرهای فیبر راه کارآمدتری برای تبدیل روشنایی لیزرهای نیمه هادی با توان بالا ارائه می دهند. اگرچه اپتیک های چندگانه با طول موج می توانند یک لیزر نیمه هادی با درخشندگی نسبتاً کم را به یک لیزر نیمه هادی روشن تر تبدیل کنند، این به قیمت افزایش عرض طیفی و پیچیدگی اپتومکانیکی است. نشان داده شده است که لیزرهای فیبر به ویژه در تبدیل فتومتریک موثر هستند.
فیبرهای دولایه که در دهه 1990 معرفی شدند از الیاف تک حالته احاطه شده توسط روکش چند حالته استفاده می کنند که باعث می شود لیزرهای چند حالته پمپ شده چند حالته با قدرت بالاتر و کم هزینه به طور موثر به فیبر تزریق شوند و یک روش اقتصادی تر برای تبدیل یک فیبر ایجاد شود. لیزر نیمه هادی با قدرت بالا به یک لیزر روشن تر تبدیل می شود. برای الیاف دوپ شده با ایتربیوم (Yb)، پمپ جذب گسترده ای را با محوریت 915 نانومتر یا یک نوار باریک در حدود 976 نانومتر تحریک می کند. با نزدیک شدن طول موج پمپ به طول موج لیزر فیبر، نقص های به اصطلاح کوانتومی کاهش می یابد و در نتیجه کارایی به حداکثر می رسد و میزان اتلاف گرما به حداقل می رسد.
هم لیزرهای فیبر و هم لیزرهای حالت جامد پمپ شده با دیود بر بهبود روشنایی لیزر دایود تکیه دارند. به طور کلی، با ادامه بهبود روشنایی لیزرهای دایود، نسبت توان لیزری که آنها پمپ می کنند نیز افزایش می یابد. افزایش روشنایی لیزرهای نیمه هادی تبدیل روشنایی کارآمدتری را تسهیل می کند.
همانطور که انتظار داریم، روشنایی فضایی و طیفی برای سیستم‌های آینده ضروری خواهد بود، که پمپاژ نقص کوانتومی کم با ویژگی‌های جذب باریک در لیزرهای حالت جامد و مالتی پلکسی با طول موج متراکم را برای کاربردهای لیزر نیمه‌رسانای مستقیم ممکن می‌سازد. طرح ممکن می شود.
بازار و کاربرد
توسعه لیزرهای نیمه هادی با توان بالا، کاربردهای مهم بسیاری را ممکن ساخته است. این لیزرها جایگزین بسیاری از فناوری های سنتی شده اند و دسته بندی محصولات جدیدی را پیاده سازی کرده اند.
لیزرهای نیمه هادی پرقدرت با افزایش 10 برابری هزینه و عملکرد در هر دهه، عملکرد عادی بازار را به روش های غیرقابل پیش بینی مختل می کنند. اگرچه پیش‌بینی دقیق کاربردهای آینده دشوار است، اما بررسی تاریخچه توسعه سه دهه گذشته و ارائه امکانات چارچوبی برای توسعه دهه آینده بسیار مهم است (شکل 2 را ببینید).

شکل 2. کاربرد سوخت روشنایی لیزر نیمه هادی پرقدرت (هزینه استانداردسازی به ازای هر وات روشنایی)
دهه 1980: ذخیره سازی نوری و کاربردهای طاقچه اولیه. ذخیره سازی نوری اولین کاربرد در مقیاس بزرگ در صنعت لیزر نیمه هادی است. اندکی پس از اینکه هال برای اولین بار لیزر نیمه هادی مادون قرمز را نشان داد، جنرال الکتریک نیک هولونیاک نیز اولین لیزر نیمه هادی قرمز مرئی را نشان داد. بیست سال بعد، دیسک های فشرده (CD) به بازار معرفی شدند و به دنبال آن بازار ذخیره سازی نوری عرضه شد.
نوآوری مداوم فناوری لیزر نیمه هادی منجر به توسعه فناوری های ذخیره سازی نوری مانند دیسک همه کاره دیجیتال (DVD) و دیسک بلو-ری (BD) شده است. این اولین بازار بزرگ برای لیزرهای نیمه هادی است، اما به طور کلی سطوح توان متوسط، کاربردهای دیگر را به بازارهای نسبتاً کوچک مانند چاپ حرارتی، کاربردهای پزشکی و کاربردهای هوافضا و دفاعی محدود می کند.
