Quá khứ và tương lai của laser bán dẫn công suất cao

Khi hiệu suất và công suất tiếp tục tăng lên, điốt laser sẽ tiếp tục thay thế các công nghệ truyền thống, thay đổi cách xử lý mọi thứ và kích thích sự ra đời của những thứ mới.
Theo truyền thống, các nhà kinh tế học tin rằng tiến bộ công nghệ là một quá trình dần dần. Gần đây, ngành công nghiệp này đã tập trung nhiều hơn vào sự đổi mới mang tính đột phá có thể gây ra sự gián đoạn. Những đổi mới này, được gọi là công nghệ mục đích chung (GPT), là "những ý tưởng hoặc công nghệ mới sâu sắc có thể có tác động lớn đến nhiều khía cạnh của nền kinh tế." Công nghệ chung thường mất vài thập kỷ để phát triển, và thậm chí lâu hơn sẽ làm tăng năng suất. Lúc đầu, họ không được hiểu rõ. Ngay cả sau khi công nghệ đã được thương mại hóa, vẫn có một độ trễ lâu dài trong việc áp dụng sản xuất. Các mạch tích hợp là một ví dụ điển hình. Các bóng bán dẫn lần đầu tiên được giới thiệu vào đầu thế kỷ 20, nhưng chúng được sử dụng rộng rãi cho đến tận tối muộn.
Một trong những người sáng lập Định luật Moore, Gordon Moore, đã dự đoán vào năm 1965 rằng chất bán dẫn sẽ phát triển với tốc độ nhanh hơn, "mang lại sự phổ biến của điện tử và thúc đẩy khoa học này sang nhiều lĩnh vực mới." Bất chấp những dự đoán táo bạo và chính xác đến không ngờ, ông đã trải qua nhiều thập kỷ cải tiến liên tục trước khi đạt được năng suất và tăng trưởng kinh tế.
Tương tự như vậy, sự hiểu biết về sự phát triển mạnh mẽ của laser bán dẫn công suất cao còn hạn chế. Năm 1962, ngành công nghiệp lần đầu tiên chứng minh sự chuyển đổi electron thành laser, sau đó là một số tiến bộ đã dẫn đến những cải tiến đáng kể trong việc chuyển đổi electron thành các quy trình laser năng suất cao. Những cải tiến này có thể hỗ trợ một loạt các ứng dụng quan trọng, bao gồm lưu trữ quang, mạng quang và một loạt các ứng dụng công nghiệp.
Nhớ lại những phát triển này và nhiều cải tiến mà chúng đã đưa ra ánh sáng đã làm nổi bật khả năng tác động lớn hơn và rộng rãi hơn đến nhiều khía cạnh của nền kinh tế. Trên thực tế, với sự cải tiến liên tục của laser bán dẫn công suất cao, phạm vi ứng dụng quan trọng sẽ ngày càng tăng và có tác động sâu sắc đến tăng trưởng kinh tế.
Lịch sử laser bán dẫn công suất cao
Vào ngày 16 tháng 9 năm 1962, một nhóm nghiên cứu do Robert Hall của General Electric dẫn đầu đã chứng minh sự phát xạ hồng ngoại của chất bán dẫn gallium arsenide (GaAs), có dạng giao thoa "kỳ lạ", có nghĩa là laser kết hợp - sự ra đời của laser bán dẫn đầu tiên. Ban đầu Hall tin rằng laser bán dẫn là một "cú sút xa" vì các điốt phát quang vào thời điểm đó rất kém hiệu quả. Đồng thời, ông cũng hoài nghi về điều này vì tia laser đã được xác nhận hai năm trước và đã tồn tại cần phải có một "tấm gương tốt".
Vào mùa hè năm 1962, Halle nói rằng ông đã bị sốc bởi điốt phát quang GaAs hiệu quả hơn do Phòng thí nghiệm MIT Lincoln phát triển. Sau đó, ông cho biết mình đã may mắn có thể thử nghiệm với một số vật liệu GaAs chất lượng cao và sử dụng kinh nghiệm của mình như một nhà thiên văn nghiệp dư để phát triển cách đánh bóng các cạnh của chip GaAs để tạo thành một khoang.
