Det förflutna och framtiden för högeffekts halvledarlasrar

När effektiviteten och kraften fortsätter att öka kommer laserdioder att fortsätta att ersätta traditionell teknik, förändra hur saker hanteras och stimulera födelsen av nya saker.
Traditionellt tror ekonomer att tekniska framsteg är en gradvis process. På senare tid har branschen fokuserat mer på disruptiv innovation som kan orsaka diskontinuiteter. Dessa innovationer, så kallade generella teknologier (GPT), är "djupa nya idéer eller teknologier som kan ha en stor inverkan på många aspekter av ekonomin." Generell teknik tar vanligtvis flera decennier att utveckla, och ännu längre kommer att medföra en ökning av produktiviteten. Till en början var de inte väl förstådda. Även efter att tekniken kommersialiserats fanns det en långvarig eftersläpning i produktionsantagandet. Integrerade kretsar är ett bra exempel. Transistorer introducerades först i början av 1900-talet, men de användes flitigt till sent på kvällen.
En av grundarna av Moores lag, Gordon Moore, förutspådde 1965 att halvledare kommer att utvecklas i en snabbare takt, "att föra elektronikens popularitet och driva denna vetenskap till många nya områden." Trots hans djärva och oväntat korrekta förutsägelser har han genomgått årtionden av kontinuerliga förbättringar innan han uppnått produktivitet och ekonomisk tillväxt.
På samma sätt är förståelsen för den dramatiska utvecklingen av högeffekthalvledarlasrar begränsad. År 1962 demonstrerade industrin för första gången omvandlingen av elektroner till lasrar, följt av ett antal framsteg som har lett till betydande förbättringar i omvandlingen av elektroner till högavkastande laserprocesser. Dessa förbättringar kan stödja en rad viktiga tillämpningar, inklusive optisk lagring, optiska nätverk och ett brett utbud av industriella tillämpningar.
Genom att påminna om denna utveckling och de många förbättringar som de har fört fram har det belyst möjligheten av större och mer utbredd påverkan på många aspekter av ekonomin. Faktum är att med den kontinuerliga förbättringen av högeffekts halvledarlasrar kommer omfattningen av viktiga tillämpningar att öka och ha en djupgående inverkan på ekonomisk tillväxt.
Högeffekts halvledarlaserhistoria
Den 16 september 1962 demonstrerade ett team ledd av General Electrics Robert Hall den infraröda emissionen av galliumarsenid (GaAs) halvledare, som har "märkliga" interferensmönster, vilket betyder koherenslaser - födelsen av den första halvledarlasern. Hall trodde till en början att halvledarlasern var ett "långskott" eftersom de ljusemitterande dioderna vid den tiden var mycket ineffektiva. Samtidigt var han också skeptisk till detta eftersom lasern som hade bekräftats för två år sedan och redan finns kräver en "fin spegel".
Sommaren 1962 sa Halle att han blev chockad av de mer effektiva GaAs-ljusemitterande dioderna som utvecklats av MIT Lincoln Laboratory. Därefter sa han att han hade turen att kunna testa med några högkvalitativa GaAs-material och använde sin erfarenhet som amatörastronom för att utveckla ett sätt att polera kanterna på GaAs-chips för att bilda en kavitet.
Halls framgångsrika demonstration är baserad på designen av strålningsstudsar fram och tillbaka vid gränssnittet snarare än vertikala studsar. Han sa blygsamt att ingen "har råkat komma på den här idén". I själva verket är Halls design i huvudsak en lycklig slump att halvledarmaterialet som bildar vågledaren också har egenskapen att samtidigt begränsa bipolära bärare. Annars är det omöjligt att realisera en halvledarlaser. Genom att använda olika halvledarmaterial kan en platta vågledare formas för att överlappa fotoner med bärare.
