Жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің өткені мен болашағы

Тиімділік пен қуат арта берген сайын, лазерлік диодтар дәстүрлі технологияларды алмастыруды жалғастырады, заттарды өңдеу тәсілін өзгертеді және жаңа заттардың дүниеге келуін ынталандырады.
Дәстүрлі түрде экономистер технологиялық прогресс біртіндеп жүретін процесс деп санайды. Жақында сала үзілістерді тудыруы мүмкін бұзушы инновацияларға көбірек назар аударды. Жалпы мақсаттағы технологиялар (GPTs) деп аталатын бұл инновациялар «экономиканың көптеген аспектілеріне үлкен әсер етуі мүмкін терең жаңа идеялар немесе технологиялар» болып табылады. Жалпы технологияны әзірлеу үшін әдетте бірнеше ондаған жылдар қажет және одан да ұзақ уақыт өнімділіктің артуына әкеледі. Бастапқыда оларды жақсы түсінбеді. Технология коммерцияланғаннан кейін де өндірісті қабылдауда ұзақ мерзімді артта қалу болды. Интегралды схемалар жақсы мысал болып табылады. Транзисторлар алғаш рет 20 ғасырдың басында пайда болды, бірақ олар кешке дейін кеңінен қолданылды.
Мур заңының негізін қалаушылардың бірі Гордон Мур 1965 жылы жартылай өткізгіштер жылдамырақ дамып, «электрониканың танымалдылығын арттырып, бұл ғылымды көптеген жаңа салаларға итермелейді» деп болжаған. Өзінің батыл және күтпеген дәл болжамдарына қарамастан, ол өнімділік пен экономикалық өсуге қол жеткізгенге дейін ондаған жылдар бойы үздіксіз жетілуден өтті.
Сол сияқты, жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің күрт дамуын түсіну шектеулі. 1962 жылы өнеркәсіп алғаш рет электрондарды лазерлерге түрлендіруді көрсетті, содан кейін электрондарды жоғары өнімді лазерлік процестерге түрлендіруді айтарлықтай жақсартуға әкелген бірқатар жетістіктер болды. Бұл жақсартулар бірқатар маңызды қолданбаларды, соның ішінде оптикалық сақтауды, оптикалық желіні және кең ауқымды өнеркәсіптік қолданбаларды қолдай алады.
Осы оқиғаларды және олар әкелген көптеген жақсартуларды еске түсіру экономиканың көптеген аспектілеріне көбірек және кеңірек әсер ету мүмкіндігін көрсетті. Шын мәнінде, жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің үздіксіз жетілдірілуімен маңызды қолданбалардың ауқымы артады және экономикалық өсуге терең әсер етеді.
Жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазер тарихы
1962 жылы 16 қыркүйекте General Electric компаниясынан Роберт Холл басқарған топ галлий арсенидінің (GaAs) жартылай өткізгіштерінің инфрақызыл сәулеленуін көрсетті, оларда «біртүрлі» интерференциялық үлгілері бар, когеренттілік Лазер – бірінші жартылай өткізгіш лазердің дүниеге келуі. Холл бастапқыда жартылай өткізгіш лазерді «ұзақ ату» деп есептеді, өйткені ол кездегі жарық диодтары өте тиімсіз болды. Сонымен бірге ол бұған да күмәнмен қарады, өйткені екі жыл бұрын расталған және қазірдің өзінде бар лазер «жұқа айнаны» қажет етеді.
1962 жылдың жазында Галле MIT Линкольн зертханасы әзірлеген тиімдірек GaAs жарық шығаратын диодтарға таң қалғанын айтты. Кейіннен ол GaAs жоғары сапалы материалдарымен сынақтан өту бақытына ие болғанын және қуыс қалыптастыру үшін GaAs чиптерінің жиектерін жылтырату әдісін әзірлеу үшін әуесқой астроном ретінде тәжірибесін пайдаланғанын айтты.
