Laser semikonduktor kepungkur lan mbesuk

Efisiensi lan kekuwatan terus meningkat, dioda laser bakal terus ngganti teknologi tradisional, ngganti cara ditangani, lan ngrangsang lair saka barang-barang anyar.
Biasane, para ekonom percaya manawa kemajuan teknologi minangka proses bertahap. Bubar iki, industri wis luwih fokus karo inovasi sing ngganggu sing bisa nyebabake diskontinuitas. Inovasi kasebut, sing dikenal minangka teknologi tujuan umum (GPT), minangka "ide utawa teknologi anyar sing jero sing bisa menehi pengaruh gedhe ing macem-macem aspek ekonomi." Teknologi umum biasane mbutuhake pirang-pirang dekade kanggo berkembang, lan luwih suwe bakal nambah produktivitas. Wiwitane, dheweke durung paham. Sanajan teknologi kasebut dikomersialake, ana sawetara jangka panjang ing adopsi produksi. Sirkuit integral minangka conto sing apik. Transistor pisanan dikenalake ing wiwitan abad kaping 20, nanging digunakake nganti tekan sore.
Salah sawijining pendiri Hukum Moore, Gordon Moore, ngramal ing taun 1965 manawa semikonduktor bakal berkembang kanthi luwih cepet, "nggawa popularitas elektronik lan nyurung ilmu iki menyang pirang-pirang bidang anyar." Sanajan prediksi sing kandel lan ora diduga akurat, dheweke wis ngalami puluhan taun nalika dandan sadurunge entuk produktivitas lan pertumbuhan ekonomi.
Kajaba iku, pangerten babagan pangembangan dramatis laser semikonduktor daya dhuwur diwatesi. Ing taun 1962, industri kasebut pisanan nuduhake konversi elektron dadi laser, diikuti karo sawetara kemajuan sing nyebabake peningkatan konversi elektron dadi proses laser sing ngasilake dhuwur. Dandan kasebut bisa ndhukung macem-macem aplikasi penting, kalebu panyimpenan optik, jaringan optik, lan macem-macem aplikasi industri.
Elingi pangembangan kasebut lan akeh perbaikan sing wis dingerteni wis nyorot kemungkinan pengaruh sing luwih gedhe lan nyebar ing akeh aspek ekonomi. Kasunyatane, kanthi perbaikan laser semikonduktor listrik sing terus-terusan, ruang lingkup aplikasi sing penting bakal nambah lan menehi pengaruh sing gedhe tumrap pertumbuhan ekonomi.
Sejarah laser semikonduktor daya dhuwur
Tanggal 16 September 1962, tim sing dipimpin General Electric Robert Hall nuduhake emisi inframerah galium arsenide (GaAs) semikonduktor, sing duwe pola interferensi "aneh", tegese laser koherensi - lair saka laser semikonduktor pertama. Aula awalé percaya manawa laser semikonduktor minangka "tembakan dawa" amarga cahya sing diodhokake cahya nalika semana durung efisien banget. Sanalika, dheweke uga ora precaya babagan iki amarga laser sing wis dikonfirmasi rong taun kepungkur lan wis ana mbutuhake "kaca spion".
Ing musim panas 1962, Halle ujar manawa dheweke kaget karo dioda pemancar cahaya GaAs sing luwih efisien sing dikembangake dening Laboratorium Lincoln MIT. Sabanjure, dheweke ujar manawa bathi bisa nyoba nganggo bahan GaA sing berkualitas tinggi lan nggunakake pengalaman minangka astronom amatir kanggo nggawe cara kanggo polesan pinggiran chip GaAs kanggo nggawe growong.
Demonstrasi sing sukses Hall didhasarake ing desain mantul radiasi bolak-balik ing antarmuka lan ora mumbul vertikal. Dheweke ujar kanthi sopan manawa ora ana "sing bisa nemokake ide iki." Nyatane, desain Hall ing intine minangka kebeneran sing bathi amarga bahan semikonduktor sing mbentuk gelombang uga duwe properti kanggo matesi operator bipolar sekaligus. Yen ora, sampeyan ora bisa ngerteni laser semikonduktor. Kanthi nggunakake bahan semikonduktor sing ora padha, slabguide slab bisa dibentuk kanggo tumpang tindih fotone karo operator.
