Кәсіби білім

Жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің өткені мен болашағы

2021-04-12
Тиімділік пен қуат жоғарылаған сайын лазерлік диодтар дәстүрлі технологиялардың орнын басады, заттармен жұмыс істеу тәсілін өзгертеді және жаңа заттардың тууын ынталандырады.
Дәстүрлі түрде экономистер технологиялық прогресс біртіндеп жүретін процесс деп санайды. Жақында бұл сала үзіліс тудыратын инновацияларға көбірек көңіл бөлді. Жалпы мақсаттағы технологиялар (GPT) деп аталатын бұл инновациялар «экономиканың көптеген аспектілеріне үлкен әсер етуі мүмкін терең идеялар немесе технологиялар» болып табылады. Жалпы технологияның дамуы бірнеше онжылдықтарды алады, тіпті одан да көп уақыт өнімділіктің артуына әкеледі. Бастапқыда оларды жақсы түсінбеді. Технология коммерцияланғаннан кейін де, өндірісті қабылдауда ұзақ мерзімді кешігу болды. Интегралды схемалар жақсы мысал бола алады. Транзисторлар алғаш рет 20 ғасырдың басында енгізілді, бірақ олар кешке дейін кеңінен қолданылды.
Мур заңының негізін қалаушылардың бірі Гордон Мур 1965 жылы жартылай өткізгіштер тез қарқынмен дамиды деп болжап, «электрониканың танымалдылығын арттырады және бұл ғылымды көптеген жаңа салаларға итермелейді». Өзінің батыл және күтпеген дәл болжамдарына қарамастан, ол өнімділік пен экономикалық өсуге қол жеткізгенге дейін ондаған жылдар бойы үздіксіз жетілдіруден өтті.
Сол сияқты, жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің күрт дамуын түсіну шектеулі. 1962 жылы өнеркәсіп алдымен электрондардың лазерге айналуын көрсетті, содан кейін электрондардың жоғары өнімді лазерлік процестерге айналуының айтарлықтай жақсаруына алып келген бірқатар жетістіктер пайда болды. Бұл жақсартулар оптикалық сақтау, оптикалық желі және өндірістік қосымшалардың кең спектрін қоса, бірқатар маңызды қосымшаларды қолдай алады.
Осы оқиғалар мен олардың жарыққа шыққан көптеген жақсартуларын еске түсіру экономиканың көптеген аспектілеріне кеңірек және кеңірек әсер ету мүмкіндігін көрсетті. Шын мәнінде, жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлерді үнемі жетілдіріп отыру кезінде маңызды қолдану аясы ұлғаяды және экономикалық өсуге қатты әсер етеді.
Жартылай өткізгіштің жоғары қуатты лазерлік тарихы
1962 жылы 16 қыркүйекте General Electric Роберт Холл бастаған топ галерий арсенидінің (GaAs) жартылай өткізгіштерінің инфрақызыл сәулеленуін көрсетті, олар «таңқаларлық» интерференциялық заңдылықтарға ие, яғни когеренттілік Лазер - бірінші жартылай өткізгіш лазердің дүниеге келуін білдіреді. Холл бастапқыда жартылай өткізгіш лазерді «ұзақ соққы» деп есептеді, өйткені сол кезде жарық шығаратын диодтар өте тиімсіз болды. Сонымен бірге ол бұған күмәнмен қарады, өйткені екі жыл бұрын расталған және қазірдің өзінде бар лазер «жақсы айнаны» қажет етеді.
1962 жылдың жазында Галле MIT Линкольн зертханасында жасалған тиімдірек GaAs жарық шығаратын диодтары оны таң қалдырғанын айтты. Кейіннен ол кейбір жоғары сапалы GaAs материалдарымен тестілеу мүмкіндігі болғанын айтты және әуесқой астроном ретіндегі тәжірибесін қуыстарды қалыптастыру үшін GaAs чиптерінің шеттерін жылтырату әдісін ойлап тапты.
Холлдың сәтті демонстрациясы вертикалды секіруден гөрі интерфейстегі радиацияның алға-артқа секіруін жобалауға негізделген. Ол ешкім «бұл ойды кездейсоқ ойлап таппағанын» қарапайым айтты. Шындығында, Холлдың дизайны - бұл толқынды бағыттағышты құрайтын жартылай өткізгіш материалдың бір уақытта биполярлық тасымалдағыштарды шектеу қасиетіне ие болуының сәтті сәйкестігі. Әйтпесе, жартылай өткізгіш лазерді жүзеге асыру мүмкін емес. Ұқсас емес жартылай өткізгіш материалдарды қолдану арқылы фотондарды тасымалдаушылармен қабаттастыру үшін плиталық толқын өткізгіш құруға болады.
