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 dingen worden behandeld veranderen en de geboorte van nieuwe dingen stimuleren.
Traditioneel geloven economen dat technologische vooruitgang een geleidelijk proces is. Onlangs 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 vele aspecten van de economie". Algemene technologie heeft meestal tientallen jaren nodig om zich te ontwikkelen, en zelfs nog langer zal leiden tot een verhoging van de productiviteit. Aanvankelijk werden ze niet goed begrepen. Zelfs nadat de technologie op de markt was gebracht, was er een langdurige 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 veel gebruikt.
Een van de grondleggers van de wet van Moore, Gordon Moore, voorspelde in 1965 dat halfgeleiders zich sneller zullen ontwikkelen, "waardoor de populariteit van elektronica wordt vergroot en deze wetenschap op veel nieuwe terreinen wordt gestuwd". Ondanks zijn gedurfde en onverwacht nauwkeurige voorspellingen, heeft hij decennia van voortdurende verbetering ondergaan voordat hij productiviteit en economische groei bereikte.
Evenzo 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 vorderingen die hebben geleid tot aanzienlijke verbeteringen in de omzetting van elektronen in laserprocessen met een hoog rendement. Deze verbeteringen kunnen een reeks belangrijke toepassingen ondersteunen, waaronder optische opslag, optische netwerken en een breed scala aan industriële toepassingen.
Herinnerend aan deze ontwikkelingen en de talrijke verbeteringen die ze aan het licht hebben gebracht, is de mogelijkheid van grotere en wijdverbreide gevolgen voor veel aspecten van de economie duidelijk geworden. Met de voortdurende verbetering van halfgeleiderlasers met hoog vermogen zal de reikwijdte van belangrijke toepassingen zelfs toenemen en een diepgaande invloed 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 betekent coherentielaser - de geboorte van de eerste halfgeleiderlaser. Hall was aanvankelijk van mening dat de halfgeleiderlaser een "long shot" was omdat de lichtemitterende diodes destijds erg inefficiënt waren. Tegelijkertijd was hij daar ook sceptisch over, omdat de laser die twee jaar geleden bevestigd was en al bestaat, een "fijne spiegel" nodig heeft.
In de zomer van 1962 zei Halle dat hij geschokt was door de efficiëntere GaAs-lichtemitterende diodes die waren ontwikkeld door het MIT Lincoln Laboratory. Vervolgens zei hij dat hij het geluk had te kunnen testen met een aantal hoogwaardige GaAs-materialen en hij gebruikte 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 kaatst op het grensvlak in plaats van verticale stuitering. Hij zei bescheiden dat niemand "toevallig met dit idee op de proppen 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 dragers 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 een fusie van verschillende technologieën worden gerealiseerd. Belangrijke technologische innovaties begonnen met een goed begrip van halfgeleidermaterialen met directe bandgap en technieken voor kristalgroei.
Latere ontwikkelingen omvatten de uitvinding van dubbele heterojunctie-lasers 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 holte-passivering, warmteafvoer en verpakkingstechnologie.
Helderheid
Innovatie van de afgelopen decennia heeft tot opwindende verbeteringen geleid. Met name de helderheidsverbetering is uitstekend. In 1985 kon de ultramoderne halfgeleiderlaser met hoog vermogen 105 milliwatt vermogen koppelen aan een kernvezel van 105 micron. De meest geavanceerde halfgeleiderlasers met hoog vermogen kunnen nu meer dan 250 watt 105 micron-vezel produceren met een enkele golflengte - een tienvoudige toename om de acht jaar.

Moore bedacht om "meer componenten aan de geïntegreerde schakeling te bevestigen" - en toen nam het aantal transistors per chip elke 7 jaar met 10 keer toe. Toevallig nemen high-power 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, is er reden 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 quantumbron-apparaten. De helderheid van de langzame as biedt een ander verbeterpotentieel in de orde van grootte. Nieuwe verpakkingsmaterialen met verbeterde thermische en expansie-aanpassing zullen de verbeteringen bieden die nodig zijn voor continue stroomaanpassing en vereenvoudigd thermisch beheer. Deze belangrijke ontwikkelingen zullen een routekaart opleveren voor de ontwikkeling van halfgeleiderlasers met hoog vermogen in de komende decennia.
Diode-gepompte halfgeleider- 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 (diode-gepompte vastestoflasers) of gedoteerde vezels (vezellasers) te exciteren (pomp).
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: een voor het omzetten van elektriciteit in laseremissie en de andere voor het verbeteren van de helderheid van de laseremissie.
Diode-gepompte halfgeleiderlasers. Eind jaren tachtig begon het gebruik van halfgeleiderlasers om vastestoflasers te pompen populair te worden in commerciële toepassingen. Diode-gepompte solid-state lasers (DPSSL) verminderen de omvang en complexiteit van thermische beheersystemen (voornamelijk recirculerende koelers) aanzienlijk en verkrijgen modules met historisch gecombineerde booglampen voor het verpompen van laserkristallen in vaste toestand.
De golflengten van de halfgeleiderlasers worden geselecteerd op basis van hun overlapping met de spectrale absorptie-eigenschappen van het versterkingsmedium van de halfgeleiderlaser; 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 sinds 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 diode-pompefficiëntie 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 direct het bovenste niveau 4F3 / 2 van de laser in silicium exciteren, waardoor kwantumdefecten worden verminderd, waardoor de extractie van hoger-gemiddelde fundamentele modi wordt verbeterd die anders zouden worden beperkt door thermische lenzen.
