Het verleden en de toekomst van halfgeleiderlasers met hoog vermogen

Naarmate de efficiëntie en het vermogen blijven toenemen, zullen laserdiodes traditionele technologieën blijven vervangen, de manier waarop met dingen wordt omgegaan veranderen en de geboorte van nieuwe dingen stimuleren.
Traditioneel geloven economen dat technologische vooruitgang een geleidelijk proces is. De laatste tijd heeft de industrie zich meer gericht op disruptieve innovatie die discontinuïteiten kan veroorzaken. Deze innovaties, bekend als General Purpose Technologies (GPT's), zijn "diepgaande nieuwe ideeën of technologieën die een grote impact kunnen hebben op veel aspecten van de economie." De ontwikkeling van algemene technologie duurt doorgaans tientallen jaren, en zelfs nog langer zal een stijging van de productiviteit tot gevolg hebben. In eerste instantie werden ze niet goed begrepen. Zelfs nadat de technologie op de markt was gebracht, was er op de lange termijn een vertraging in de acceptatie van de productie. Geïntegreerde schakelingen zijn een goed voorbeeld. Transistors werden voor het eerst geïntroduceerd in het begin van de 20e eeuw, maar werden tot laat in de avond op grote schaal gebruikt.
Een van de grondleggers van de wet van Moore, Gordon Moore, voorspelde in 1965 dat halfgeleiders zich in een sneller tempo zullen ontwikkelen, "waardoor de populariteit van elektronica zal toenemen en deze wetenschap naar veel nieuwe gebieden zal worden gestuwd." Ondanks zijn gedurfde en onverwacht nauwkeurige voorspellingen heeft hij tientallen jaren van voortdurende verbetering ondergaan voordat hij productiviteit en economische groei bereikte.
Op dezelfde manier is het begrip van de dramatische ontwikkeling van halfgeleiderlasers met hoog vermogen beperkt. In 1962 demonstreerde de industrie voor het eerst de omzetting van elektronen in lasers, gevolgd door een aantal ontwikkelingen die hebben geleid tot aanzienlijke verbeteringen in de omzetting van elektronen in laserprocessen met hoge opbrengst. Deze verbeteringen kunnen een reeks belangrijke toepassingen ondersteunen, waaronder optische opslag, optische netwerken en een breed scala aan industriële toepassingen.
Door deze ontwikkelingen in herinnering te brengen en de talrijke verbeteringen die zij aan het licht hebben gebracht, is de mogelijkheid van een grotere en bredere impact op vele aspecten van de economie benadrukt. Met de voortdurende verbetering van halfgeleiderlasers met hoog vermogen zal de reikwijdte van belangrijke toepassingen zelfs toenemen en een diepgaande impact hebben op de economische groei.
Geschiedenis van halfgeleiderlasers met hoog vermogen
Op 16 september 1962 demonstreerde een team onder leiding van Robert Hall van General Electric de infraroodemissie van galliumarsenide (GaAs) halfgeleiders, die "vreemde" interferentiepatronen hebben, wat coherentielaser betekent - de geboorte van de eerste halfgeleiderlaser. Hall geloofde aanvankelijk dat de halfgeleiderlaser een "gok" was, omdat de lichtgevende diodes destijds erg inefficiënt waren. Tegelijkertijd was hij hier ook sceptisch over, omdat de laser die twee jaar geleden werd bevestigd en al bestaat een ‘fijne spiegel’ vereist.
In de zomer van 1962 zei Halle dat hij geschokt was door de efficiëntere GaAs lichtgevende diodes, ontwikkeld door het MIT Lincoln Laboratory. Vervolgens zei hij dat hij het geluk had te kunnen testen met een aantal hoogwaardige GaAs-materialen en gebruikte hij zijn ervaring als amateurastronoom om een ​​manier te ontwikkelen om de randen van GaAs-chips te polijsten om een ​​holte te vormen.
De succesvolle demonstratie van Hall is gebaseerd op het ontwerp van straling die heen en weer stuitert op het grensvlak in plaats van verticaal stuiteren. Hij zei bescheiden dat niemand 'toevallig op dit idee is gekomen'. In feite is het ontwerp van Hall in wezen een gelukkig toeval dat het halfgeleidermateriaal dat de golfgeleider vormt ook de eigenschap heeft om tegelijkertijd bipolaire draaggolven te beperken. Anders is het onmogelijk om een ​​halfgeleiderlaser te realiseren. Door ongelijksoortige halfgeleidermaterialen te gebruiken, kan een plaatgolfgeleider worden gevormd om fotonen met dragers te overlappen.
