Yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin keçmişi və gələcəyi

Səmərəlilik və güc artmaqda davam etdikcə, lazer diodları ənənəvi texnologiyaları əvəz edəcək, işlərin idarə edilməsi üsulunu dəyişdirəcək və yeni şeylərin yaranmasına təkan verəcək.
Ənənəvi olaraq, iqtisadçılar texnoloji tərəqqinin mərhələli proses olduğuna inanırlar. Son zamanlar sənaye fasilələrə səbəb ola biləcək pozucu innovasiyalara daha çox diqqət yetirir. Ümumi təyinatlı texnologiyalar (GPTs) kimi tanınan bu yeniliklər “iqtisadiyyatın bir çox aspektlərinə böyük təsir göstərə biləcək dərin yeni ideyalar və ya texnologiyalardır”. Ümumi texnologiyanın inkişafı adətən bir neçə onilliklər çəkir və daha uzun müddət məhsuldarlığın artmasına səbəb olacaqdır. Əvvəlcə onları yaxşı başa düşmədilər. Texnologiya kommersiyalaşdırıldıqdan sonra da istehsalın mənimsənilməsində uzunmüddətli geriləmə var idi. İnteqrasiya edilmiş sxemlər yaxşı bir nümunədir. Transistorlar ilk dəfə 20-ci əsrin əvvəllərində təqdim edildi, lakin axşam saatlarına qədər geniş istifadə edildi.
Mur Qanununun yaradıcılarından biri olan Qordon Mur 1965-ci ildə yarımkeçiricilərin daha sürətli inkişaf edəcəyini, “elektronikanın populyarlığını gətirərək bu elmi bir çox yeni sahələrə itələyəcəyini” proqnozlaşdırmışdı. Cəsarətli və gözlənilmədən dəqiq proqnozlarına baxmayaraq, o, məhsuldarlığa və iqtisadi artıma nail olmaqdan əvvəl onilliklər boyu davamlı təkmilləşmə yolu keçmişdir.
Eynilə, yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin dramatik inkişafının anlaşılması məhduddur. 1962-ci ildə sənaye ilk dəfə elektronların lazerə çevrilməsini nümayiş etdirdi, sonra elektronların yüksək məhsuldar lazer proseslərinə çevrilməsində əhəmiyyətli təkmilləşdirmələrə səbəb olan bir sıra irəliləyişlər oldu. Bu təkmilləşdirmələr optik yaddaş, optik şəbəkə və geniş sənaye proqramları daxil olmaqla bir sıra mühüm tətbiqləri dəstəkləyə bilər.
Bu inkişafları və onların üzə çıxardığı çoxsaylı təkmilləşdirmələri xatırladaraq, iqtisadiyyatın bir çox aspektlərinə daha böyük və daha geniş təsir imkanlarını vurğuladı. Əslində, yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin davamlı təkmilləşdirilməsi ilə vacib tətbiqlərin əhatə dairəsi artacaq və iqtisadi artıma dərin təsir göstərəcəkdir.
Yüksək güclü yarımkeçirici lazer tarixi
16 sentyabr 1962-ci ildə General Electric-dən Robert Hall başçılıq etdiyi komanda, ilk yarımkeçirici lazerin doğulması mənasını verən "qəribə" müdaxilə nümunələrinə malik qalium arsenid (GaAs) yarımkeçiricilərinin infraqırmızı emissiyasını nümayiş etdirdi. Hall əvvəlcə yarımkeçirici lazerin "uzaq atış" olduğuna inanırdı, çünki o dövrdə işıq yayan diodlar çox səmərəsiz idi. Eyni zamanda, o, buna şübhə ilə yanaşırdı, çünki iki il əvvəl təsdiqlənmiş və artıq mövcud olan lazer “incə güzgü” tələb edir.
1962-ci ilin yayında Halle MIT Linkoln Laboratoriyası tərəfindən hazırlanmış daha səmərəli GaAs işıq yayan diodlarından şoka düşdüyünü söylədi. Daha sonra o, yüksək keyfiyyətli GaAs materialları ilə sınaqdan keçirə bildiyi üçün xoşbəxt olduğunu və GaAs çiplərinin kənarlarını boşluq yaratmaq üçün cilalamaq üçün bir yol hazırlamaq üçün həvəskar astronom kimi təcrübəsindən istifadə etdiyini söylədi.
Hall-un uğurlu nümayişi şaquli sıçrayışdan çox, interfeysdə irəli və geri radiasiya sıçrayışlarının dizaynına əsaslanır. O, təvazökarlıqla dedi ki, heç kimin “təsadüfən belə bir ideya ağlına gəlməyib”. Əslində, Hall dizaynı əslində uğurlu bir təsadüfdür ki, dalğa ötürücüsünü meydana gətirən yarımkeçirici material eyni zamanda bipolyar daşıyıcıları məhdudlaşdırmaq xüsusiyyətinə malikdir. Əks halda yarımkeçirici lazeri reallaşdırmaq mümkün deyil. Fərqli yarımkeçirici materiallardan istifadə edərək, fotonları daşıyıcılarla üst-üstə düşmək üçün plitə dalğa bələdçisi yaradıla bilər.
General Electric-də keçirilən bu ilkin nümayişlər böyük bir irəliləyiş oldu. Bununla belə, bu lazerlər praktiki cihazlardan uzaqdır. Yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin doğulmasını təşviq etmək üçün müxtəlif texnologiyaların birləşməsi həyata keçirilməlidir. Əsas texnoloji yeniliklər birbaşa zolaqlı yarımkeçirici materialların və kristalların böyüməsi üsullarının başa düşülməsi ilə başladı.
Sonrakı inkişaflar arasında ikiqat hetero-qovuşma lazerlərinin ixtirası və sonradan kvant quyusu lazerlərinin inkişafı daxildir. Bu əsas texnologiyaların daha da təkmilləşdirilməsinin açarı səmərəliliyin artırılmasında və boşluqların passivləşdirilməsi, istilik yayılması və qablaşdırma texnologiyasının inkişafındadır.
Parlaqlıq
Son bir neçə onillikdə yeniliklər maraqlı təkmilləşdirmələrə səbəb oldu. Xüsusilə, parlaqlığın yaxşılaşdırılması əladır. 1985-ci ildə ən müasir yüksək güclü yarımkeçirici lazer 105 milliwatt gücü 105 mikron nüvəli lifə birləşdirə bildi. Ən qabaqcıl yüksək güclü yarımkeçirici lazerlər indi tək dalğa uzunluğu ilə 250 vattdan çox 105 mikron lif istehsal edə bilir - hər səkkiz ildən bir 10 dəfə artım.