Demo awal ing General Electric minangka terobosan utama. Nanging, laser kasebut adoh saka piranti praktis. Kanggo ningkatake laser semikonduktor daya tinggi, gabungan teknologi sing beda kudu diwujudake. Inovasi teknologi utama diwiwiti kanthi pangerten babagan bahan semikonduktor bandgap langsung lan teknik pertumbuhan kristal.
Pangembangan mengko kalebu panemuan laser heterojunction dobel lan pangembangan laser sumur kuantum sabanjure. Kunci kanggo ningkatake teknologi inti kasebut utamane yaiku peningkatan efisiensi lan pangembangan rongga rongga, disipasi panas, lan teknologi kemasan.
Padhang
Inovasi sajrone sawetara dekade kepungkur nggawe perbaikan sing apik. Utamane, paningkatan padhang sing apik banget. Ing taun 1985, laser semikonduktor listrik paling canggih bisa ngasilake 105 milliwatts tenaga dadi 105 serat inti mikron. Laser semikonduktor listrik paling canggih saiki bisa ngasilake luwih saka 250 watt serat 105-mikron kanthi dawane dawa - mundhak 10 kali lipat saben wolung taun.

Moore duwe "mbenakake komponen liyane menyang sirkuit terintegrasi" - mula, jumlah transistor saben chip mundhak 10 kali saben 7 taun. Semono uga, laser semikonduktor daya dhuwur ngemot luwih akeh foton menyang serat kanthi tingkat eksponensial sing padha (waca Gambar 1).

Gambar 1. Cahya laser semikonduktor daya dhuwur lan mbandhingake karo ukum Moore
Peningkatan padhang laser semikonduktor daya dhuwur wis ningkatake pangembangan macem-macem teknologi sing ora dikarepake. Sanajan terus-terusan gaya iki mbutuhake inovasi sing luwih akeh, nanging ana sebab manawa percaya manawa inovasi teknologi laser semikonduktor durung rampung. Fisika sing kondhang bisa luwih ningkatake kinerja laser semikonduktor liwat pangembangan teknologi sing terus-terusan.
Contone, media kuantum titik bisa nambah efisiensi dibandhingake karo piranti sumur kuantum saiki. Padhang sumbu alon-alon nawakake potensial peningkatan ukuran liyane. Bahan kemasan anyar kanthi pencocokan termal lan ekspansi sing apik bakal nyedhiyakake tambahan sing dibutuhake kanggo nyetel tenaga terus-terusan lan manajemen termal sing disederhanakake. Perkembangan utama kasebut bakal nyedhiyakake roadmap kanggo pangembangan laser semikonduktor daya dhuwur ing dekade kepungkur.
Laser solid-state-pump lan serat dioda
Pangapikan laser semikonduktor daya dhuwur ndadekake pangembangan teknologi laser hilir bisa ditindakake; ing teknologi laser hilir, laser semikonduktor digunakake kanggo nyenengake (pompa) kristal doped (laser solid state-pumped laser) utawa serat doped (laser serat).
Sanajan laser semikonduktor nyedhiyakake energi laser kanthi efisiensi tinggi, biaya murah, ana rong watesan utama: ora nyimpen energi lan padhange diwatesi. Sejatine, laser loro iki kudu digunakake kanggo akeh aplikasi: siji kanggo ngonversi listrik dadi emisi laser lan liyane kanggo nambah padhange emisi laser.
Laser negara solid pompa dioda. Ing pungkasan taun 1980an, panggunaan laser semikonduktor kanggo pompa laser negara solid mulai misuwur ing aplikasi komersial. Laser solid-state pump-diode (DPSSL) nyuda ukuran lan kerumitan sistem manajemen termal (utamane adaptasi ulang) lan entuk modul sing nggabungake lampu busur kanggo mompa kristal laser solid state.
Panjang gelombang laser semikonduktor dipilih adhedhasar tumpang tindih karo sifat penyerapan spektral saka medium gain laser solid-state; beban panas suda banget dibandhingake karo spektrum emisi pita lebar saka lampu busur. Amarga popularitas laser adhedhasar germanium 1064 nm, dawa gelombang pompa 808 nm dadi dawa gelombang paling gedhe ing laser semikonduktor luwih saka 20 taun.
