Masa lalu lan masa depan laser semikonduktor daya dhuwur

Nalika efisiensi lan daya terus saya tambah, dioda laser bakal terus ngganti teknologi tradisional, ngganti cara ditangani, lan ngrangsang lair saka barang anyar.
Sacara tradisional, para ahli ekonomi percaya yen kemajuan teknologi minangka proses bertahap. Bubar, industri wis fokus luwih ing inovasi disruptive sing bisa nimbulaké discontinuities. Inovasi kasebut, sing dikenal minangka teknologi tujuan umum (GPT), minangka "gagasan utawa teknologi anyar sing bisa nduwe pengaruh gedhe ing akeh aspek ekonomi." Teknologi umum biasane mbutuhake sawetara dekade kanggo berkembang, lan malah luwih suwe bakal nambah produktivitas. Ing wiwitan, dheweke ora ngerti. Sanajan teknologi kasebut dikomersialake, ana keterlambatan jangka panjang ing adopsi produksi. Sirkuit terpadu minangka conto sing apik. Transistor pisanan dikenalaké ing awal abad kaping 20, nanging padha digunakake akeh nganti pungkasan ing wayah sore.
Salah sawijining pangadeg Hukum Moore, Gordon Moore, prédhiksi ing taun 1965 manawa semikonduktor bakal berkembang kanthi luwih cepet, "nggawa popularitas elektronik lan nyurung ilmu iki menyang akeh lapangan anyar." Sanajan prediksi sing akurat lan ora disangka-sangka, dheweke wis ngalami perbaikan terus-terusan nganti pirang-pirang dekade sadurunge entuk produktivitas lan pertumbuhan ekonomi.
Kajaba iku, pangerten babagan pangembangan dramatis laser semikonduktor daya dhuwur diwatesi. Ing taun 1962, industri pisanan nduduhake konversi elektron dadi laser, disusul karo sawetara kemajuan sing nyebabake perbaikan sing signifikan ing konversi elektron dadi proses laser sing ngasilake dhuwur. Dandan iki bisa ndhukung sawetara aplikasi penting, kalebu panyimpenan optik, jaringan optik, lan sawetara saka sudhut aplikasi industri.
Ngeling-eling babagan pangembangan kasebut lan akeh dandan sing wis dingerteni wis nyorot kemungkinan pengaruh sing luwih gedhe lan nyebar ing pirang-pirang aspek ekonomi. Nyatane, kanthi terus-terusan dandan laser semikonduktor daya dhuwur, ruang lingkup aplikasi penting bakal nambah lan nduwe pengaruh sing signifikan marang pertumbuhan ekonomi.
Sajarah laser semikonduktor daya dhuwur
Ing tanggal 16 September 1962, tim sing dipimpin dening General Electric Robert Hall nduduhake emisi infra merah saka gallium arsenide (GaAs) semikonduktor, sing nduweni pola interferensi "aneh", tegese Laser koherensi - lair saka laser semikonduktor pisanan. Hall wiwitane percaya yen laser semikonduktor minangka "long shot" amarga dioda pemancar cahya ing wektu kasebut ora efisien. Ing wektu sing padha, dheweke uga mamang babagan iki amarga laser sing wis dikonfirmasi rong taun kepungkur lan wis ana mbutuhake "pangilon sing apik."
Ing mangsa panas 1962, Halle kandha yen dheweke kaget karo dioda pemancar cahya GaAs sing luwih efisien sing dikembangake dening MIT Lincoln Laboratory. Salajengipun, piyambakipun ngandika begja bisa kanggo nyoba karo sawetara bahan GaAs kualitas dhuwur lan nggunakake pengalaman minangka astronom amatir kanggo ngembangaken cara kanggo polish pinggiran Kripik GaAs kanggo mbentuk rongga.
Demonstrasi sukses Hall adhedhasar desain radiasi bolak-balik ing antarmuka tinimbang mumbul vertikal. Ngandika andhap asor sing ora ana siji "wis kedaden kanggo teka munggah karo idea iki." Nyatane, desain Hall pancen kebetulan amarga materi semikonduktor sing mbentuk pandu gelombang uga nduweni kemampuan kanggo mbatesi operator bipolar ing wektu sing padha. Yen ora, iku mokal kanggo éling laser semikonduktor. Kanthi nggunakake bahan semikonduktor sing ora padha, pandu gelombang slab bisa dibentuk kanggo tumpang tindih foton karo operator.