Sự trình diễn thành công của Hall dựa trên thiết kế của bức xạ dội lại tại giao diện chứ không phải phản xạ dọc. Ông khiêm tốn nói rằng chưa có ai "tình cờ nghĩ ra ý tưởng này." Trên thực tế, thiết kế của Hall về cơ bản là một sự trùng hợp may mắn khi vật liệu bán dẫn tạo thành ống dẫn sóng cũng có đặc tính hạn chế sóng mang lưỡng cực đồng thời. Nếu không, không thể nhận ra laze bán dẫn. Bằng cách sử dụng các vật liệu bán dẫn khác nhau, một ống dẫn sóng dạng phiến có thể được tạo ra để chồng các photon với các hạt tải điện.
Những cuộc biểu tình sơ bộ này tại General Electric là một bước đột phá lớn. Tuy nhiên, những tia laser này không phải là thiết bị thực tế. Để thúc đẩy sự ra đời của laser bán dẫn công suất cao, cần phải thực hiện hợp nhất các công nghệ khác nhau. Những đổi mới công nghệ quan trọng bắt đầu với sự hiểu biết về vật liệu bán dẫn bandgap trực tiếp và kỹ thuật tăng trưởng tinh thể.
Những phát triển sau đó bao gồm việc phát minh ra laser dị liên kết đôi và sự phát triển tiếp theo của laser giếng lượng tử. Chìa khóa để nâng cao hơn nữa các công nghệ cốt lõi này nằm ở việc cải thiện hiệu suất và phát triển công nghệ phân tán khoang, tản nhiệt và đóng gói.
độ sáng
Đổi mới trong vài thập kỷ qua đã mang lại những cải tiến thú vị. Đặc biệt, khả năng cải thiện độ sáng rất tuyệt vời. Năm 1985, laser bán dẫn công suất cao tiên tiến nhất có thể ghép công suất 105 miliwatt vào một sợi lõi 105 micron. Các laser bán dẫn công suất cao tiên tiến nhất hiện nay có thể tạo ra hơn 250 watt của sợi quang 105 micron với một bước sóng duy nhất - tăng gấp 10 lần sau mỗi tám năm.

Moore quan niệm "cố định nhiều linh kiện hơn vào mạch tích hợp" - khi đó, số lượng bóng bán dẫn trên mỗi chip tăng lên 10 lần sau mỗi 7 năm. Thật trùng hợp, laser bán dẫn công suất cao kết hợp nhiều photon hơn vào sợi quang với tốc độ hàm mũ tương tự (xem Hình 1).

Hình 1. Độ sáng của laser bán dẫn công suất cao và so sánh với định luật Moore
Sự cải thiện về độ sáng của laser bán dẫn công suất cao đã thúc đẩy sự phát triển của nhiều công nghệ không lường trước được. Mặc dù sự tiếp tục của xu hướng này đòi hỏi phải đổi mới nhiều hơn, nhưng có lý do để tin rằng sự đổi mới của công nghệ laser bán dẫn còn lâu mới hoàn thành. Vật lý nổi tiếng có thể cải thiện hơn nữa hiệu suất của laser bán dẫn thông qua sự phát triển công nghệ liên tục.
Ví dụ, phương tiện tăng ích chấm lượng tử có thể tăng hiệu quả đáng kể so với các thiết bị giếng lượng tử hiện tại. Độ sáng trục chậm cung cấp một thứ tự tiềm năng cải thiện độ lớn khác. Vật liệu đóng gói mới với khả năng kết hợp nhiệt và giãn nở được cải thiện sẽ cung cấp những cải tiến cần thiết cho việc điều chỉnh công suất liên tục và quản lý nhiệt được đơn giản hóa. Những phát triển quan trọng này sẽ cung cấp một lộ trình cho sự phát triển của laser bán dẫn công suất cao trong những thập kỷ tới.