Deze voorbereidende demonstraties bij General Electric waren een grote doorbraak. Deze lasers zijn echter verre van praktische apparaten. Om de geboorte van halfgeleiderlasers met hoog vermogen te bevorderen, moet de fusie van verschillende technologieën worden gerealiseerd. Belangrijke technologische innovaties begonnen met inzicht in halfgeleidermaterialen met directe bandafstand en kristalgroeitechnieken.
Latere ontwikkelingen omvatten de uitvinding van dubbele heterojunctielasers en de daaropvolgende ontwikkeling van kwantumputlasers. De sleutel tot het verder verbeteren van deze kerntechnologieën ligt in de verbetering van de efficiëntie en de ontwikkeling van caviteitspassivering, warmteafvoer en verpakkingstechnologie.
Helderheid
Innovatie van de afgelopen decennia heeft voor spannende verbeteringen gezorgd. Met name de helderheidsverbetering is uitstekend. In 1985 kon de ultramoderne halfgeleiderlaser met hoog vermogen 105 milliwatt aan vermogen koppelen aan een kernvezel van 105 micron. De meest geavanceerde halfgeleiderlasers met hoog vermogen kunnen nu meer dan 250 watt aan vezels van 105 micron produceren met één enkele golflengte - een tienvoudige toename elke acht jaar.

Moore bedacht het idee om "meer componenten aan de geïntegreerde schakeling te bevestigen" - en vervolgens nam het aantal transistors per chip elke zeven jaar met tien keer toe. Toevallig nemen krachtige halfgeleiderlasers meer fotonen op in de vezel met vergelijkbare exponentiële snelheden (zie figuur 1).

Figuur 1. Helderheid van halfgeleiderlasers met hoog vermogen en vergelijking met de wet van Moore
De verbetering van de helderheid van halfgeleiderlasers met hoog vermogen heeft de ontwikkeling van verschillende onvoorziene technologieën bevorderd. Hoewel de voortzetting van deze trend meer innovatie vereist, zijn er redenen om aan te nemen dat de innovatie van halfgeleiderlasertechnologie nog lang niet voltooid is. De bekende fysica kan de prestaties van halfgeleiderlasers verder verbeteren door voortdurende technologische ontwikkeling.
Quantum dot gain-media kunnen bijvoorbeeld de efficiëntie aanzienlijk verhogen in vergelijking met de huidige quantum well-apparaten. De langzame ashelderheid biedt nog een verbeteringspotentieel van een orde van grootte. Nieuwe verpakkingsmaterialen met verbeterde thermische en expansie-aanpassing zullen de verbeteringen bieden die nodig zijn voor continue vermogensaanpassing en vereenvoudigd thermisch beheer. Deze belangrijke ontwikkelingen zullen een routekaart opleveren voor de ontwikkeling van hoogvermogen halfgeleiderlasers in de komende decennia.
Diodegepompte vaste-stof- en vezellasers
Verbeteringen in halfgeleiderlasers met hoog vermogen hebben de ontwikkeling van stroomafwaartse lasertechnologieën mogelijk gemaakt; in de stroomafwaartse lasertechnologieën worden halfgeleiderlasers gebruikt om gedoteerde kristallen (diodegepompte vastestoflasers) of gedoteerde vezels (vezellasers) te exciteren (pompen).
Hoewel halfgeleiderlasers zeer efficiënte en goedkope laserenergie leveren, zijn er twee belangrijke beperkingen: ze slaan geen energie op en hun helderheid is beperkt. In principe moeten deze twee lasers voor veel toepassingen worden gebruikt: één voor het omzetten van elektriciteit in laseremissie en de andere voor het verbeteren van de helderheid van de laseremissie.
Diodegepompte vastestoflasers. Eind jaren tachtig begon het gebruik van halfgeleiderlasers om vaste-stoflasers te pompen aan populariteit te winnen in commerciële toepassingen. Diodegepompte vastestoflasers (DPSSL) verminderen de omvang en complexiteit van thermische beheersystemen (voornamelijk recirculerende koelers) aanzienlijk en verkrijgen modules die historisch gezien gecombineerde booglampen hebben voor het pompen van vastestoflaserkristallen.
De golflengten van de halfgeleiderlasers worden geselecteerd op basis van hun overlap met de spectrale absorptie-eigenschappen van het vastestoflaserversterkingsmedium; de warmtebelasting wordt sterk verminderd in vergelijking met het breedbandige emissiespectrum van de booglamp. Vanwege de populariteit van op germanium gebaseerde lasers van 1064 nm is de pompgolflengte van 808 nm al meer dan 20 jaar de grootste golflengte in halfgeleiderlasers geworden.