Дженерал Электриктегі бұл алдын-ала демонстрациялар үлкен жетістік болды. Алайда, бұл лазерлер практикалық құрылғылардан алыс. Жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің тууына ықпал ету үшін әр түрлі технологияларды біріктіру қажет. Негізгі технологиялық жаңалықтар тікелей өткізгішті жартылай өткізгіш материалдарды және кристалды өсіру техникасын түсінуден басталды.
Кейінгі әзірлемелер қос гетеро-функционалды лазерлерді ойлап табуды және кванттық ұңғыма лазерлерін одан әрі дамытуды қамтыды. Осы негізгі технологияларды одан әрі жетілдірудің кілті тиімділікті жоғарылату мен қуыстарды пассивтеу, жылу шығару және орау технологиясын дамыту болып табылады.
Жарықтық
Соңғы бірнеше онжылдықтағы инновациялар жақсартулар әкелді. Атап айтқанда, жарықтықты жақсарту өте жақсы. 1985 жылы ең жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазер 105 милливатт қуатты 105 мкм ядролық талшыққа біріктіре алды. Қазіргі кездегі ең қуатты жартылай өткізгіш лазерлер бір толқын ұзындығымен 250 ватт 105 мкм талшықты шығара алады - бұл сегіз жыл сайын 10 есе өседі.

Мур «интегралды микросхемаға көбірек компоненттерді бекітуді» ойластырды - содан кейін бір чипке транзисторлар саны әр 7 жылда 10 есеге артты. Кездейсоқ, жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлер ұқсас экспоненциалдық жылдамдықпен талшыққа көп фотондар қосады (1-суретті қараңыз).

Сурет 1. Жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің жарықтығы және Мур заңымен салыстыру
Жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің жарықтығын жақсарту әр түрлі күтпеген технологиялардың дамуына ықпал етті. Бұл тенденцияны жалғастыру көп жаңашылдықты қажет етсе де, жартылай өткізгішті лазерлік технологияның жаңалығы әлі аяқталған жоқ деп айтуға негіз бар. Белгілі физика үздіксіз технологиялық даму арқылы жартылай өткізгіш лазерлердің жұмысын одан әрі жақсарта алады.
Мысалы, кванттық нүкте алу ортасы тиімділікті қазіргі кванттық ұңғыма құрылғыларымен салыстырғанда едәуір арттыра алады. Баяу біліктің жарықтығы шаманы жақсартудың тағы бір ретін ұсынады. Жақсартылған жылу және кеңейту сәйкестігі бар жаңа орауыш материалдар қуатты үздіксіз реттеу және жылу басқаруды жеңілдету үшін қажетті жақсартуларды қамтамасыз етеді. Бұл негізгі әзірлемелер алдағы онжылдықтарда жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлерді дамытудың жол картасын ұсынады.
Диодпен айдалатын қатты күйдегі және талшықты лазерлер
Жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің жетілдірілуі төменгі лазерлік технологияларды дамытуға мүмкіндік берді; ағынды лазерлік технологияларда жартылай өткізгіш лазерлерді қосуға (сорғызуға) қоспаланған кристаллдарды (диодпен айдалатын қатты күйдегі лазерлер) немесе легирленген талшықтарды (талшық лазерлері) қолданады.
Жартылай өткізгіш лазерлер жоғары тиімділікке, арзан лазерлік энергияны қамтамасыз етсе де, екі негізгі шектеулер бар: олар энергияны сақтамайды және олардың жарықтығы шектеулі. Негізінен бұл екі лазерді көптеген қосымшалар үшін пайдалану қажет: біреуі электр энергиясын лазерлік сәулеленуге айналдыру үшін, ал екіншісі лазерлік сәулеленудің жарықтығын арттыру үшін.
Диодпен айдалатын қатты күйдегі лазерлер. 1980 жылдардың аяғында қатты денелік лазерлерді айдау үшін жартылай өткізгіш лазерлерді қолдану коммерциялық қосымшаларда танымал бола бастады. Диодпен айдалатын қатты күйдегі лазерлер (DPSSL) термиялық басқару жүйелерінің мөлшері мен күрделілігін едәуір төмендетеді (негізінен циркуляциялық салқындатқыштар) және қатты күйдегі лазерлік кристаллдарды айдау үшін доғалы лампалары тарихи түрде біріктірілген модульдерді алады.
Жартылай өткізгіш лазерлердің толқын ұзындығы олардың қатты күйдегі лазерлік күшейту ортасының спектрлік сіңіру қасиеттерімен қабаттасуы негізінде таңдалады; доғалық шамның кең диапазонды сәулелену спектрімен салыстырғанда жылу жүктемесі айтарлықтай төмендейді. 1064 нм германий негізіндегі лазерлердің танымал болуына байланысты 808 нм сорғының толқын ұзындығы жартылай өткізгіш лазерлердегі 20 жылдан астам уақыттағы ең үлкен толқын ұзындығына айналды.