Laser trạng thái rắn và sợi quang được bơm đi-ốt
Những cải tiến trong laser bán dẫn công suất cao đã làm cho sự phát triển của các công nghệ laser hạ nguồn trở nên khả thi; trong các công nghệ laser hạ nguồn, laser bán dẫn được sử dụng để kích thích (bơm) tinh thể pha tạp (laser trạng thái rắn được bơm đi-ốt) hoặc sợi pha tạp (laser sợi quang).
Mặc dù laser bán dẫn cung cấp năng lượng laser hiệu quả cao, chi phí thấp, nhưng có hai hạn chế chính: chúng không lưu trữ năng lượng và độ sáng của chúng bị hạn chế. Về cơ bản, hai loại laser này cần được sử dụng cho nhiều ứng dụng: một để chuyển đổi điện năng thành phát xạ laser và một để tăng cường độ sáng của phát xạ laser.
Laser trạng thái rắn được bơm đi-ốt. Vào cuối những năm 1980, việc sử dụng laser bán dẫn để bơm laser trạng thái rắn bắt đầu phổ biến trong các ứng dụng thương mại. Laser trạng thái rắn được bơm đi-ốt (DPSSL) làm giảm đáng kể kích thước và độ phức tạp của hệ thống quản lý nhiệt (chủ yếu là bộ làm mát tuần hoàn) và thu được các mô-đun đã kết hợp trước đây đèn hồ quang để bơm tinh thể laser trạng thái rắn.
Bước sóng của laser bán dẫn được lựa chọn dựa trên sự trùng lặp của chúng với các đặc tính hấp thụ phổ của môi trường khuếch đại laser trạng thái rắn; tải nhiệt giảm đi rất nhiều so với phổ phát xạ dải rộng của đèn hồ quang. Do sự phổ biến của laser gốc germani 1064 nm, bước sóng bơm 808 nm đã trở thành bước sóng lớn nhất trong laser bán dẫn trong hơn 20 năm.
Với sự gia tăng độ sáng của laser bán dẫn đa mode và khả năng ổn định độ rộng dòng phát hẹp với cách tử Bragg thể tích (VBGs) vào giữa năm 2000, thế hệ thứ hai của hiệu suất bơm diode được cải thiện đã đạt được. Các tính năng hấp thụ yếu hơn và phổ hẹp xung quanh 880 nm đã trở thành điểm nóng cho các điốt bơm có độ sáng cao. Các điốt này có thể đạt được sự ổn định quang phổ. Những tia laser hiệu suất cao hơn này có thể kích thích trực tiếp mức 4F3 / 2 của tia laser trong silicon, làm giảm các khuyết tật lượng tử, do đó cải thiện việc khai thác các chế độ cơ bản trung bình cao hơn mà nếu không sẽ bị giới hạn bởi thấu kính nhiệt.
Vào đầu năm 2010, chúng ta đã chứng kiến ​​xu hướng mở rộng quy mô công suất cao của laser 1064nm đơn chế độ chéo và chuỗi laser chuyển đổi tần số liên quan hoạt động trong dải tần nhìn thấy và tia cực tím. Do tuổi thọ trạng thái năng lượng cao dài hơn của Nd: YAG và Nd: YVO4, các hoạt động chuyển mạch DPSSL Q này cung cấp năng lượng xung cao và công suất cực đại, làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng xử lý vật liệu mài mòn và vi gia công chính xác cao.
laser sợi quang. Laser sợi cung cấp một cách hiệu quả hơn để chuyển đổi độ sáng của laser bán dẫn công suất cao. Mặc dù quang học ghép kênh theo bước sóng có thể chuyển đổi một laser bán dẫn có độ chói tương đối thấp thành một laser bán dẫn sáng hơn, nhưng điều này làm tăng độ rộng quang phổ và độ phức tạp cơ học. Laser sợi quang đã được chứng minh là đặc biệt hiệu quả trong việc chuyển đổi quang học.