Demonstrasi awal ing General Electric iki minangka terobosan utama. Nanging, laser iki adoh saka piranti praktis. Kanggo ningkataké lair saka laser semikonduktor daya dhuwur, fusi teknologi beda kudu temen maujud. Inovasi teknologi utama diwiwiti kanthi pangerten babagan bahan semikonduktor bandgap langsung lan teknik pertumbuhan kristal.
Perkembangan mengko kalebu panemuan laser heterojunction ganda lan pangembangan laser sumur kuantum. Kunci kanggo ningkatake teknologi inti kasebut yaiku ningkatake efisiensi lan pangembangan pasif rongga, pambuangan panas, lan teknologi kemasan.
padhang
Inovasi sajrone sawetara dekade kepungkur wis nggawa dandan sing nyenengake. Utamane, dandan padhange apik banget. Ing taun 1985, laser semikonduktor daya dhuwur negara bisa nggabungake 105 milliwatts daya dadi serat inti 105 micron. Laser semikonduktor daya dhuwur sing paling maju saiki bisa ngasilake luwih saka 250 watt serat 105-mikron kanthi dawa gelombang siji - mundhak 10 kali saben wolung taun.

Moore ngandhut "mbenerake komponen liyane menyang sirkuit terpadu" - banjur, jumlah transistor saben chip tambah 10 kaping saben 7 taun. Kebetulan, laser semikonduktor daya dhuwur nggabungake luwih akeh foton menyang serat kanthi tingkat eksponensial sing padha (pirsani Gambar 1).

Figure 1. Padhang laser semikonduktor daya dhuwur lan comparison karo hukum Moore
Dandan ing padhange laser semikonduktor daya dhuwur wis dipun promosiaken pangembangan macem-macem teknologi unforeseen. Senajan tutugan saka gaya iki mbutuhake luwih inovasi, ana alesan kanggo pracaya sing inovasi teknologi laser semikonduktor adoh saka rampung. Fisika sing kondhang bisa nambah kinerja laser semikonduktor liwat pangembangan teknologi sing terus-terusan.
Contone, media gain kuantum dot bisa nambah efisiensi kanthi signifikan dibandhingake karo piranti sumur kuantum saiki. Padhang sumbu alon nawakake potensial paningkatan gedhene liyane. Bahan kemasan anyar kanthi cocog termal lan ekspansi sing luwih apik bakal nyedhiyakake paningkatan sing dibutuhake kanggo pangaturan daya sing terus-terusan lan manajemen termal sing disederhanakake. Pangembangan utama iki bakal menehi peta dalan kanggo pangembangan laser semikonduktor daya dhuwur ing dekade sing bakal teka.
Diode-pumped solid-state lan serat laser
Dandan ing laser semikonduktor daya dhuwur wis nggawe pangembangan teknologi laser hilir bisa; ing teknologi laser hilir, laser semikonduktor digunakake kanggo excite (pompa) kristal doped (diode-pumped solid-state laser) utawa serat doped (serat laser).
Senajan laser semikonduktor nyedhiyani dhuwur-efficiency, energi laser murah, ana rong watesan tombol: padha ora nyimpen energi lan padhange diwatesi. Sejatine loro laser iki kudu digunakake kanggo akeh aplikasi: siji kanggo ngowahi listrik dadi emisi laser lan liyane kanggo nambah padhange emisi laser.
Laser solid-state sing dipompa dioda. Ing pungkasan taun 1980-an, panggunaan laser semikonduktor kanggo ngompa laser solid-state wiwit entuk popularitas ing aplikasi komersial. Diode-pumped solid-state laser (DPSSL) nyuda ukuran lan kerumitan sistem manajemen termal (utamane recirculating coolers) lan entuk modul sing wis nggabungake lampu busur historis kanggo ngompa kristal laser solid-state.
Dawane gelombang laser semikonduktor dipilih adhedhasar tumpang tindih karo sifat panyerepan spektral saka medium gain laser solid-state; mbukak panas wis suda banget dibandhingake spektrum emisi sudhut-band saka lampu busur. Amarga popularitas laser adhedhasar germanium 1064 nm, dawa gelombang pompa 808 nm wis dadi dawa gelombang paling gedhe ing laser semikonduktor luwih saka 20 taun.