2000 ж. Ортасында мультимодальды жартылай өткізгіш лазерлердің жарықтылығының жоғарылауымен және тар Bragg торларымен (VBGs) тар эмиттер сызығының енін тұрақтандыру мүмкіндігімен жақсартылған диодты айдау тиімділігі екінші буынға қол жеткізілді. 880 нм-дегі әлсіз және спектрлік тар жұтылу ерекшеліктері жоғары жарық сорғысы диодтары үшін ыстық нүктеге айналды. Бұл диодтар спектрлік тұрақтылыққа қол жеткізе алады. Бұл жоғары өнімді лазерлер кремнийдегі лазердің жоғарғы деңгейіндегі 4F3 / 2-ді тікелей қоздырып, кванттық ақауларды азайта алады, осылайша термалды линзалармен шектелетін орташа орташа фундаментальды режимдерді шығаруды жақсартады.
2010 жылдың басында біз көрінетін және ультрафиолет диапазонында жұмыс істейтін жиіліктің конверсиялық лазерлерінің бір кросс-режимі 1064нм лазердің жоғары масштабтау тенденциясының куәсі болдық. Nd: YAG және Nd: YVO4 энергиясының ұзақ өмір сүру ұзақтығына байланысты, бұл DPSSL Q ауыстырып қосу операциялары импульстің жоғары қуатын және қуаттың максималды күшін қамтамасыз етеді, бұл оларды абстракциялық материалдарды өңдеу және жоғары дәлдіктегі микромеханикалық қосымшалар үшін өте ыңғайлы етеді.
талшықты-оптикалық лазер. Талшықты лазерлер жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің жарықтығын түрлендірудің тиімді әдісін ұсынады. Толқын ұзындығымен мультиплекстелген оптика салыстырмалы түрде аз жарықтығы бар жартылай өткізгіш лазерді жартылай өткізгіш лазерге айналдыра алса да, бұл спектрлік ені мен оптомеханикалық күрделіліктің жоғарылауына байланысты. Талшық лазерлері әсіресе фотометриялық түрлендіруде тиімді екендігі дәлелденді.
1990 жылдары енгізілген екі қабатты талшықтар көп режимді қаптамамен қоршалған бір режимді талшықтарды пайдаланады, бұл жоғары қуатты, арзан модульді жартылай өткізгішті лазерлерді талшыққа тиімді енгізуге мүмкіндік береді, конверсиялаудың экономикалық әдісі жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерге жарқын лазерге. Итербиум (Yb) қоспасы бар талшықтар үшін сорғы 915 нм-ге бағытталған кең сіңіруді немесе 976 нм-ге жуық тар диапазонды қоздырады. Сорғының толқын ұзындығы талшықты лазердің лазерлік толқын ұзындығына жақындаған кезде кванттық ақаулар азаяды, осылайша тиімділік максимумға жетеді және жылу бөліну мөлшері азаяды.
Талшықты лазерлер де, диодпен айдалатын қатты күйдегі лазерлер де диодтың лазерлік жарықтығын жақсартуға негізделген. Жалпы, диодты лазерлердің жарықтығы жақсарған сайын, олар айдайтын лазерлік қуат үлесі де артып келеді. Жартылай өткізгіш лазерлердің жарықтығының жоғарылауы жарықтықты тиімді түрлендіруге ықпал етеді.
Біз күткендей, болашақ жүйелер үшін кеңістіктік және спектрлік жарықтылық қажет болады, бұл қатты күйдегі лазерлерде жұтылуының тар сипаттамасымен кванттық ақауы аз соруға және тікелей жартылай өткізгішті лазерлік қолдану үшін тығыз толқын ұзындығымен мультиплекстеуге мүмкіндік береді. Жоспар мүмкін болады.
Нарық және қолдану
Жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің дамуы көптеген маңызды қосымшаларды жасауға мүмкіндік берді. Бұл лазерлер көптеген дәстүрлі технологияларды алмастырды және жаңа өнім санаттарын енгізді.
Онжылдықтағы шығындар мен өнімділіктің 10 есеге өсуімен, жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлер нарықтың қалыпты жұмысын болжамсыз тәсілдермен бұзады. Болашақ қосымшаларды нақты болжау қиын болса да, соңғы үш онжылдықтағы даму тарихына шолу жасау және келесі онжылдықты дамытудың негіздік мүмкіндіктерін ұсыну өте маңызды (2-суретті қараңыз).