Met de toename van de helderheid van multimode halfgeleiderlasers en het vermogen om de smalle emitterlijnbreedte te stabiliseren met volume Bragg-roosters (VBG's) halverwege 2000, werd de tweede generatie van verbeterde diodepompefficiëntie bereikt. De zwakkere en spectraal smalle absorptiekenmerken rond 880 nm zijn hotspots geworden voor pompdiodes met hoge helderheid. Deze diodes kunnen spectrale stabiliteit bereiken. Deze lasers met hogere prestaties kunnen het bovenste niveau 4F3/2 van de laser in silicium direct exciteren, waardoor kwantumdefecten worden verminderd, waardoor de extractie van hoger gemiddelde fundamentele modi wordt verbeterd die anders zouden worden beperkt door thermische lenzen.
Begin 2010 waren we getuige van de grootschalige schaaltrend van de single-cross-mode 1064nm-laser en de daarmee samenhangende reeks frequentieconversielasers die in de zichtbare en ultraviolette banden werken. Vanwege de langere levensduur van Nd:YAG en Nd:YVO4 bieden deze DPSSL Q-schakelbewerkingen een hoge pulsenergie en piekvermogen, waardoor ze ideaal zijn voor ablatieve materiaalverwerking en microbewerkingstoepassingen met hoge precisie.
glasvezel laser. Vezellasers bieden een efficiëntere manier om de helderheid van halfgeleiderlasers met hoog vermogen om te zetten. Hoewel optica met golflengtemultiplex een halfgeleiderlaser met relatief lage luminantie kunnen omzetten in een helderdere halfgeleiderlaser, gaat dit ten koste van de grotere spectrale breedte en de optomechanische complexiteit. Er is aangetoond dat vezellasers bijzonder effectief zijn bij fotometrische conversie.
De dubbel beklede vezels die in de jaren negentig zijn geïntroduceerd, maken gebruik van single-mode vezels omgeven door een multimode bekleding, waardoor krachtigere, goedkopere multimode halfgeleider-gepompte lasers efficiënt in de vezel kunnen worden geïnjecteerd, waardoor een meer economische manier ontstaat om een ​​glasvezel om te zetten. halfgeleiderlaser met hoog vermogen in een helderdere laser. Voor met ytterbium (Yb) gedoteerde vezels wekt de pomp een brede absorptie op gecentreerd op 915 nm of een smalbandig kenmerk rond 976 nm. Naarmate de pompgolflengte de lasergolflengte van de fiberlaser nadert, worden zogenaamde kwantumdefecten verminderd, waardoor de efficiëntie wordt gemaximaliseerd en de hoeveelheid warmtedissipatie wordt geminimaliseerd.
Zowel fiberlasers als diodegepompte vastestoflasers zijn afhankelijk van verbeteringen in de helderheid van de diodelaser. Naarmate de helderheid van diodelasers blijft verbeteren, neemt over het algemeen ook het aandeel laservermogen dat ze pompen toe. De verhoogde helderheid van halfgeleiderlasers maakt een efficiëntere helderheidsconversie mogelijk.
Zoals we zouden verwachten, zal ruimtelijke en spectrale helderheid noodzakelijk zijn voor toekomstige systemen, die pompen met lage kwantumdefecten met smalle absorptiekarakteristieken in vastestoflasers en multiplexing met dichte golflengte voor directe halfgeleiderlasertoepassingen mogelijk zullen maken. Het plan wordt mogelijk.
Markt en toepassing
De ontwikkeling van halfgeleiderlasers met hoog vermogen heeft veel belangrijke toepassingen mogelijk gemaakt. Deze lasers hebben veel traditionele technologieën vervangen en nieuwe productcategorieën geïmplementeerd.
Met een tienvoudige stijging van de kosten en prestaties per decennium verstoren krachtige halfgeleiderlasers de normale werking van de markt op onvoorspelbare manieren. Hoewel het moeilijk is om toekomstige toepassingen nauwkeurig te voorspellen, is het van groot belang om de ontwikkelingsgeschiedenis van de afgelopen dertig jaar te bekijken en kadermogelijkheden te bieden voor de ontwikkeling van het volgende decennium (zie figuur 2).