Dessa preliminära demonstrationer vid General Electric var ett stort genombrott. Dessa lasrar är dock långt ifrån praktiska enheter. För att främja födelsen av högeffekts halvledarlasrar måste fusion av olika teknologier realiseras. Viktiga tekniska innovationer började med en förståelse för direkta bandgap-halvledarmaterial och tekniker för kristalltillväxt.
Senare utvecklingar inkluderade uppfinningen av dubbla heterojunction-lasrar och den efterföljande utvecklingen av kvantbrunnslasrar. Nyckeln till att ytterligare förbättra dessa kärnteknologier ligger i förbättringen av effektiviteten och utvecklingen av kavitetspassivering, värmeavledning och förpackningsteknik.
Ljusstyrka
Innovation under de senaste decennierna har medfört spännande förbättringar. I synnerhet är ljusstyrkan utmärkt. 1985 kunde den toppmoderna halvledarlasern med hög effekt koppla 105 milliwatt effekt till en 105 mikron kärnfiber. De mest avancerade halvledarlasrarna med hög effekt kan nu producera mer än 250 watt 105 mikron fiber med en enda våglängd – en tiofaldig ökning vart åttonde år.

Moore tänkte på att "fixa fler komponenter till den integrerade kretsen" - sedan ökade antalet transistorer per chip med 10 gånger vart sjunde år. Av en slump införlivar högeffekthalvledarlasrar fler fotoner i fibern med liknande exponentiella hastigheter (se figur 1).

Figur 1. Ljusstyrka hos högeffektiva halvledarlasrar och jämförelse med Moores lag
Förbättringen av ljusstyrkan hos halvledarlasrar med hög effekt har främjat utvecklingen av olika oförutsedda tekniker. Även om fortsättningen av denna trend kräver mer innovation, finns det anledning att tro att innovationen av halvledarlaserteknologi är långt ifrån fullbordad. Den välkända fysiken kan ytterligare förbättra prestandan hos halvledarlasrar genom kontinuerlig teknisk utveckling.
Till exempel kan quantum dot gain media avsevärt öka effektiviteten jämfört med nuvarande quantum well-enheter. Ljusstyrka med långsam axel erbjuder ytterligare en förbättringspotential. Nya förpackningsmaterial med förbättrad termisk och expansionsmatchning kommer att ge de förbättringar som behövs för kontinuerlig effektjustering och förenklad termisk hantering. Dessa nyckelutvecklingar kommer att tillhandahålla en färdplan för utvecklingen av högeffekts halvledarlasrar under de kommande decennierna.
Diodpumpade halvledar- och fiberlasrar
Förbättringar av högeffekts halvledarlasrar har gjort utvecklingen av nedströms laserteknik möjlig; i nedströms laserteknologier används halvledarlasrar för att excitera (pumpa) dopade kristaller (diodpumpade halvledarlasrar) eller dopade fibrer (fiberlasrar).
Även om halvledarlasrar ger högeffektiv, låg kostnad laserenergi, finns det två viktiga begränsningar: de lagrar inte energi och deras ljusstyrka är begränsad. I grund och botten behöver dessa två lasrar användas för många applikationer: en för att omvandla elektricitet till laseremission och den andra för att förbättra ljusstyrkan hos laseremissionen.
Diodpumpade halvledarlasrar. I slutet av 1980-talet började användningen av halvledarlasrar för att pumpa halvledarlasrar bli populär i kommersiella tillämpningar. Diodpumpade halvledarlasrar (DPSSL) reducerar avsevärt storleken och komplexiteten hos termiska ledningssystem (främst recirkulerande kylare) och erhåller moduler som har historiskt kombinerade båglampor för att pumpa solid-state laserkristaller.
Våglängderna för halvledarlasrarna väljs baserat på deras överlappning med de spektrala absorptionsegenskaperna hos halvledarlaserförstärkningsmediet; värmebelastningen reduceras avsevärt jämfört med ljusbågslampans bredbandiga emissionsspektrum. På grund av populariteten för 1064 nm germaniumbaserade lasrar har 808 nm pumpvåglängden blivit den största våglängden i halvledarlasrar på mer än 20 år.