Aan het begin van 2010 zijn we getuige geweest van de krachtige schaalvergrotingstrend van de single-cross-mode 1064nm laser en aanverwante series van frequentieomzettingslasers die in de zichtbare en ultraviolette banden werken. Vanwege de langere levensduur van de hoge energietoestand van Nd: YAG en Nd: YVO4, leveren deze DPSSL Q-schakelbewerkingen hoge pulsenergie en piekvermogen, waardoor ze ideaal zijn voor ablatieve materiaalverwerking en uiterst nauwkeurige micromachiningstoepassingen.
glasvezellaser. Vezellasers bieden een efficiëntere manier om de helderheid van halfgeleiderlasers met hoog vermogen om te zetten. Hoewel golflengte-gemultiplexte optica een halfgeleiderlaser met relatief lage luminantie kan omzetten in een helderdere halfgeleiderlaser, gaat dit ten koste van een grotere spectrale breedte en optomechanische complexiteit. Van vezellasers is aangetoond dat ze bijzonder effectief zijn bij fotometrische conversie.
De dubbel beklede vezels die in de jaren negentig werden geïntroduceerd, maken gebruik van single-mode vezels omgeven door een multimode-bekleding, waardoor meer vermogen, goedkopere multimode halfgeleider-gepompte lasers efficiënt in de vezel kunnen worden geïnjecteerd, waardoor een meer economische manier ontstaat om een krachtige halfgeleiderlaser 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 warmteafvoer wordt geminimaliseerd.
Zowel fiberlasers als diode-gepompte solid-state lasers vertrouwen op verbeteringen in de helderheid van de diodelaser. Over het algemeen neemt het aandeel van het laservermogen dat ze pompen ook toe naarmate de helderheid van diodelasers blijft verbeteren. De verhoogde helderheid van halfgeleiderlasers maakt een efficiëntere helderheidsconversie mogelijk.
Zoals we zouden verwachten, zullen ruimtelijke en spectrale helderheid nodig zijn voor toekomstige systemen, die pompen met lage kwantumdefecten met smalle absorptiekenmerken in vaste-stoflasers en dichte golflengtemultiplexing 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 10-voudige 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 erg belangrijk om de ontwikkelingsgeschiedenis van de afgelopen drie decennia te herzien en raamwerkmogelijkheden te bieden voor de ontwikkeling van het volgende decennium (zie Figuur 2).

Afbeelding 2. Brandstoftoepassing met hoog vermogen voor halfgeleiderlaserhelderheid (standaardisatiekosten per watt-helderheid)
Jaren 80: optische opslag en initiële 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 gebracht, gevolgd door de markt voor optische opslag.
De constante innovatie van halfgeleiderlasertechnologie heeft geleid tot de ontwikkeling van optische opslagtechnologieën zoals digitale veelzijdige schijven (dvd) en Blu-ray-schijven (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 lucht- en ruimtevaart- en defensietoepassingen.
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 om de schaal van optische netwerken te bereiken en de groei van internetgegevens echt te ondersteunen.
De hausse in de telecommunicatie-industrie die hierdoor ontstaat, is verreikend, met als voorbeeld Spectra Diode Labs (SDL), een van de eerste pioniers in de halfgeleiderlaserindustrie met hoog vermogen. 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 voor meer dan $ 40 miljard aan JDSU verkocht tijdens de piek in de telecomsector, een van de grootste technologie-acquisities in de geschiedenis. Kort daarna barstte de telecommunicatiebubbel en vernietigde triljoenen 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 buitengewoon destructief is, hebben de enorme investeringen in halfgeleiderlasers met hoog vermogen de basis gelegd voor een bredere acceptatie. Naarmate de prestaties en kosten toenemen, beginnen deze lasers traditionele gaslasers of andere energieomzettingsbronnen in verschillende processen te vervangen.
Halfgeleiderlasers zijn een veelgebruikt hulpmiddel geworden. Industriële toepassingen variëren van traditionele fabricageprocessen zoals snijden en solderen tot nieuwe geavanceerde fabricagetechnologieën zoals additive manufacturing van 3D-geprinte metalen onderdelen. Micro-fabricagetoepassingen 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 bedrijfskritische toepassingen en zullen in de toekomst waarschijnlijk de volgende generatie directionele energiesystemen omvatten.
opsommen
Meer dan 50 jaar geleden stelde Moore geen nieuwe basiswet van de fysica voor, maar bracht grote verbeteringen aan in de geïntegreerde schakelingen die tien jaar geleden voor het eerst werden bestudeerd. Zijn profetie duurde decennia en bracht een reeks ontwrichtende innovaties met zich mee die in 1965 ondenkbaar waren.
Toen Hall meer dan 50 jaar geleden halfgeleiderlasers demonstreerde, veroorzaakte dat 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 is geen fundamentele regel in de natuurkunde om deze technologische verbeteringen te beheersen, maar voortdurende technologische vooruitgang kan de laser vooruit helpen in termen van helderheid. Deze trend zal traditionele technologieën blijven vervangen en zo de manier waarop dingen worden ontwikkeld verder veranderen. Belangrijker voor economische groei, zullen krachtige halfgeleiderlasers ook de geboorte van nieuwe dingen bevorderen.