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

Khi hiệu suất và công suất tiếp tục tăng, 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 tin rằng tiến bộ công nghệ là một quá trình diễn ra từ từ. Gần đây, ngành này đã tập trung nhiều hơn vào những đổi mới mang tính đột phá có thể gây ra sự gián đoạn. Những đổi mới này, được gọi là công nghệ có 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 nói chung thường phải mất vài thập kỷ để phát triển và thậm chí lâu hơn sẽ mang lại sự gia tăng năng suất. Lúc đầu, họ không hiểu rõ lắm. Ngay cả sau khi công nghệ được thương mại hóa, việc áp dụng sản xuất vẫn có độ trễ dài hạn. Mạch tích hợp là một ví dụ điển hình. Transitor lần đầu tiên được giới thiệu vào đầu thế kỷ 20, nhưng chúng được sử dụng rộng rãi cho đến tận buổi tối.
Một trong những người sáng lập Định luật Moore, Gordon Moore, dự đoán vào năm 1965 rằng chất bán dẫn sẽ phát triển với tốc độ nhanh hơn, “đưa điện tử trở nên phổ biến và 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, 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 được khả năng chuyển đổi điện tử thành laser, sau đó là một số tiến bộ dẫn đến những cải tiến đáng kể trong việc chuyển đổi điện tử thành quy trình laser hiệu suất cao. Những cải tiến này có thể hỗ trợ nhiều ứng dụng quan trọng, bao gồm lưu trữ quang, mạng quang và nhiều ứng dụng công nghiệp.
Việc nhắc lại những phát triển này và vô số cải tiến mà chúng mang lại đã làm nổi bật khả năng tác động lớn hơn và rộng 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 tăng lên 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 do Robert Hall của General Electric dẫn đầu đã trình diễn sự phát xạ hồng ngoại của chất bán dẫn gallium arsenide (GaAs), chất bán dẫn có các vân giao thoa “lạ”, 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 sáng vào thời điểm đó rất kém hiệu quả. Đồng thời, ông cũng tỏ ra hoài nghi về điều này vì tia laser đã được xác nhận cách đây hai năm và đã tồn tại cần có một "gương mịn".
Vào mùa hè năm 1962, Halle nói rằng ông bị sốc trước các điốt phát sáng GaAs hiệu quả hơn do Phòng thí nghiệm MIT Lincoln phát triển. Sau đó, anh cho biết mình rất may mắn khi được thử nghiệm với một số vật liệu GaAs chất lượng cao và sử dụng kinh nghiệm của mình với tư cách là một nhà thiên văn nghiệp dư để phát triển phương pháp đánh bóng các cạnh của chip GaAs để tạo thành một hốc.
Sự trình diễn thành công của Hall dựa trên thiết kế của bức xạ phản xạ qua lại ở bề mặt tiếp xúc chứ không phải phản xạ theo chiều dọc. Ông khiêm tốn nói rằng chưa có ai "nghĩ ra được 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 hình thành nên ống dẫn sóng cũng có đặc tính hạn chế các hạt mang lưỡng cực cùng một lúc. Nếu không thì không thể tạo ra laser bán dẫn. Bằng cách sử dụng các vật liệu bán dẫn khác nhau, một ống dẫn sóng dạng tấm có thể được tạo ra để chồng các photon với các hạt tải điện.
Những cuộc trình diễn sơ bộ này ở General Electric là một bước đột phá lớn. Tuy nhiên, những tia laser này còn xa mới là thiết bị thực tế. Để thúc đẩy sự ra đời của laser bán dẫn công suất cao, cần phải hiện thực hóa sự kết hợp của các công nghệ khác nhau. Những đổi mới công nghệ quan trọng bắt đầu với sự hiểu biết về vật liệu bán dẫn có khe cấm trực tiếp và kỹ thuật phát triển tinh thể.
Những phát triển sau này bao gồm việc phát minh ra laser dị tiếp xúc kép 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 quả và phát triển công nghệ thụ động khoang, tản nhiệt và đóng gói.
độ sáng
Sự đổi mới trong vài thập kỷ qua đã mang lại những cải tiến thú vị. Đặc biệt, khả năng cải thiện độ sáng là tuyệt vời. Năm 1985, laser bán dẫn công suất cao tiên tiến nhất có thể ghép 105 miliwatt năng lượng thành sợi lõi 105 micron. Các loại laser bán dẫn công suất cao tiên tiến nhất hiện nay có thể tạo ra hơn 250 watt sợi 105 micron với một bước sóng duy nhất - tăng gấp 10 lần sau mỗi 8 năm.

