Peşəkar Bilik

Yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin keçmişi və gələcəyi

2021-04-12
Səmərəlilik və güc artmağa davam etdikcə lazer diodları ənənəvi texnologiyaların yerini tutmağa, işləmə qaydalarını dəyişdirməyə və yeni şeylərin yaranmasına təkan verəcəkdir.
Ənənəvi olaraq iqtisadçılar texnoloji tərəqqinin tədricən bir proses olduğuna inanırlar. Son zamanlarda sənaye daha çox fasilələrə səbəb ola biləcək pozucu yeniliyə yönəlmişdir. Ümumi təyinatlı texnologiyalar (GPT) kimi tanınan bu yeniliklər "iqtisadiyyatın bir çox aspektlərinə böyük təsir göstərə biləcək dərin yeni fikirlər və ya texnologiyalardır." Ümumi texnologiyanın inkişafı bir neçə on il çəkir və daha uzun müddət məhsuldarlığın artmasına səbəb olacaqdır. Əvvəlcə onlar yaxşı başa düşülmədilər. Texnologiya kommersiyalaşdırıldıqdan sonra da, istehsalın qəbul edilməsində uzun müddətli bir gecikmə var idi. İnteqral sxemlər yaxşı bir nümunədir. Transistorlar ilk dəfə 20-ci əsrin əvvəllərində tətbiq olundu, lakin axşam saatlarına qədər geniş istifadə edildi.
Moore Qanununun qurucularından biri olan Gordon Moore, 1965-də yarımkeçiricilərin daha sürətli bir sürətlə inkişaf edəcəyini proqnozlaşdıraraq "elektronikanın populyarlığını gətirərək bu elmi bir çox yeni sahəyə itələyəcək." Cəsarətli və gözlənilmədən dəqiq proqnozlarına baxmayaraq, məhsuldarlığa və iqtisadi böyüməyə nail olmaqdan əvvəl onilliklər davamlı inkişafdan keçdi.
Eynilə, yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin dramatik inkişafının anlaşılması məhduddur. 1962-ci ildə sənaye ilk olaraq elektronların lazerə çevrilməsini nümayiş etdirdi, ardından elektronların yüksək məhsuldar lazer proseslərinə çevrilməsində əhəmiyyətli irəliləyişlərə səbəb olan bir sıra irəliləyişlər oldu. Bu təkmilləşdirmələr optik yaddaş, optik şəbəkə və geniş bir sıra sənaye tətbiqetmələri daxil olmaqla bir sıra vacib tətbiqləri dəstəkləyə bilər.
Bu inkişafları və onların üzə çıxardıqları çoxsaylı irəliləyişləri xatırlamaq iqtisadiyyatın bir çox aspektlərinə daha geniş və daha geniş təsir imkanlarını vurğuladı. Əslində, yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin davamlı təkmilləşdirilməsi ilə, vacib tətbiq sahələri artacaq və iqtisadi böyüməyə dərin təsir göstərəcəkdir.
Yüksək güclü yarımkeçirici lazer tarixi
16 sentyabr 1962-ci ildə General Electric-in Robert Hallun rəhbərlik etdiyi bir qrup, ilk yarıkeçirici lazerin doğuşu mənasını verən "qəribə" müdaxilə nümunələri olan qallium arsenid (GaAs) yarımkeçiricilərin infraqırmızı emissiyasını nümayiş etdirdi. Hall əvvəlcə yarımkeçirici lazerin "uzun atış" olduğuna inanırdı, çünki o vaxt işıq saçan diodlar çox səmərəsiz idi. Eyni zamanda bu məsələyə də şübhə ilə yanaşdı, çünki iki il əvvəl təsdiqlənmiş və onsuz da mövcud olan lazer üçün "incə güzgü" lazımdır.
1962-ci ilin yazında Halle, MIT Lincoln Laboratoriyası tərəfindən inkişaf etdirilən daha səmərəli GaAs işıq diodlarından təsirləndiyini söylədi. Daha sonra bəzi yüksək keyfiyyətli GaAs materialları ilə sınaqdan keçirə bilmək şanslı olduğunu söylədi və həvəskar astronom kimi təcrübəsindən bir boşluq əmələ gətirmək üçün GaAs çiplərinin kənarlarını cilalamaq üçün bir yol inkişaf etdirdi.