Холлдың сәтті демонстрациясы тік секіруден гөрі радиацияның интерфейсінде алға және артқа серпілістердің дизайнына негізделген. Ол сыпайы түрде «бұл идеяны ешкімнің ойлап таппағанын» айтты. Шындығында, Холлдың дизайны шын мәнінде, толқын өткізгішін құрайтын жартылай өткізгіш материалдың бір уақытта биполярлық тасымалдаушыларды шектеу қасиетіне ие болуы бақытты сәйкестік. Әйтпесе, жартылай өткізгіш лазерді жүзеге асыру мүмкін емес. Бір-біріне ұқсамайтын жартылай өткізгіш материалдарды пайдалану арқылы фотондарды тасымалдаушылармен қабаттастыру үшін тақта толқынды өткізгішін құруға болады.
General Electric-тегі бұл алдын ала демонстрациялар үлкен жетістік болды. Дегенмен, бұл лазерлер практикалық құрылғылардан алыс. Жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің пайда болуына ықпал ету үшін әртүрлі технологияларды біріктіру жүзеге асырылуы керек. Негізгі технологиялық инновациялар тікелей жолақты жартылай өткізгіш материалдар мен кристалды өсіру әдістерін түсінуден басталды.
Кейінгі әзірлемелер қос гетерекоммуникациялық лазерлерді ойлап табуды және кванттық ұңғыма лазерлерінің кейінгі дамуын қамтиды. Бұл негізгі технологияларды одан әрі жетілдірудің кілті тиімділікті арттыруда және қуысты пассивациялау, жылуды тарату және орау технологиясын дамытуда жатыр.
Жарықтық
Соңғы бірнеше онжылдықтардағы инновациялар керемет жақсартулар әкелді. Атап айтқанда, жарықтықты жақсарту өте жақсы. 1985 жылы ең заманауи жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазер 105 милливатт қуатты 105 микрон ядролық талшыққа біріктіре алды. Ең жетілдірілген жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлер енді бір толқын ұзындығымен 250 Вт-тан астам 105 микрон талшықты шығара алады - әрбір сегіз жыл сайын 10 есе өседі.

Мур «интегралдық схемаға көбірек компоненттерді бекітуді» ойлады - содан кейін микросхемадағы транзисторлар саны әр 7 жыл сайын 10 есеге өсті. Кездейсоқ, жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлер талшыққа ұқсас экспоненциалды жылдамдықпен көбірек фотондарды қосады (1-суретті қараңыз).

Сурет 1. Жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің жарықтығы және Мур заңымен салыстыру
Жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің жарықтығын жақсарту әртүрлі күтпеген технологиялардың дамуына ықпал етті. Бұл тенденцияның жалғасуы көбірек жаңашылдықты қажет еткенімен, жартылай өткізгіш лазерлік технологияның инновациясы аяқталмай қалды деуге негіз бар. Белгілі физика үздіксіз технологиялық даму арқылы жартылай өткізгіш лазерлердің өнімділігін одан әрі жақсарта алады.
Мысалы, кванттық нүктелерді күшейту ортасы қазіргі кванттық ұңғыма құрылғыларымен салыстырғанда тиімділікті айтарлықтай арттыра алады. Баяу осьтің жарықтығы басқа жақсарту тәртібін ұсынады. Жақсартылған термиялық және кеңейту сәйкестігі бар жаңа орау материалдары үздіксіз қуатты реттеу және оңайлатылған жылуды басқару үшін қажетті жақсартуларды қамтамасыз етеді. Бұл негізгі әзірлемелер алдағы онжылдықтарда жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлерді дамытудың жол картасын қамтамасыз етеді.