Moore nảy ra ý tưởng "cố định nhiều linh kiện hơn vào mạch tích hợp" - khi đó, số lượng bóng bán dẫn trên mỗi con chip tăng lên 10 lần sau mỗi 7 năm. Thật trùng hợp, các 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 độ sáng của laser bán dẫn công suất cao đã thúc đẩy sự phát triển của nhiều công nghệ chưa từng có trước đây. Mặc dù việc tiếp tục xu hướng này đòi hỏi phải đổi mới nhiều hơn nhưng có lý do để tin rằng việc đổi mới 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 điểm lượng tử có thể tăng hiệu quả đáng kể so với các thiết bị giếng lượng tử hiện tại. Độ sáng trục chậm mang lại tiềm năng cải thiện cường độ khác. Vật liệu đóng gói mới với khả năng kết hợp nhiệt và giãn nở được cải tiến sẽ mang lại những cải tiến cần thiết để điều chỉnh công suất liên tục và quản lý nhiệt đơn giản. Những phát triển quan trọng này sẽ cung cấp lộ trình phát triển laser bán dẫn công suất cao trong những thập kỷ tới.
Laser sợi và trạng thái rắn được bơm bằng đi-ốt
Những cải tiến về laser bán dẫn công suất cao đã giúp cho việc phát triển 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) các tinh thể pha tạp (laser trạng thái rắn được bơm bằng điốt) 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 tia laser này cần được sử dụng cho nhiều ứng dụng: một để chuyển đổi điện thành phát xạ laser và một để tăng cường độ sáng của phát xạ laser.
Laser trạng thái rắn được bơm bằng diode. Vào cuối những năm 1980, việc sử dụng laser bán dẫn để bơm laser trạng thái rắn bắt đầu trở nên phổ biến trong các ứng dụng thương mại. Laser trạng thái rắn được bơm điốt (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 có đèn hồ quang kết hợp trước đây để bơm tinh thể laser trạng thái rắn.
Các bước sóng của laser bán dẫn được lựa chọn dựa trên sự trùng lặp của chúng với đặc tính hấp thụ quang 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 germanium 1064 nm, bước sóng bơm 808 nm đã trở thành bước sóng lớn nhất trong laser bán dẫn trong hơn 20 năm qua.
Với sự gia tăng độ sáng của laser bán dẫn đa mode và khả năng ổn định độ rộng đường phát hẹp bằng cách tử Bragg thể tích (VBG) vào giữa năm 2000, thế hệ thứ hai của hiệu suất bơm diode cải tiến đã đạt được. Đặc điểm hấp thụ yếu hơn và phổ hẹp khoảng 880 nm đã trở thành điểm nóng đối với điốt bơm có độ sáng cao. Những điốt này có thể đạt được sự ổn định quang phổ. Những laser hiệu suất cao hơn này có thể kích thích trực tiếp mức 4F3/2 cao hơn của laser trong silicon, làm giảm các khuyết tật lượng tử, nhờ đó cải thiện việc trích xuất các mode cơ bản trung bình cao hơn mà mặt khác sẽ bị hạn chế bởi thấu kính nhiệt.
Vào đầu năm 2010, chúng ta đã chứng kiến ​​xu hướng mở rộng công suất cao của laser 1064nm chế độ chéo đơn và loạt laser chuyển đổi tần số liên quan hoạt động trong dải khả kiến ​​và tia cực tím. Do thời gian tồn tại ở trạng thái năng lượng cao 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, khiến chúng trở nên lý tưởng cho việc xử lý vật liệu mài mòn và các ứng dụng vi cơ có độ 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 bước sóng có thể chuyển đổi laser bán dẫn có độ chói tương đối thấp thành laser bán dẫn sáng hơn, nhưng điều này phải trả giá bằng việc tăng độ rộng phổ và độ phức tạp cơ học. Laser sợi quang đã được chứng minh là đặc biệt hiệu quả trong việc chuyển đổi trắc quang.