2 сурет
1980 жылдар: Оптикалық сақтау және бастапқы қосымшалар. Оптикалық жинақ - бұл жартылай өткізгішті лазерлік индустриядағы алғашқы ауқымды қолдану. Холл алғаш рет инфрақызыл жартылай өткізгіш лазерді көрсеткеннен көп ұзамай, General Electrics Ник Холоняк алғашқы көрінетін қызыл жартылай өткізгіш лазерді де көрсетті. Жиырма жылдан кейін нарыққа ықшам дискілер (CD), содан кейін оптикалық сақтау нарығы ұсынылды.
Жартылай өткізгішті лазерлік технологияның үнемі жаңаруы сандық әмбебап диск (DVD) және Blu-ray Disc (BD) сияқты оптикалық сақтау технологиясының дамуына әкелді. Бұл жартылай өткізгіш лазерлердің алғашқы үлкен нарығы, бірақ әдетте қуаттың қарапайым деңгейлері басқа қосымшаларды салыстырмалы түрде шағын нарықтармен шектейді, мысалы термиялық басып шығару, медициналық қосымшалар және аэроғарыш пен қорғаныс бойынша таңдаулы қосымшалар.
1990 жылдар: Оптикалық желілер басым. 1990 жылдары жартылай өткізгіш лазерлер байланыс желілерінің кілті болды. Жартылай өткізгіштік лазерлер сигналдарды талшықты-оптикалық желілер арқылы беру үшін қолданылады, бірақ оптикалық күшейткіштерге арналған жоғары қуатты бір режимді сорғы лазерлері оптикалық желілер масштабына жету үшін маңызды және Интернет деректерінің өсуіне нақты қолдау көрсетеді.
Телекоммуникация индустриясының өркендеуі өте жоғары, мысалы, жоғары қуатты жартылай өткізгішті лазер индустриясының алғашқы бастаушыларының бірі болып табылатын Spectra Diode Labs (SDL). 1983 жылы құрылған SDL Newport Group компаниясының лазерлік брендтері Spectra-Physics және Xerox бірлескен кәсіпорны болып табылады. Ол 1995 жылы нарық капитализациясы шамамен 100 миллион доллармен іске қосылды. Бес жылдан кейін SDL JDSU-ға телекоммуникация индустриясының шыңы кезінде 40 миллиардтан астам долларға сатылды, бұл тарихтағы ең ірі технологияларды сатып алудың бірі. Көп ұзамай телекоммуникация көпіршігі жарылып, триллиондаған капиталды жойып жіберді, бұл қазір тарихтағы ең үлкен көпіршік ретінде қарастырылды.
2000 жылдар: Лазерлер құрал болды. Телекоммуникация нарығындағы көпіршіктің жарылуы өте жойқын болғанымен, үлкен қуатты жартылай өткізгіш лазерлерге салынған үлкен инвестиция кеңірек қабылдауға негіз салды. Өнімділік пен шығындардың жоғарылауына байланысты бұл лазерлер әртүрлі процестерде дәстүрлі газ лазерлерін немесе басқа энергия түрлендіру көздерін алмастыра бастайды.
Жартылай өткізгіш лазерлер кеңінен қолданылатын құралға айналды. Өнеркәсіптік қолдану дәстүрлі өндіріс процестерінен, мысалы, кесу және дәнекерлеу процестерінен бастап, 3D басылған метал бөлшектерін қоспалармен өңдеу сияқты жаңа озық өндіріс технологияларына дейін. Микроөндірістік қосымшалар әр түрлі, өйткені смартфондар сияқты негізгі өнімдер осы лазерлермен коммерцияланған. Аэроғарыш пен қорғаныс саласындағы қосымшалар маңызды міндеттердің кең спектрін қамтиды және болашақта жаңа буынға бағытталған энергия жүйелерін қамтуы мүмкін.
жинақтау
50 жылдан астам уақыт бұрын Мур физиканың жаңа негізгі заңын ұсынған жоқ, бірақ он жыл бұрын алғаш зерттелген интегралдық микросхемаларға үлкен жақсартулар жасады. Оның пайғамбарлығы ондаған жылдарға созылды және 1965 жылы ойға келмейтін бірқатар бұзушылықтар әкелді.
Холл жартылай өткізгіш лазерлерді 50 жылдан астам уақыт көрсеткенде, бұл технологиялық төңкерісті тудырды. Мур заңында сияқты, көптеген инновациялар нәтижесінде қол жеткізілген жоғары қарқындылығы бар жартылай өткізгіш лазерлердің жоғары жылдамдықты дамуын ешкім болжай алмайды.
Физикада осы технологиялық жетілдірулерді бақылауға арналған негізгі ереже жоқ, бірақ үздіксіз технологиялық жетістік лазерді жарықтығы бойынша ілгерілетуі мүмкін. Бұл үрдіс дәстүрлі технологияларды алмастыра береді, осылайша дамудың жолдары одан әрі өзгереді. Экономикалық өсу үшін аса маңызды, жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлер жаңа заттардың тууына ықпал етеді.