Các sợi phủ kép được giới thiệu vào những năm 1990 sử dụng các sợi đơn mode được bao quanh bởi lớp phủ đa chế độ, cho phép các tia laser bơm bán dẫn đa mode công suất cao hơn, chi phí thấp hơn được đưa vào sợi một cách hiệu quả, tạo ra một cách tiết kiệm hơn để chuyển đổi laser bán dẫn công suất cao thành laser sáng hơn. Đối với sợi pha tạp ytterbium (Yb), máy bơm kích thích sự hấp thụ rộng tập trung ở 915 nm hoặc đặc tính dải hẹp khoảng 976 nm. Khi bước sóng bơm tiếp cận với bước sóng lase của laser sợi quang, cái gọi là khuyết tật lượng tử được giảm xuống, do đó tối đa hóa hiệu quả và giảm thiểu lượng nhiệt tản ra.
Cả laser sợi quang và laser trạng thái rắn được bơm đi-ốt đều dựa vào những cải tiến về độ sáng của laser đi-ốt. Nói chung, khi độ sáng của laser diode tiếp tục được cải thiện, tỷ lệ công suất laser mà chúng bơm vào cũng ngày càng tăng. Độ sáng tăng lên của laser bán dẫn tạo điều kiện cho việc chuyển đổi độ sáng hiệu quả hơn.
Như chúng ta mong đợi, độ sáng không gian và quang phổ sẽ cần thiết cho các hệ thống trong tương lai, cho phép bơm khiếm khuyết lượng tử thấp với các đặc tính hấp thụ hẹp trong laser trạng thái rắn và ghép kênh bước sóng dày đặc cho các ứng dụng laser bán dẫn trực tiếp. Kế hoạch trở nên khả thi.
Thị trường và Ứng dụng
Sự phát triển của laser bán dẫn công suất cao đã làm cho nhiều ứng dụng quan trọng có thể thực hiện được. Những tia laser này đã thay thế nhiều công nghệ truyền thống và thực hiện các danh mục sản phẩm mới.
Với sự gia tăng gấp 10 lần về chi phí và hiệu suất mỗi thập kỷ, laser bán dẫn công suất cao làm gián đoạn hoạt động bình thường của thị trường theo những cách không thể đoán trước. Mặc dù rất khó để dự đoán chính xác các ứng dụng trong tương lai, nhưng việc xem xét lại lịch sử phát triển của ba thập kỷ qua và cung cấp các khả năng khung cho sự phát triển của thập kỷ tới là rất quan trọng (xem Hình 2).

Hình 2. Ứng dụng nhiên liệu độ sáng laser bán dẫn công suất cao (chi phí tiêu chuẩn hóa trên độ sáng watt)
Những năm 1980: Lưu trữ quang học và các ứng dụng thích hợp ban đầu. Lưu trữ quang học là ứng dụng quy mô lớn đầu tiên trong ngành công nghiệp laser bán dẫn. Không lâu sau khi Hall lần đầu tiên trình chiếu tia laser bán dẫn hồng ngoại, General Electrics Nick Holonyak cũng cho thấy tia laser bán dẫn màu đỏ có thể nhìn thấy đầu tiên. Hai mươi năm sau, đĩa compact (CD) được tung ra thị trường, tiếp theo là thị trường lưu trữ quang học.
Sự đổi mới không ngừng của công nghệ laser bán dẫn đã dẫn đến sự phát triển của các công nghệ lưu trữ quang học như đĩa đa năng kỹ thuật số (DVD) và Blu-ray Disc (BD). Đây là thị trường lớn đầu tiên cho laser bán dẫn, nhưng nhìn chung mức công suất khiêm tốn hạn chế các ứng dụng khác trong các thị trường ngách tương đối nhỏ như in nhiệt, ứng dụng y tế và các ứng dụng quốc phòng và hàng không vũ trụ.