Диодпен айдалатын қатты күйдегі және талшықты лазерлер
Жоғары қуатты жартылай өткізгішті лазерлердегі жақсартулар төмен ағынды лазерлік технологияларды дамытуға мүмкіндік берді; төмен ағынды лазерлік технологияларда жартылай өткізгіш лазерлер қоспаланған кристалдарды (диодпен айдалатын қатты күйдегі лазерлер) немесе қоспаланған талшықтарды (талшықты лазерлер) қоздыру (сорғылау) үшін қолданылады.
Жартылай өткізгішті лазерлер жоғары тиімділікті, арзан лазер энергиясын қамтамасыз еткенімен, екі негізгі шектеулер бар: олар энергияны сақтамайды және олардың жарықтығы шектеулі. Негізінен бұл екі лазерді көптеген қолданбалар үшін пайдалану қажет: бірі электр энергиясын лазерлік сәулеленуге түрлендіру үшін, екіншісі лазер сәулеленуінің жарықтығын арттыру үшін.
Диодпен айдалатын қатты күйдегі лазерлер. 1980 жылдардың соңында қатты күйдегі лазерлерді айдау үшін жартылай өткізгіш лазерлерді пайдалану коммерциялық қолданбаларда танымал бола бастады. Диодпен айдалатын қатты күйдегі лазерлер (DPSSL) жылуды басқару жүйелерінің (негізінен циркуляциялық салқындатқыштар) өлшемі мен күрделілігін айтарлықтай азайтады және қатты күйдегі лазер кристалдарын айдау үшін тарихи біріктірілген доға шамдары бар модульдерді алады.
Жартылай өткізгішті лазерлердің толқын ұзындығы олардың қатты күйдегі лазерлік күшейту ортасының спектрлік жұтылу қасиеттерімен қабаттасуы негізінде таңдалады; доғалық шамның кең жолақты сәулелену спектрімен салыстырғанда жылу жүктемесі айтарлықтай төмендейді. 1064 нм германий негізіндегі лазерлердің танымалдылығына байланысты 808 нм сорғы толқын ұзындығы 20 жылдан астам жартылай өткізгіш лазерлердегі ең үлкен толқын ұзындығына айналды.
2000 жылдың ортасында мультимодалы жартылай өткізгіш лазерлердің жарықтылығының жоғарылауымен және тар эмитент желісінің енін көлемді Bragg торларымен (VBGs) тұрақтандыру мүмкіндігімен 2000 жылдың ортасында жақсартылған диодты айдау тиімділігінің екінші буынына қол жеткізілді. 880 нм шамасында әлсіз және спектрлік тар жұту мүмкіндіктері жоғары жарықтығы сорғы диодтары үшін ыстық нүктелерге айналды. Бұл диодтар спектрлік тұрақтылыққа қол жеткізе алады. Бұл жоғары өнімді лазерлер лазердің кремнийдегі 4F3/2 жоғарғы деңгейін тікелей қоздырады, кванттық ақауларды азайтады, осылайша термиялық линзалармен шектелетін жоғары орташа негізгі режимдердің алынуын жақсартады.
2010 жылдың басына қарай біз 1064 нм бір кросс-режимді лазердің және көрінетін және ультракүлгін жолақтарда жұмыс істейтін жиілікті түрлендіру лазерлерінің сәйкес сериясының жоғары қуатты масштабтау үрдісінің куәсі болдық. Nd:YAG және Nd:YVO4 жоғары энергия күйінің қызмет ету мерзімі ұзағырақ болғандықтан, бұл DPSSL Q коммутация операциялары жоғары импульстік энергия мен ең жоғары қуатты қамтамасыз етеді, бұл оларды абляциялық материалды өңдеу және жоғары дәлдіктегі микро өңдеу қолданбалары үшін өте қолайлы етеді.
талшықты-оптикалық лазер. Талшықты лазерлер жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің жарықтығын түрлендірудің тиімді әдісін қамтамасыз етеді. Толқын ұзындығының мультиплексирленген оптикасы салыстырмалы түрде төмен жарықтығы бар жартылай өткізгіш лазерді жарқыраған жартылай өткізгіш лазерге айналдыра алатынына қарамастан, бұл спектрлік ені мен оптомеханикалық күрделіліктің жоғарылауы есебінен. Талшықты лазерлер әсіресе фотометриялық түрлендіруде тиімді екені дәлелденді.