Med ökningen av ljusstyrkan för multimode halvledarlasrar och förmågan att stabilisera den smala emitterlinjebredden med volym Bragg-gitter (VBGs) i mitten av 2000, uppnåddes den andra generationen av förbättrad diodpumpningseffektivitet. De svagare och spektralt smala absorptionsegenskaperna runt 880 nm har blivit hot spots för pumpdioder med hög ljusstyrka. Dessa dioder kan uppnå spektral stabilitet. Dessa lasrar med högre prestanda kan direkt excitera laserns övre nivå 4F3/2 i kisel, vilket minskar kvantdefekter och därigenom förbättra utvinningen av högre genomsnittliga grundlägen som annars skulle begränsas av termiska linser.
I början av 2010 har vi bevittnat skalningstrenden med hög effekt för 1064nm-lasern med singelkorsläge och tillhörande serier av frekvensomvandlingslasrar som arbetar i de synliga och ultravioletta banden. På grund av de längre livslängderna med hög energitillstånd för Nd:YAG och Nd:YVO4, ger dessa DPSSL Q-omkopplingsoperationer hög pulsenergi och toppeffekt, vilket gör dem idealiska för ablativ materialbearbetning och mikrobearbetningsapplikationer med hög precision.
fiberoptisk laser. Fiberlasrar ger ett mer effektivt sätt att omvandla ljusstyrkan hos högeffekts halvledarlasrar. Även om våglängdsmultiplexad optik kan omvandla en halvledarlaser med relativt låg luminans till en ljusare halvledarlaser, är detta på bekostnad av ökad spektral bredd och optomekanisk komplexitet. Fiberlasrar har visat sig vara särskilt effektiva vid fotometrisk omvandling.
De dubbelklädda fibrerna som introducerades på 1990-talet använder singelmodsfibrer omgivna av en multimodsbeklädnad, vilket gör det möjligt att effektivt injicera halvledarpumpade lasrar med högre effekt och lägre kostnad i fibern, vilket skapar ett mer ekonomiskt sätt att konvertera en hög effekt halvledarlaser till en ljusare laser. För ytterbium (Yb)-dopade fibrer exciterar pumpen en bred absorption centrerad vid 915 nm eller ett smalbandsdrag runt 976 nm. När pumpens våglängd närmar sig fiberlaserns lasrvåglängd reduceras så kallade kvantdefekter, vilket maximerar effektiviteten och minimerar mängden värmeavledning.
Både fiberlasrar och diodpumpade halvledarlasrar är beroende av förbättringar i diodlaserns ljusstyrka. I allmänhet, eftersom ljusstyrkan hos diodlasrar fortsätter att förbättras, ökar också andelen laserkraft som de pumpar. Den ökade ljusstyrkan hos halvledarlasrar underlättar en mer effektiv ljusstyrkekonvertering.
Som vi förväntar oss kommer rumslig och spektral ljusstyrka att vara nödvändig för framtida system, vilket kommer att möjliggöra pumpning med låga kvantdefekter med snäva absorptionsegenskaper i solid state-lasrar och tät våglängdsmultiplexering för direkta halvledarlaserapplikationer. Planen blir möjlig.
Marknad och tillämpning
Utvecklingen av halvledarlasrar med hög effekt har möjliggjort många viktiga tillämpningar. Dessa lasrar har ersatt många traditionella teknologier och har implementerat nya produktkategorier.
Med en 10-faldig ökning av kostnad och prestanda per decennium, stör halvledarlasrar med hög effekt marknadens normala funktion på oförutsägbara sätt. Även om det är svårt att exakt förutsäga framtida tillämpningar, är det mycket viktigt att granska utvecklingshistorien under de senaste tre decennierna och tillhandahålla rammöjligheter för utvecklingen av nästa decennium (se figur 2).