Kanthi Tambah ing padhange saka laser semikonduktor multimode lan kemampuan kanggo nyetabilke jembaré garis emitor sempit karo volume Bragg gratings (VBGs) ing agêng-2000, wis ngrambah generasi kapindho efisiensi pumping diode apik. Fitur panyerepan sing luwih ringkih lan spektral watara 880 nm wis dadi titik panas kanggo dioda pompa padhang dhuwur. Dioda iki bisa nggayuh stabilitas spektral. Laser-kinerja sing luwih dhuwur iki bisa langsung excite tingkat ndhuwur laser 4F3 / 2 ing silikon, ngurangi cacat kuantum, saéngga nambah extraction saka mode dhasar sing luwih dhuwur-rata-rata sing bakal diwatesi dening lensa termal.
Ing wiwitan taun 2010, kita wis nyekseni tren skala daya dhuwur saka laser 1064nm mode salib siji lan seri laser konversi frekuensi sing ana gandhengane sing beroperasi ing pita sing katon lan ultraviolet. Amarga umur negara energi dhuwur sing luwih dawa saka Nd:YAG lan Nd:YVO4, operasi ngoper DPSSL Q iki nyedhiyakake energi pulsa lan daya puncak sing dhuwur, saengga cocog kanggo pangolahan bahan ablatif lan aplikasi micromachining kanthi presisi dhuwur.
laser serat optik. Laser serat nyedhiyakake cara sing luwih efisien kanggo ngowahi padhange laser semikonduktor daya dhuwur. Senajan optik dawa gelombang-multiplexed bisa ngowahi laser semikonduktor cahya relatif kurang dadi laser semikonduktor padhang, iki ing beyo tambah jembaré spektral lan kerumitan optomechanical. Laser serat wis ditampilake utamané efektif ing konversi photometric.
Serat klambi ganda sing dikenalake ing taun 1990-an nggunakake serat mode tunggal sing diubengi dening cladding multimode, mbisakake laser sing dipompa semikonduktor multimode sing luwih murah lan murah kanggo disuntikake kanthi efisien menyang serat, nggawe cara sing luwih ekonomis kanggo ngowahi a laser semikonduktor daya dhuwur menyang laser padhang. Kanggo serat doped ytterbium (Yb), pompa kasebut nyerep panyerepan sing amba ing 915 nm utawa fitur pita sempit watara 976 nm. Minangka dawa gelombang pump nyedhaki dawa gelombang lasing saka laser serat, supaya disebut-cacat kuantum suda, mangkono ngoptimalake efficiency lan minimalake jumlah boros panas.
Loro-lorone laser serat lan laser solid-state sing dipompa dioda gumantung marang dandan ing padhang laser dioda. Umumé, amarga padhange laser dioda terus nambah, proporsi daya laser sing dikumpa uga saya tambah. Tambah padhange laser semikonduktor nggampangake konversi padhange luwih efisien.
Kaya sing bakal kita ngarepake, padhange spasial lan spektral bakal dibutuhake kanggo sistem sing bakal teka, sing bakal ngaktifake pompa cacat kuantum kanthi ciri panyerepan sing sempit ing laser solid-state lan multiplexing dawa gelombang sing padhet kanggo aplikasi laser semikonduktor langsung. Rencana dadi bisa.
Pasar lan Aplikasi
Pangembangan laser semikonduktor daya dhuwur wis nggawe akeh aplikasi penting. Laser iki wis ngganti akeh teknologi tradisional lan wis dipun ginakaken kategori produk anyar.
Kanthi kenaikan biaya lan kinerja 10 kaping saben dasawarsa, laser semikonduktor daya dhuwur ngganggu operasi normal pasar kanthi cara sing ora bisa ditebak. Sanajan angel prédhiksi aplikasi sing bakal teka kanthi akurat, penting banget kanggo mriksa riwayat pangembangan telung dekade kepungkur lan menehi kemungkinan kerangka kanggo pangembangan dekade sabanjure (pirsani Gambar 2).