Hall-un uğurlu nümayişi şaquli sıçrayışdan çox, interfeysdə irəli-geri sıçrayış dizaynına əsaslanır. Təvazökarlıqla heç kimin "bu fikri ortaya çıxmadığını" söylədi. Əslində Hallun dizaynı əslində şanslı bir təsadüfdür ki, dalğa bələdçisini yaradan yarımkeçirici material eyni zamanda bipolyar daşıyıcıları məhdudlaşdırma xüsusiyyətinə malikdir. Əks təqdirdə, yarımkeçirici lazer həyata keçirmək mümkün deyil. Bənzər olmayan yarımkeçirici materiallardan istifadə edərək, fotonların daşıyıcılarla üst-üstə düşməsi üçün bir lövhə dalğa kılavuzu meydana gələ bilər.
General Electric-dəki bu ilkin nümayişlər böyük bir irəliləyiş oldu. Lakin bu lazerlər praktik cihazlardan çox uzaqdır. Yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin yaranmasını təşviq etmək üçün müxtəlif texnologiyaların birləşdirilməsi həyata keçirilməlidir. Əsas texnoloji yeniliklər birbaşa bandgap yarımkeçirici materialların və kristal böyüməsi texnikasının anlaşılması ilə başladı.
Sonrakı inkişaflara ikiqat heterojunksiyalı lazerlərin ixtirası və sonrakı kvant quyusu lazerlərinin inkişafı daxildir. Bu əsas texnologiyaların daha da inkişaf etdirilməsinin açarı səmərəliliyin artırılması və boşluğun pasivasiyası, istilik yayılması və qablaşdırma texnologiyasının inkişafıdır.
Parlaqlıq
Son bir neçə onillikdəki yeniliklər həyəcan verici bir inkişafa səbəb oldu. Xüsusilə, parlaqlığın yaxşılaşdırılması əladır. 1985-ci ildə ən yüksək səviyyəli yarımkeçirici lazer, 105 milliwatt gücünü 105 mikron nüvəli bir liflə birləşdirə bildi. Ən inkişaf etmiş yüksək güclü yarımkeçirici lazerlər indi tək bir dalğa boyu ilə 250 vattdan çox 105 mikron lif istehsal edə bilər - hər səkkiz ildə 10 dəfə artım.

Moore, "inteqrasiya edilmiş dövrə daha çox komponent düzəltməyi" düşündü - daha sonra çip başına tranzistorların sayı hər 7 ildə 10 dəfə artdı. Təsadüfən, yüksək güclü yarımkeçirici lazerlər oxşar eksponent nisbətlərdə daha çox fotonu lifə daxil edir (bax Şəkil 1).

Şəkil 1. Yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin parlaqlığı və Mur qanunu ilə müqayisə
Yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin parlaqlığının yaxşılaşdırılması müxtəlif gözlənilməz texnologiyaların inkişafına təkan verdi. Bu tendensiyanın davam etməsi daha çox yenilik tələb etsə də, yarımkeçirici lazer texnologiyasının yeniləşməsinin hələ başa çatmadığını düşünməyə əsas var. Məşhur fizika fasiləsiz texnoloji inkişaf yolu ilə yarımkeçirici lazerlərin fəaliyyətini daha da yaxşılaşdırır.
Məsələn, kvant nöqtəsi qazma mühiti, mövcud kvant quyusu cihazlarına nisbətən səmərəliliyi əhəmiyyətli dərəcədə artıra bilər. Yavaş ox parlaqlığı başqa bir böyüklük yaxşılaşdırma potensialı sırası təklif edir. Təkmilləşdirilmiş istilik və genişləndirmə uyğunluğuna malik yeni qablaşdırma materialları davamlı güc tənzimlənməsi və sadələşdirilmiş termal idarəetmə üçün lazımi aksesuarları təmin edəcəkdir. Bu əsas inkişaflar önümüzdəki onilliklərdə yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin inkişafı üçün bir yol xəritəsi təmin edəcəkdir.