1990-шы жылдары енгізілген қос қапталған талшықтар мультимодалы қаптамамен қоршалған бір режимді талшықтарды пайдаланады, бұл жоғары қуатты, арзан көпмодты жартылай өткізгішпен айдалатын лазерлерді талшыққа тиімді енгізуге мүмкіндік береді, бұл талшықты түрлендірудің үнемді әдісін жасайды. жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерді жарқынырақ лазерге айналдырады. Итербий (Yb) легирленген талшықтар үшін сорғы 915 нм ортада орналасқан кең жұтылуды немесе 976 нм айналасындағы тар жолақ ерекшелігін қоздырады. Сорғы толқын ұзындығы талшықты лазердің толқын ұзындығына жақындаған сайын, кванттық ақаулар деп аталатындар азаяды, осылайша тиімділікті жоғарылатады және жылуды тарату мөлшерін азайтады.
Талшықты лазерлер де, диодпен айдалатын қатты күйдегі лазерлер де диод лазерінің жарықтығын жақсартуға негізделген. Жалпы, диодтық лазерлердің жарықтығы жақсарған сайын, олар соратын лазер қуатының үлесі де артып келеді. Жартылай өткізгішті лазерлердің жоғары жарықтығы жарықтылықты тиімдірек түрлендіруді жеңілдетеді.
Біз күткендей, кеңістіктік және спектрлік жарықтық болашақ жүйелер үшін қажет болады, бұл қатты күйдегі лазерлерде тар сіңіру сипаттамалары бар төмен кванттық ақауларды айдауға және тікелей жартылай өткізгіш лазерлік қолданбалар үшін тығыз толқын ұзындығын мультиплексирлеуге мүмкіндік береді. Жоспар мүмкін болады.
Нарық және қолдану
Жоғары қуатты жартылай өткізгішті лазерлердің дамуы көптеген маңызды қолданбаларға мүмкіндік берді. Бұл лазерлер көптеген дәстүрлі технологияларды ауыстырды және жаңа өнім санаттарын енгізді.
Онжылдықта құны мен өнімділігінің 10 есе артуымен жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлер нарықтың қалыпты жұмысын болжау мүмкін емес жолдармен бұзады. Болашақ қосымшаларды дәл болжау қиын болса да, соңғы үш онжылдықтағы даму тарихын қарастыру және келесі онжылдықтың дамуы үшін негіздік мүмкіндіктерді қамтамасыз ету өте маңызды (2-суретті қараңыз).

Сурет 2. Жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлік жарықтылық отын қолдану (бір ватт жарықтық үшін стандарттау құны)
1980 жылдар: Оптикалық сақтау және бастапқы тауаша қолданбалары. Оптикалық сақтау жартылай өткізгіш лазерлік өнеркәсібіндегі бірінші ауқымды қолданба болып табылады. Холл алғаш рет инфрақызыл жартылай өткізгіш лазерді көрсеткеннен кейін көп ұзамай General Electrics Ник Холоняк алғашқы көрінетін қызыл жартылай өткізгіш лазерді де көрсетті. Жиырма жылдан кейін нарыққа компакт-дискілер (CD), содан кейін оптикалық сақтау нарығы пайда болды.
Жартылай өткізгішті лазерлік технологияның тұрақты инновациялары сандық әмбебап диск (DVD) және Blu-ray дискі (BD) сияқты оптикалық сақтау технологияларының дамуына әкелді. Бұл жартылай өткізгіш лазерлердің алғашқы үлкен нарығы, бірақ әдетте қарапайым қуат деңгейлері басқа қолданбаларды термикалық басып шығару, медициналық қолданбалар және таңдалған аэроғарыштық және қорғаныс қолданбалары сияқты салыстырмалы түрде шағын нарықтарға шектейді.