دهه 1990: شبکه های نوری در حال غالب شدن هستند. در دهه 1990، لیزرهای نیمه هادی کلید شبکه های ارتباطی شدند. لیزرهای نیمه هادی برای انتقال سیگنال ها بر روی شبکه های فیبر نوری استفاده می شوند، اما لیزرهای پمپ تک حالته با توان بالاتر برای تقویت کننده های نوری برای دستیابی به مقیاس شبکه های نوری و حمایت واقعی از رشد داده های اینترنتی بسیار مهم هستند.
رونق صنعت ارتباطات از راه دور که توسط آن به ارمغان می‌آید بسیار گسترده است و از آزمایشگاه‌های Spectra Diode (SDL)، یکی از اولین پیشگامان در صنعت لیزر نیمه‌رسانای پرقدرت به عنوان نمونه استفاده می‌کند. SDL که در سال 1983 تأسیس شد، یک سرمایه گذاری مشترک بین برندهای لیزری Spectra-Physics و Xerox گروه نیوپورت است. در سال 1995 با ارزش بازار تقریباً 100 میلیون دلار راه اندازی شد. پنج سال بعد، SDL به قیمت بیش از 40 میلیارد دلار در دوران اوج صنعت مخابرات به JDSU فروخته شد که یکی از بزرگترین خریدهای فناوری در تاریخ بود. اندکی بعد، حباب مخابرات ترکید و تریلیون ها دلار سرمایه را که اکنون به عنوان بزرگترین حباب تاریخ شناخته می شود، نابود کرد.
دهه 2000: لیزر به یک ابزار تبدیل شد. اگرچه ترکیدن حباب بازار ارتباطات از راه دور بسیار مخرب است، اما سرمایه گذاری عظیم در لیزرهای نیمه هادی پرقدرت، پایه و اساس پذیرش گسترده تر را ایجاد کرده است. با افزایش کارایی و هزینه، این لیزرها شروع به جایگزینی لیزرهای گاز سنتی یا سایر منابع تبدیل انرژی در فرآیندهای مختلف می کنند.
لیزرهای نیمه هادی به ابزاری پرکاربرد تبدیل شده اند. کاربردهای صنعتی از فرآیندهای تولید سنتی مانند برش و لحیم کاری تا فناوری های جدید تولیدی پیشرفته مانند ساخت افزودنی قطعات فلزی پرینت سه بعدی را شامل می شود. کاربردهای ساخت میکرو متنوع‌تر هستند، زیرا محصولات کلیدی مانند گوشی‌های هوشمند با این لیزرها تجاری شده‌اند. کاربردهای هوافضا و دفاعی شامل طیف وسیعی از کاربردهای حیاتی ماموریتی است و احتمالاً در آینده شامل سیستم های انرژی جهت دار نسل بعدی خواهد شد.
برای جمع بندی 
بیش از 50 سال پیش، مور قانون اساسی جدید فیزیک را پیشنهاد نکرد، اما پیشرفت های زیادی در مدارهای مجتمعی که برای اولین بار ده سال پیش مورد مطالعه قرار گرفتند، انجام داد. پیشگویی او چندین دهه ادامه داشت و مجموعه ای از نوآوری های مخرب را به همراه داشت که در سال 1965 غیرقابل تصور بود.
زمانی که هال بیش از 50 سال پیش لیزرهای نیمه هادی را به نمایش گذاشت، باعث ایجاد یک انقلاب فنی شد. مانند قانون مور، هیچ کس نمی تواند توسعه پرسرعتی را که لیزرهای نیمه هادی با شدت بالا با تعداد زیادی نوآوری به دست می آورند، متعاقباً پیش بینی کند.
هیچ قانون اساسی در فیزیک برای کنترل این پیشرفت‌های تکنولوژیکی وجود ندارد، اما پیشرفت مداوم فناوری ممکن است لیزر را از نظر روشنایی پیش ببرد. این روند همچنان جایگزین فناوری‌های سنتی می‌شود، بنابراین روش توسعه چیزها را بیشتر تغییر می‌دهد. برای رشد اقتصادی مهمتر، لیزرهای نیمه هادی پرقدرت نیز تولد چیزهای جدید را ترویج می کنند.