Diod nasoslu qatı hal və lif lazerləri
Yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin təkmilləşdirilməsi aşağı lazer texnologiyalarının inkişafını mümkün etmişdir; axın lazer texnologiyalarında, yarımkeçirici lazerlər qatqı kristallarını (diodla vurulan qatı hal lazerləri) və ya qatqılı lifləri (lif lazerləri) həyəcanlandırmaq (pompalamaq) üçün istifadə olunur.
Yarımkeçirici lazerlər yüksək səmərəlilik, ucuz lazer enerjisi təmin etsə də, iki əsas məhdudiyyət var: enerji yığmırlar və parlaqlığı məhduddur. Əsasən bu iki lazerin bir çox tətbiq üçün istifadə edilməsi lazımdır: biri elektrik enerjisini lazer emissiyasına çevirmək üçün, digəri də lazer emissiyasının parlaqlığını artırmaq üçün.
Diod nasoslu qatı hal lazerləri. 1980-ci illərin sonlarında qatı hal lazerləri vurmaq üçün yarımkeçirici lazerlərin istifadəsi kommersiya tətbiqetmələrində populyarlaşmağa başladı. Diod nasoslu qatı hal lazerləri (DPSSL) istilik idarəetmə sistemlərinin (əsasən dövr edən soyuducular) ölçülərini və mürəkkəbliyini xeyli azaldır və qatı hal lazer kristallarının vurulması üçün tarixən birləşdirilmiş yay lampalarına malik modullar əldə edirlər.
Yarımkeçirici lazerlərin dalğa uzunluqları qatı hal lazer qazanma mühitinin spektral udma xüsusiyyətləri ilə üst-üstə düşməsinə əsasən seçilir; yay lampasının geniş zolaqlı yayılma spektri ilə müqayisədə istilik yükü xeyli azalır. 1064 nm germanyum əsaslı lazerlərin populyarlığına görə 808 nm nasos dalğa uzunluğu 20 ildən çoxdur yarımkeçirici lazerlərdə ən böyük dalğa boyuna çevrilmişdir.
2000-ci ilin ortalarında çox modlu yarımkeçirici lazerlərin parlaqlığının artması və dar emitör xətti genişliyini həcmli Bragg barmaqlıqları (VBG) ilə sabitləşdirmək qabiliyyəti ilə ikinci nəsil yaxşılaşdırılmış diod nasos səmərəliliyi əldə edildi. 880 nm ətrafında daha zəif və spektral olaraq dar udma xüsusiyyətləri yüksək parlaqlıqlı nasos diodları üçün isti nöqtələrə çevrilmişdir. Bu diodlar spektral stabilliyə nail ola bilər. Bu daha yüksək performanslı lazerlər, lazerin silikondakı üst səviyyə 4F3 / 2-ni birbaşa həyəcanlandıra bilər, kvant qüsurlarını azaldır və bununla da əks halda termal linzalarla məhdudlaşdırılacaq daha yüksək orta əsas rejimlərin çıxarılmasını yaxşılaşdırır.
2010-cu ilin əvvəlinə kimi, görünən və ultrabənövşəyi lentlərdə işləyən tək çapraz rejimli 1064nm lazerin və bununla əlaqəli bir sıra frekans çevirmə lazerlərinin yüksək güclənmə meylinin şahidi olduq. Nd: YAG və Nd: YVO4-un daha yüksək enerji vəziyyəti ömrü sayəsində bu DPSSL Q keçid əməliyyatları yüksək nəbz enerjisi və pik gücünü təmin edir, bu da onları qırıcı material emalı və yüksək dəqiqlikli mikroelement tətbiqləri üçün ideal hala gətirir.
fiber optik lazer. Fiber lazerlər yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin parlaqlığını çevirmək üçün daha səmərəli bir yol təqdim edir. Dalğa boyu multipleksli optiklər nisbətən aşağı parlaqlıqlı yarımkeçirici lazeri daha parlaq bir yarımkeçirici lazerə çevirə bilsə də, bu artan spektral genişlik və optomekanik mürəkkəblik hesabına başa gəlir. Fiber lazerlərin fotometrik çevrilmədə xüsusilə təsirli olduğu göstərilmişdir.