Kanthi nambah padhange laser semikonduktor multimode lan kemampuan kanggo nyetabilake jembar garis emitor sing sempit kanthi volume Bragg gratings (VBGs) ing pertengahan taun 2000, efisiensi pamompa dioda generasi kaping loro bisa digayuh. Fitur panyerepan sing ringkih lan spektral sempit udakara 880 nm wis dadi titik panas kanggo dioda pompa padhang. Dioda kasebut bisa entuk stabilitas spektral. Laser performa sing luwih dhuwur iki bisa langsung narik laser ing level 4F3 / 2 ing ndhuwur silikon, nyuda cacat kuantum, saengga bisa nambah ekstraksi mode dhasar rata-rata sing luwih dhuwur sing bakal diwatesi karo lensa termal.
Ing wiwitan taun 2010, kita wis nyekseni tren skala skala daya laser single-cross-mode 1064nm lan seri laser konversi frekuensi sing gegandhengan sing digunakake ing pita sing katon lan ultraviolet. Amarga umur negara sing luwih dhuwur energi Nd: YAG lan Nd: YVO4, operasi switching DPSSL Q iki nyedhiyakake energi pulsa sing dhuwur lan tenaga puncak, dadi cocog kanggo ngolah material ablatif lan aplikasi micromachining presisi tinggi.
laser serat optik. Laser serat nyedhiyakake cara sing luwih efisien kanggo ngowahi padhange laser semikonduktor daya dhuwur. Sanajan optik-multiplex panjang gelombang bisa ngonversi laser semikonduktor sing cukup entheng dadi laser semikonduktor sing luwih cerah, iki mbebayani kanggo nambah lebar spektral lan kerumitan optomekanik. Laser serat kabukten efektif banget ing konversi fotometrik.
Serat klambi kaping pindho sing diluncurake ing taun 1990-an nggunakake serat mode siji sing diubengi klambi multimode, supaya laser sing dipompa tenaga multimode kanthi biaya sing luwih murah bisa disuntikake kanthi efektif menyang serat, nggawe cara sing luwih ekonomi kanggo ngowahi laser semikonduktor daya dhuwur dadi laser sing luwih cerah. Kanggo serat dopamin ytterbium (Yb), pompa kasebut ngasilake penyerapan sing wiyar pusaté ing 915 nm utawa fitur pita sempit udakara 976 nm. Nalika dawa gelombang pompa nyedhaki dawa gelombang laser serat, cacat sing diarani kuantum dikurangi, mula bisa nggedhekake efisiensi lan minimalake jumlah disipasi panas.
Laser serat lan laser solid state-pumped diode gumantung saka perbaikan kecerahan laser diode. Umume, nalika padhang laser diode terus saya apik, proporsi tenaga laser sing dipompa uga saya tambah. Cahya laser semikonduktor sing nambah nambah konversi padhang sing luwih efisien.
Kaya sing diarepake, padhang spasial lan spektral bakal dibutuhake kanggo sistem mbesuk, sing bakal nyebabake pompa cacat kuantum kurang kanthi karakteristik penyerapan sempit ing laser negara padhet lan multiplexing dawa gelombang sing padhet kanggo aplikasi laser semikonduktor langsung. Rencana kasebut bisa ditindakake.
Pasar lan Aplikasi
Pangembangan laser semikonduktor daya dhuwur bisa nggawe akeh aplikasi penting. Laser kasebut wis ngganti akeh teknologi tradisional lan ngetrapake kategori produk anyar.
Kanthi kenaikan biaya lan kinerja 10 kali lipat saben dasawarsa, laser semikonduktor daya dhuwur ngganggu operasi normal pasar kanthi cara sing ora bisa ditebak. Sanajan angel kanggo prédhiksi aplikasi mbesuk kanthi akurat, penting banget kanggo nyemak riwayat pangembangan sajrone telung dasawarsa kepungkur lan menehi kemungkinan kerangka kerja kanggo pengembangan dasawarsa sabanjure (waca Gambar 2).