Figuur 2. Toepassing van krachtige halfgeleiderlaserbrandstofbrandstof (standaardisatiekosten per watt helderheid)
Jaren 80: Optische opslag en eerste nichetoepassingen. Optische opslag is de eerste grootschalige toepassing in de halfgeleiderlaserindustrie. Kort nadat Hall voor het eerst de infrarood halfgeleiderlaser toonde, toonde General Electrics Nick Holonyak ook de eerste zichtbare rode halfgeleiderlaser. Twintig jaar later werden compact discs (cd's) op de markt geïntroduceerd, gevolgd door de markt voor optische opslag.
De voortdurende innovatie van halfgeleiderlasertechnologie heeft geleid tot de ontwikkeling van optische opslagtechnologieën zoals digitale veelzijdige schijven (DVD) en Blu-ray Disc (BD). Dit is de eerste grote markt voor halfgeleiderlasers, maar over het algemeen beperken bescheiden vermogensniveaus andere toepassingen tot relatief kleine nichemarkten zoals thermisch printen, medische toepassingen en geselecteerde toepassingen in de ruimtevaart en defensie.
De jaren negentig: optische netwerken hebben de overhand. In de jaren negentig werden halfgeleiderlasers de sleutel tot communicatienetwerken. Halfgeleiderlasers worden gebruikt om signalen over glasvezelnetwerken te verzenden, maar single-mode pomplasers met een hoger vermogen voor optische versterkers zijn van cruciaal belang voor het bereiken van schaalgrootte van optische netwerken en het daadwerkelijk ondersteunen van de groei van internetgegevens.
De hausse in de telecommunicatie-industrie die hieruit voortvloeit, is verreikend, waarbij we Spectra Diode Labs (SDL), een van de eerste pioniers in de hoogvermogen halfgeleiderlaserindustrie, als voorbeeld nemen. SDL, opgericht in 1983, is een joint venture tussen de lasermerken Spectra-Physics en Xerox van de Newport Group. Het werd gelanceerd in 1995 met een marktkapitalisatie van ongeveer $ 100 miljoen. Vijf jaar later werd SDL tijdens de piek in de telecomsector, een van de grootste technologie-overnames in de geschiedenis, voor ruim $40 miljard aan JDSU verkocht. Kort daarna barstte de telecommunicatiezeepbel en vernietigde biljoenen dollars aan kapitaal, dat nu wordt gezien als de grootste zeepbel in de geschiedenis.
Jaren 2000: Lasers werden een hulpmiddel. Hoewel het uiteenspatten van de zeepbel op de telecommunicatiemarkt uiterst destructief is, hebben de enorme investeringen in krachtige halfgeleiderlasers de basis gelegd voor een bredere acceptatie. Naarmate de prestaties en kosten toenemen, beginnen deze lasers traditionele gaslasers of andere energieconversiebronnen in een verscheidenheid aan processen te vervangen.
Halfgeleiderlasers zijn een veelgebruikt hulpmiddel geworden. Industriële toepassingen variëren van traditionele productieprocessen zoals snijden en solderen tot nieuwe geavanceerde productietechnologieën zoals additieve productie van 3D-geprinte metalen onderdelen. Toepassingen voor microproductie zijn diverser, aangezien belangrijke producten zoals smartphones met deze lasers op de markt zijn gebracht. Lucht- en ruimtevaart- en defensietoepassingen omvatten een breed scala aan missiekritieke toepassingen en zullen in de toekomst waarschijnlijk directionele energiesystemen van de volgende generatie omvatten.
op te sommen 
Meer dan vijftig jaar geleden stelde Moore geen nieuwe fundamentele natuurwet voor, maar bracht hij grote verbeteringen aan in de geïntegreerde schakelingen die tien jaar geleden voor het eerst werden bestudeerd. Zijn profetie duurde tientallen jaren en bracht een reeks ontwrichtende innovaties met zich mee die in 1965 ondenkbaar waren.
Toen Hall meer dan vijftig jaar geleden halfgeleiderlasers demonstreerde, veroorzaakte dit een technologische revolutie. Net als bij de wet van Moore kan niemand de snelle ontwikkeling voorspellen die halfgeleiderlasers met hoge intensiteit, die door een groot aantal innovaties worden bereikt, vervolgens zullen ondergaan.
Er bestaat geen fundamentele regel in de natuurkunde om deze technologische verbeteringen te beheersen, maar voortdurende technologische vooruitgang kan de laser in termen van helderheid vooruit helpen. Deze trend zal de traditionele technologieën blijven vervangen, waardoor de manier waarop dingen worden ontwikkeld verder zal veranderen. Belangrijker voor de economische groei is dat krachtige halfgeleiderlasers ook de geboorte van nieuwe dingen zullen bevorderen.