Figur 2. Högeffekts halvledarlaserljusstyrka bränsleapplikation (standardiseringskostnad per watt ljusstyrka)
1980-talet: Optisk lagring och initiala nischapplikationer. Optisk lagring är den första storskaliga applikationen inom halvledarlaserindustrin. Strax efter att Hall först visade den infraröda halvledarlasern visade General Electrics Nick Holonyak också den första synliga röda halvledarlasern. Tjugo år senare introducerades cd-skivor (CD) på marknaden, följt av marknaden för optisk lagring.
Den ständiga innovationen av halvledarlaserteknologi har lett till utvecklingen av optiska lagringsteknologier som digital versatile disc (DVD) och Blu-ray Disc (BD). Detta är den första stora marknaden för halvledarlasrar, men generellt sett begränsar blygsamma effektnivåer andra applikationer till relativt små nischmarknader som termiskt tryck, medicinska applikationer och utvalda flyg- och försvarstillämpningar.
1990-talet: Optiska nätverk råder. På 1990-talet blev halvledarlasrar nyckeln till kommunikationsnätverk. Halvledarlasrar används för att överföra signaler över fiberoptiska nätverk, men enkellägespumplasrar med högre effekt för optiska förstärkare är avgörande för att uppnå skala av optiska nätverk och verkligen stödja tillväxten av internetdata.
Den boom inom telekommunikationsindustrin som den har medfört är långtgående, med Spectra Diode Labs (SDL), en av de första pionjärerna inom högeffekthalvledarlaserindustrin som ett exempel. SDL grundades 1983 och är ett joint venture mellan Newport Groups lasermärken Spectra-Physics och Xerox. Det lanserades 1995 med ett börsvärde på cirka 100 miljoner dollar. Fem år senare såldes SDL till JDSU för mer än 40 miljarder dollar under telekombranschens topp, ett av de största teknikförvärven i historien. Strax efter sprack telekommunikationsbubblan och förstörde biljoner dollar av kapital, som nu ses som historiens största bubbla.
2000-talet: Lasrar blev ett verktyg. Även om sprängningen av bubblan på telekommunikationsmarknaden är extremt destruktiv, har den enorma investeringen i högeffekts halvledarlasrar lagt grunden för en bredare användning. När prestanda och kostnad ökar börjar dessa lasrar ersätta traditionella gaslasrar eller andra energiomvandlingskällor i en mängd olika processer.
Halvledarlasrar har blivit ett flitigt använt verktyg. Industriella applikationer sträcker sig från traditionella tillverkningsprocesser som skärning och lödning till nya avancerade tillverkningstekniker som additiv tillverkning av 3D-tryckta metalldelar. Tillämpningar för mikrotillverkning är mer olika, eftersom nyckelprodukter som smartphones har kommersialiserats med dessa lasrar. Flyg- och försvarsapplikationer involverar ett brett utbud av uppdragskritiska applikationer och kommer sannolikt att inkludera nästa generations riktade energisystem i framtiden.
För att sammanfatta 
För mer än 50 år sedan föreslog Moore ingen ny grundläggande fysiklag, utan gjorde stora förbättringar av de integrerade kretsar som först studerades för tio år sedan. Hans profetia varade i decennier och förde med sig en rad störande innovationer som var otänkbara 1965.
När Hall demonstrerade halvledarlasrar för mer än 50 år sedan utlöste det en teknisk revolution. Som med Moores lag kan ingen förutsäga den höghastighetsutveckling som högintensiva halvledarlasrar som uppnås genom ett stort antal innovationer senare kommer att genomgå.
Det finns ingen grundläggande regel inom fysiken för att kontrollera dessa tekniska förbättringar, men kontinuerliga tekniska framsteg kan förbättra lasern när det gäller ljusstyrka. Denna trend kommer att fortsätta att ersätta traditionella tekniker och därmed ytterligare förändra hur saker utvecklas. Viktigare för ekonomisk tillväxt, högeffekts halvledarlasrar kommer också att främja födelsen av nya saker.