1990-cı illərdə təqdim olunan cüt örtüklü liflər, çox modlu bir örtüklə əhatə olunmuş tək modlu liflərdən istifadə edir, daha güclü, daha ucuz qiymətə, çox modlu yarımkeçirici nasoslu lazerlərin lifə səmərəli yeridilməsini təmin edir və daha çevik bir konvertasiya etmək üçün daha qənaətli bir yol yaradır. parlaq lazer halına gətirən yüksək güclü yarımkeçirici lazer. Yterbium (Yb) qatqılı liflər üçün nasos 915 nm mərkəzli geniş bir udma və ya 976 nm ətrafında dar bir bant xüsusiyyətini həyəcanlandırır. Nasos dalğa uzunluğu lif lazerinin lasing dalğa uzunluğuna yaxınlaşdıqda, kvant qüsurları deyilənlər azalır və bunun sayəsində səmərəliliyi artırır və istilik yayılma miqdarını minimuma endirir.
Həm lif lazerləri, həm də diod nasoslu qatı hal lazerləri diod lazer parlaqlığındakı inkişaflara etibar edirlər. Ümumiyyətlə, diod lazerlərinin parlaqlığı yaxşılaşmağa davam etdikcə, vurduqları lazer gücünün nisbəti də artır. Yarımkeçirici lazerlərin artan parlaqlığı daha effektiv parlaqlığın çevrilməsini asanlaşdırır.
Gözlədiyimiz kimi, gələcək sistemlər üçün məkan və spektral parlaqlıq lazım olacaqdır ki, bu da qatı hal lazerlərdə dar udma xüsusiyyətləri ilə aşağı kvant qüsuru vurmağı və birbaşa yarımkeçirici lazer tətbiqetmələri üçün sıx dalğa uzunluğu multipleksiyasını təmin edəcəkdir. Plan mümkün olur.
Bazar və tətbiq
Yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin inkişafı bir çox vacib tətbiqi mümkün etmişdir. Bu lazerlər bir çox ənənəvi texnologiyanı əvəz etdi və yeni məhsul kateqoriyalarını tətbiq etdi.
Onillikdə 10 qat dəyər və performans artımı ilə, yüksək güclü yarımkeçirici lazerlər bazarın normal işini gözlənilməz şəkildə pozur. Gələcək tətbiqləri dəqiq bir şəkildə proqnozlaşdırmaq çətin olsa da, son otuz illik inkişaf tarixini nəzərdən keçirmək və növbəti onilliyin inkişafı üçün çərçivə imkanlarını təmin etmək çox vacibdir (bax Şəkil 2).

Şəkil 2. Yüksək güclü yarımkeçirici lazer parlaqlığı yanacaq tətbiqi (vatt parlaqlığı üçün standartlaşdırma dəyəri)
1980-ci illər: Optik yaddaş və ilkin niş tətbiqetmələri. Optik saxlama, yarımkeçirici lazer sənayesində ilk geniş miqyaslı bir tətbiqdir. Hall ilk dəfə infraqırmızı yarımkeçirici lazeri göstərdikdən qısa müddət sonra General Electrics Nick Holonyak da görünən ilk qırmızı yarımkeçirici lazeri göstərdi. İyirmi il sonra bazara kompakt disklər (CD), ardından optik saxlama bazarı çıxdı.
Yarımkeçirici lazer texnologiyasının daimi yeniliyi rəqəmsal çox yönlü disk (DVD) və Blu-ray Disc (BD) kimi optik saxlama texnologiyalarının inkişafına səbəb olmuşdur. Bu, yarımkeçirici lazerlər üçün ilk böyük bazardır, lakin ümumiyyətlə təvazökar güc səviyyələri digər tətbiqləri termal çap, tibbi tətbiqetmələr və seçilmiş aviasiya və müdafiə tətbiqetmələri kimi nisbətən kiçik niş bazarları ilə məhdudlaşdırır.