1990 жылдар: Оптикалық желілер басым. 1990 жылдары жартылай өткізгіш лазерлер байланыс желілерінің кілті болды. Жартылай өткізгішті лазерлер талшықты-оптикалық желілер арқылы сигналдарды жіберу үшін пайдаланылады, бірақ оптикалық күшейткіштерге арналған жоғары қуатты бір режимді сорғы лазерлері оптикалық желілердің масштабына жету және Интернет деректерінің өсуін шынымен қолдау үшін өте маңызды.
Ол әкелген телекоммуникация саласының серпіні кең ауқымды, мысал ретінде жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлік индустриядағы алғашқы пионерлердің бірі Spectra Diode Labs (SDL) алады. 1983 жылы негізі қаланған SDL Ньюпорт тобының Spectra-Physics және Xerox лазерлік брендтері арасындағы бірлескен кәсіпорын болып табылады. Ол 1995 жылы 100 миллион долларға жуық нарықтық капитализациясымен іске қосылды. Бес жылдан кейін SDL телекоммуникация индустриясының шыңы кезінде JDSU-ға 40 миллиард доллардан астам бағаға сатылды, бұл тарихтағы ең үлкен технология сатып алуларының бірі. Көп ұзамай телекоммуникациялық көпіршік жарылып, триллиондаған доллар капиталды жойып жіберді, қазір тарихтағы ең үлкен көпіршік болып саналады.
2000 жылдар: Лазерлер құралға айналды. Телекоммуникация нарығындағы көпіршіктің жарылуы өте жойқын болғанымен, жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлерге салынған орасан зор инвестиция кеңірек қабылдауға негіз қалады. Өнімділік пен құн өскен сайын бұл лазерлер әртүрлі процестерде дәстүрлі газ лазерлерін немесе басқа энергия түрлендіру көздерін алмастыра бастайды.
Жартылай өткізгіш лазерлер кеңінен қолданылатын құралға айналды. Өнеркәсіптік қолданбалар кесу және дәнекерлеу сияқты дәстүрлі өндіріс процестерінен бастап, 3D басып шығарылған металл бөлшектерін қосымша өндіру сияқты жаңа озық өндіріс технологияларына дейін. Микроөндіріс қолданбалары әртүрлі, өйткені смартфондар сияқты негізгі өнімдер осы лазерлермен коммерцияланған. Аэроғарыштық және қорғаныстық қолданбалар миссия үшін маңызды қолданбалардың кең ауқымын қамтиды және болашақта келесі буынның бағытталған энергия жүйелерін қамтуы мүмкін.
жинақтау 
50 жылдан астам бұрын Мур физиканың жаңа негізгі заңын ұсынбады, бірақ он жыл бұрын алғаш рет зерттелген интегралдық схемаларға үлкен жақсартулар жасады. Оның пайғамбарлығы ондаған жылдарға созылды және өзімен бірге 1965 жылы елестету мүмкін емес бірқатар бұзатын жаңалықтарды әкелді.
Холл 50 жылдан астам уақыт бұрын жартылай өткізгіш лазерлерді көрсеткенде, ол технологиялық революцияны тудырды. Мур заңындағы сияқты, көптеген инновациялар нәтижесінде қол жеткізілген жоғары қарқынды жартылай өткізгіш лазерлердің жоғары жылдамдықты дамуын ешкім болжай алмайды.
Физикада бұл технологиялық жетілдірулерді басқарудың іргелі ережесі жоқ, бірақ үздіксіз технологиялық прогресс лазерді жарықтық тұрғысынан алға жылжытуы мүмкін. Бұл үрдіс дәстүрлі технологияларды алмастыруды жалғастырады, осылайша заттардың даму тәсілін одан әрі өзгертеді. Экономикалық өсу үшін маңыздырақ, жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлер де жаңа нәрселердің дүниеге келуіне ықпал етеді.