Sợi bọc kép được giới thiệu vào những năm 1990 sử dụng sợi đơn mode được bao quanh bởi lớp bọc đa mode, cho phép các tia laser bơm bán dẫn đa mode công suất cao hơn, chi phí thấp hơn được đưa vào sợi quang một cách hiệu quả, tạo ra một cách chuyển đổi tiết kiệm hơn 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 bước sóng 915 nm hoặc đặc điểm dải hẹp khoảng 976 nm. Khi bước sóng bơm tiến gần đến bước sóng phát quang của laser sợi quang, cái gọi là khuyết tật lượng tử sẽ giảm đi, từ đó tối đa hóa hiệu suất và giảm thiểu lượng tản nhiệt.
Cả laser sợi quang và laser trạng thái rắn được bơm điốt đều dựa vào sự cải thiện độ sáng của laser điốt. Nhìn chung, khi độ sáng của laser diode tiếp tục được cải thiện, tỷ lệ công suất laser mà chúng bơm cũng tăng lên. 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, điều này sẽ cho phép bơm khuyết tật lượng tử thấp với 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 tạo ra nhiều ứng dụng quan trọng. Những tia laser này đã thay thế nhiều công nghệ truyền thống và triển khai các loại sản phẩm mới.
Với chi phí và hiệu suất tăng gấp 10 lần mỗi thập kỷ, laser bán dẫn công suất cao sẽ phá vỡ 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 lại lịch sử phát triển trong ba thập kỷ qua và đưa ra các khả năng khuôn khổ cho sự phát triển trong thập kỷ tiếp theo là rất có ý nghĩa (xem Hình 2).

Hình 2. Ứng dụng nhiên liệu độ sáng laser bán dẫn công suất cao (chi phí tiêu chuẩn hóa trên mỗi watt độ sáng)
Những năm 1980: Lưu trữ quang học và các ứng dụng thích hợp ban đầu. Bộ lưu trữ quang học là ứng dụng quy mô lớn đầu tiên trong ngành công nghiệp laser bán dẫn. Ngay sau khi Hall lần đầu tiên trình diễn tia laser bán dẫn hồng ngoại, Nick Holonyak của General Electrics cũng trình diễn tia laser bán dẫn màu đỏ nhìn thấy được đầu tiên. Hai mươi năm sau, đĩa compact (CD) được giới thiệu 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 đĩa Blu-ray (BD). Đây là thị trường lớn đầu tiên dành cho laser bán dẫn, nhưng nhìn chung mức công suất khiêm tốn sẽ hạn chế các ứng dụng khác ở các thị trường ngách tương đối nhỏ như in nhiệt, ứng dụng y tế và các ứng dụng hàng không vũ trụ và quốc phòng chọn lọc.
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 chế độ đơn công suất cao hơn dành cho bộ khuếch đại quang là rất quan trọng để đạt được quy mô của mạng quang và thực sự hỗ trợ sự phát triển của dữ liệu Internet.
Sự bùng nổ của ngành viễn thông do nó mang lại có sức ảnh hưởng sâu rộng, lấy Spectra Diode Labs (SDL), một trong những công ty tiên phong đầu tiên trong ngành laser bán dẫn công suất cao làm ví dụ. Được thành lập vào năm 1983, SDL là liên doanh giữa các nhãn 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 USD. 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 bùng nổ 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 có sức tàn phá cực kỳ lớn nhưng khoản đầu tư khổng lồ vào laser bán dẫn công suất cao đã đặt nền móng cho việc áp dụng rộng rãi hơn. Khi hiệu suất và chi phí tăng lên, những tia laser này đang bắt đầu thay thế các tia 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 từ các quy trình sản xuất truyền thống như cắt và hàn cho đến các công nghệ sản xuất tiên tiến mới như sản xuất bồi đắp 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 nhiều 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 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 mang theo hàng loạt đổi mới mang tính đột phá không thể tưởng tượng được 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. Như với Định luật Moore, không ai có thể dự đoán 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 đó sẽ trải qua.
Không có quy tắc cơ bản nào trong vật lý để kiểm soát những cải tiến công nghệ này, nhưng tiến bộ công nghệ liên tục có thể nâng cao tia laser về độ sáng. Xu hướng này sẽ tiếp tục thay thế các công nghệ truyền thống, do đó làm thay đổi hơn nữa cách thức phát triển mọi thứ. 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.