Gambar 2. Aplikasi bahan bakar padhang laser semikonduktor daya dhuwur (biaya standarisasi saben padhange watt)
1980s: Panyimpenan optik lan aplikasi niche awal. Panyimpenan optik minangka aplikasi skala gedhe pisanan ing industri laser semikonduktor. Sakcepete sawise Hall pisanan nuduhake laser semikonduktor infra merah, General Electrics Nick Holonyak uga nuduhake laser semikonduktor abang pisanan katon. Rong puluh taun salajengipun, cakram kompak (CD) dipuntepangaken ing pasar, lajeng pasar panyimpenan optik.
Inovasi terus-terusan teknologi laser semikonduktor wis nyebabake pangembangan teknologi panyimpenan optik kayata disk serbaguna digital (DVD) lan Blu-ray Disc (BD). Iki minangka pasar gedhe pisanan kanggo laser semikonduktor, nanging tingkat daya umume andhap asor mbatesi aplikasi liyane menyang pasar ceruk sing relatif cilik kayata printing termal, aplikasi medis, lan aplikasi aerospace lan pertahanan sing dipilih.
Taun 1990-an: Jaringan optik umume. Ing taun 1990-an, laser semikonduktor dadi kunci kanggo jaringan komunikasi. Laser semikonduktor digunakake kanggo ngirim sinyal liwat jaringan serat optik, nanging daya sing luwih dhuwur laser pump single mode kanggo amplifier optik iku kritis kanggo nggayuh ukuran jaringan optik lan saestu ndhukung wutah data Internet.
Boom industri telekomunikasi sing digawa dening iku adoh-sik njongko, njupuk Spectra Diode Labs (SDL), salah siji saka pionir pisanan ing industri laser semikonduktor daya dhuwur minangka conto. Didegake ing taun 1983, SDL minangka usaha patungan antarane merek laser Newport Group Spectra-Physics lan Xerox. Iki diluncurake ing taun 1995 kanthi kapitalisasi pasar kira-kira $100 yuta. Limang taun sabanjure, SDL didol menyang JDSU luwih saka $40 milyar sajrone puncak industri telekomunikasi, salah sawijining akuisisi teknologi paling gedhe ing sejarah. Ora suwe, gelembung telekomunikasi njeblug lan ngrusak triliunan dolar ibukutha, saiki katon minangka gelembung paling gedhe ing sejarah.
2000s: Laser dadi alat. Sanajan bledosan gelembung pasar telekomunikasi banget ngrusak, investasi ageng ing laser semikonduktor dhuwur-daya wis glethakaken dhasar kanggo Adoption luwih akeh. Minangka kinerja lan biaya mundhak, laser iki wiwit ngganti laser gas tradisional utawa sumber konversi energi liyane ing macem-macem pangolahan.
Laser semikonduktor wis dadi alat sing akeh digunakake. Aplikasi industri kalebu saka proses manufaktur tradisional kayata nglereni lan solder nganti teknologi manufaktur canggih anyar kayata manufaktur aditif bagean logam sing dicithak 3D. Aplikasi manufaktur mikro luwih maneka warna, amarga produk utama kayata smartphone wis dikomersialake nganggo laser kasebut. Aplikasi aerospace lan pertahanan kalebu macem-macem aplikasi misi-kritis lan kemungkinan bakal kalebu sistem energi arah generasi sabanjure ing mangsa ngarep.
kanggo nyimpulake 
Luwih saka 50 taun kepungkur, Moore ora ngusulake hukum fisika dhasar anyar, nanging nggawe perbaikan gedhe ing sirkuit terpadu sing pisanan diteliti sepuluh taun kepungkur. Ramalané nganti pirang-pirang dekade lan nggawa sawetara inovasi sing ngganggu sing ora bisa dipikirake ing taun 1965.
Nalika Hall nduduhake laser semikonduktor luwih saka 50 taun kepungkur, iku micu revolusi teknologi. Kaya karo Hukum Moore, ora ana sing bisa prédhiksi pangembangan kacepetan dhuwur sing bakal ditindakake dening laser semikonduktor intensitas dhuwur sing ditindakake kanthi akeh inovasi.
Ora ana aturan dhasar ing fisika kanggo ngontrol dandan teknologi kasebut, nanging kemajuan teknologi sing terus-terusan bisa ningkatake laser ing babagan padhang. Tren iki bakal terus ngganti teknologi tradisional, saengga bisa ngganti cara ngembangake. Luwih penting kanggo wutah ekonomi, laser semikonduktor daya dhuwur uga bakal ningkataké lair saka iku anyar.