Gambar 2. Aplikasi bahan bakar padhang laser semikonduktor daya dhuwur (biaya standarisasi saben kecerahan watt)
1980-an: Panyimpenan optik lan aplikasi ceruk awal. Panyimpenan optik minangka aplikasi skala besar pisanan ing industri laser semikonduktor. Ora suwe sawise Hall pisanan nuduhake laser semikonduktor inframerah, General Electrics Nick Holonyak uga nuduhake laser semikonduktor abang sing pisanan katon. Rong puluh taun sabanjure, cakram kompak (CD) dikenalake menyang pasar, banjur pasar panyimpenan optik.
Inovasi teknologi laser semikonduktor terus-terusan nyebabake pangembangan teknologi panyimpenan optik kayata disk serbaguna digital (DVD) lan Blu-ray Disc (BD). Iki minangka pasar gedhe pertama kanggo laser semikonduktor, nanging umume level tenaga sing murah mbatesi aplikasi liyane menyang pasar ceruk sing cukup cilik kayata percetakan termal, aplikasi medis, lan aplikasi pertahanan aerospace lan pertahanan.
Taun 1990an: Jaringan optik saiki ana. Ing taun 1990-an, laser semikonduktor dadi kunci jaringan komunikasi. Laser semikonduktor digunakake kanggo ngirim sinyal liwat jaringan serat optik, nanging laser pump mode mode tunggal sing luwih dhuwur kanggo ampli optik penting banget kanggo nggayuh skala jaringan optik lan nyengkuyung kanthi bener data Internet.
Ledakan industri telekomunikasi sing digawa maju banget, njupuk Spectra Diode Labs (SDL), salah sawijining pionir pertama ing industri laser semikonduktor daya dhuwur kayata. Didhisiki ing taun 1983, SDL minangka usaha patungan antarane merek laser Grup Newport Spectra-Physics lan Xerox. Diluncurake ing taun 1995 kanthi kapitalisasi udakara $ 100 yuta. Limang taun mengko, SDL didol menyang JDSU luwih saka $ 40 milyar sajrone puncak industri telekomunikasi, salah sawijining akuisisi teknologi paling gedhe ing sejarah. Ora suwe, gelembung telekomunikasi pecah lan ngrusak modal trilyunan dolar, saiki katon minangka gelembung paling gedhe ing sejarah.
2000-an: Laser dadi alat. Sanajan bledosan gelembung pasar telekomunikasi banget ngrusak, investasi gedhe ing laser semikonduktor daya dhuwur wis madegake dhasar kanggo adopsi sing luwih akeh. Minangka peningkatan kinerja lan biaya, laser kasebut wiwit ngganti laser gas tradisional utawa sumber konversi energi liyane ing macem-macem proses.
Laser semikonduktor wis dadi alat sing akeh digunakake. Aplikasi industri kalebu saka proses pabrikan tradisional kayata nglereni lan solder nganti teknologi pabrikan anyar kayata manufaktur aditif saka bagean logam cetak 3D. Aplikasi pabrik mikro luwih macem-macem, amarga produk utama kayata smartphone wis dikomersialake karo laser kasebut. Aplikasi aeroangkasa lan pertahanan kalebu macem-macem aplikasi kritis lan bisa uga kalebu sistem energi arah generasi sabanjure ing mbesuk.
kanggo nyimpulake
Luwih saka 50 taun kepungkur, Moore ora ngusulake undang-undang fisika dhasar sing anyar, nanging nambah perbaikan sirkuit integral sing pisanan ditliti sepuluh taun kepungkur. Ramalan kasebut suwene wis puluhan taun lan nggawa serangkaian inovasi ngganggu sing ora bisa dipikirake ing taun 1965.
Nalika Hall nampilake laser semikonduktor luwih saka 50 taun kepungkur, iki nyebabake revolusi teknologi. Kaya Undhang-undhang Moore, ora ana sing bisa prédhiksi pangembangan kanthi cepet yen laser semikonduktor intensitas dhuwur sing ditindakake kanthi pirang-pirang inovasi sabanjure bakal ditindakake.
Ora ana aturan dhasar ing fisika kanggo ngontrol perbaikan teknologi kasebut, nanging kemajuan teknologi sing terus-terusan bisa ningkatake laser ing babagan kecerahan. Tren iki bakal terus ngganti teknologi tradisional, saengga bisa ngganti cara pangembangan. Luwih penting kanggo pertumbuhan ekonomi, laser semikonduktor daya dhuwur uga bakal ningkatake kedadeyan anyar.