1990-cı illər: Optik şəbəkələr üstünlük təşkil edir. 1990-cı illərdə yarımkeçirici lazerlər rabitə şəbəkələrinin açarı oldu. Yarımkeçirici lazerlər fiber optik şəbəkələr üzərindən siqnal ötürmək üçün istifadə olunur, lakin optik gücləndiricilər üçün daha yüksək güclü tək modlu nasos lazerləri optik şəbəkələrin miqyasına nail olmaq və İnternet məlumatlarının böyüməsini həqiqətən dəstəkləmək üçün vacibdir.
Onun gətirdiyi telekomunikasiya sənayesi bumu çox genişdir və buna misal olaraq yüksək güclü yarımkeçirici lazer sənayesinin ilk öncüllərindən biri olan Spectra Diode Labs (SDL) götürülür. 1983-cü ildə qurulan SDL, Newport Group'un lazer markaları Spectra-Physics və Xerox arasındakı ortaq bir müəssisədir. 1995-ci ildə təxminən 100 milyon dollarlıq kapitallaşma ilə başlamışdır. Beş il sonra, SDL tarixin ən böyük texnoloji satınalmalarından biri olan telekom sənayesinin zirvəsi dövründə 40 milyard dollardan çox qiymətə JDSU-ya satıldı. Qısa müddət sonra, telekomunikasiya köpüyü partladı və trilyonlarla dollarlıq kapitalı məhv etdi, indi tarixin ən böyük köpüyü olaraq görülür.
2000s: Lazerlər bir vasitə oldu. Telekommunikasiya bazarındakı köpük partlaması son dərəcə dağıdıcı olsa da, yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərə edilən böyük sərmayə daha geniş mənimsəmə üçün zəmin yaratdı. Performans və maya dəyəri artdıqca, bu lazerlər müxtəlif proseslərdə ənənəvi qaz lazerlərini və ya digər enerji çevirmə mənbələrini əvəz etməyə başlayır.
Yarımkeçirici lazerlər geniş istifadə olunan bir alətə çevrilmişdir. Sənaye tətbiqetmə, kəsmə və lehimləmə kimi ənənəvi istehsal proseslərindən tutmuş, 3D çaplı metal hissələrin əlavə istehsalı kimi yeni inkişaf etmiş istehsal texnologiyalarına qədərdir. Mikro istehsalat tətbiqetmələri daha müxtəlifdir, çünki smartfonlar kimi əsas məhsullar bu lazerlərlə ticarətə çevrilmişdir. Aerokosmik və müdafiə tətbiqetmələri geniş bir missiya kritik tətbiqetmələri əhatə edir və gələcəkdə çox güman ki, yeni nəsil yönlü enerji sistemlərini əhatə edəcəkdir.
cəmləşdirmək
50 ildən çox müddət əvvəl Moore yeni bir əsas fizika qanunu irəli sürmədi, lakin on il əvvəl ilk dəfə öyrənilən inteqral sxemlərdə böyük irəliləyişlər etdi. Onun peyğəmbərliyi on illər boyu davam etdi və 1965-ci ildə ağlasığmaz bir sıra pozucu yeniliklər gətirdi.
Hall 50 ildən çox əvvəl yarımkeçirici lazerləri nümayiş etdirəndə texnoloji bir inqilaba səbəb oldu. Moore Qanununda olduğu kimi, çox sayda yeniliyin əldə etdiyi yüksək intensivli yarımkeçirici lazerlərin sonradan alacağı yüksək sürətli inkişafı heç kim təxmin edə bilməz.
Bu texnoloji inkişafları idarə etmək üçün fizikada əsas bir qayda yoxdur, ancaq davamlı texnoloji inkişaf lazerin parlaqlığı baxımından irəliləyə bilər. Bu tendensiya ənənəvi texnologiyaların yerini dəyişdirməyə davam edəcək və beləliklə işlərin inkişaf yolunu daha da dəyişdirəcəkdir. İqtisadi böyümə üçün daha vacib olan yüksək güclü yarımkeçirici lazerlər də yeni şeylərin yaranmasına kömək edəcəkdir.


We use cookies to offer you a better browsing experience, analyze site traffic and personalize content. By using this site, you agree to our use of cookies. Privacy Policy
Reject Accept