Những năm 1990: Mạng quang đang thịnh hành. Vào những năm 1990, laser bán dẫn đã trở thành chìa khóa của mạng truyền thông. Laser bán dẫn được sử dụng để truyền tín hiệu qua mạng cáp quang, nhưng laser bơm đơn chế độ công suất cao hơn cho bộ khuếch đại quang rất quan trọng để đạt được quy mô mạng quang và thực sự hỗ trợ sự phát triển của dữ liệu Internet.
Sự bùng nổ của ngành công nghiệp viễn thông do nó mang lại có tầm ảnh hưởng sâu rộng, lấy Spectra Diode Labs (SDL), một trong những nhà tiên phong đầu tiên trong ngành công nghiệp laser bán dẫn công suất cao làm ví dụ. Được thành lập vào năm 1983, SDL là liên doanh giữa các thương hiệu laser Spectra-Physics và Xerox của Tập đoàn Newport. Nó được ra mắt vào năm 1995 với giá trị vốn hóa thị trường khoảng 100 triệu đô la. Năm năm sau, SDL được bán cho JDSU với giá hơn 40 tỷ USD trong thời kỳ đỉnh cao của ngành viễn thông, một trong những thương vụ mua lại công nghệ lớn nhất trong lịch sử. Ngay sau đó, bong bóng viễn thông vỡ tung và phá hủy hàng nghìn tỷ USD vốn, hiện được coi là bong bóng lớn nhất trong lịch sử.
Những năm 2000: Laser trở thành một công cụ. Mặc dù sự bùng nổ của bong bóng thị trường viễn thông là vô cùng nguy hiểm, nhưng khoản đầu tư khổng lồ vào laser bán dẫn công suất cao đã đặt nền tảng cho việc áp dụng rộng rãi hơn. Khi hiệu suất và chi phí tăng lên, những tia laser này đang bắt đầu thay thế laser khí truyền thống hoặc các nguồn chuyển đổi năng lượng khác trong nhiều quy trình khác nhau.
Laser bán dẫn đã trở thành một công cụ được sử dụng rộng rãi. Các ứng dụng công nghiệp bao gồm các quy trình sản xuất truyền thống như cắt và hàn đến các công nghệ sản xuất tiên tiến mới như sản xuất phụ gia các bộ phận kim loại in 3D. Các ứng dụng sản xuất vi mô đa dạng hơn, vì các sản phẩm chủ chốt như điện thoại thông minh đã được thương mại hóa bằng các tia laser này. Các ứng dụng hàng không vũ trụ và quốc phòng liên quan đến một loạt các ứng dụng quan trọng và có thể sẽ bao gồm các hệ thống năng lượng định hướng thế hệ tiếp theo trong tương lai.
tóm lại
Hơn 50 năm trước, Moore đã không đề xuất một định luật vật lý cơ bản mới, nhưng đã có những cải tiến lớn đối với các mạch tích hợp được nghiên cứu lần đầu tiên cách đây mười năm. Lời tiên tri của ông kéo dài hàng thập kỷ và kéo theo hàng loạt phát kiến ​​đột phá không thể tưởng tượng nổi vào năm 1965.
Khi Hall trình diễn laser bán dẫn cách đây hơn 50 năm, nó đã gây ra một cuộc cách mạng công nghệ. Cũng như định luật Moore, không ai có thể đoán trước được sự phát triển tốc độ cao mà các laser bán dẫn cường độ cao đạt được nhờ một số lượng lớn các cải tiến sau này sẽ trải qua.
Không có quy tắc cơ bản trong vật lý để kiểm soát những cải tiến công nghệ này, nhưng tiến bộ công nghệ liên tục có thể nâng cao độ sáng của laser. Xu hướng này sẽ tiếp tục thay thế các công nghệ truyền thống, do đó thay đổi hơn nữa cách mọi thứ được phát triển. Quan trọng hơn đối với tăng trưởng kinh tế, laser bán dẫn công suất cao cũng sẽ thúc đẩy sự ra đời của những thứ mới.