Moore "inteqrasiya edilmiş sxemə daha çox komponentlərin bərkidilməsini" nəzərdə tuturdu - sonra hər 7 ildən bir çip başına tranzistorların sayı 10 dəfə artdı. Təsadüfən, yüksək güclü yarımkeçirici lazerlər oxşar eksponensial sürətlə lifə daha çox foton daxil edir (Şəkil 1-ə baxın).

Şəkil 1. Yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin parlaqlığı və Mur qanunu ilə müqayisəsi
Yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin parlaqlığının yaxşılaşdırılması müxtəlif gözlənilməz texnologiyaların inkişafına təkan verdi. Bu tendensiyanın davam etdirilməsi daha çox yenilik tələb etsə də, yarımkeçirici lazer texnologiyasının innovasiyasının tamamlanmaqdan çox uzaq olduğunu düşünməyə əsas var. Tanınmış fizika davamlı texnoloji inkişaf yolu ilə yarımkeçirici lazerlərin işini daha da yaxşılaşdıra bilər.
Məsələn, kvant nöqtə qazanma mühiti mövcud kvant quyusu cihazları ilə müqayisədə səmərəliliyi əhəmiyyətli dərəcədə artıra bilər. Yavaş ox parlaqlığı böyüklükdə yaxşılaşma potensialının başqa bir sırasını təklif edir. Təkmilləşdirilmiş istilik və genişlənmə uyğunluğu ilə yeni qablaşdırma materialları davamlı enerji tənzimlənməsi və sadələşdirilmiş istilik idarəetməsi üçün lazım olan təkmilləşdirmələri təmin edəcəkdir. Bu əsas inkişaflar yaxın onilliklərdə yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin inkişafı üçün yol xəritəsini təmin edəcək.
Diodla vurulan bərk hallı və lifli lazerlər
Yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərdəki təkmilləşdirmələr aşağı axın lazer texnologiyalarının inkişafını mümkün etmişdir; aşağı axın lazer texnologiyalarında yarımkeçirici lazerlər qatqılı kristalları (diodla vurulan bərk hallı lazerlər) və ya qatqılı lifləri (lif lazerləri) həyəcanlandırmaq (nasos) üçün istifadə olunur.
Yarımkeçirici lazerlər yüksək səmərəli, ucuz lazer enerjisi təmin etsə də, iki əsas məhdudiyyət var: onlar enerji saxlamır və parlaqlığı məhduddur. Əsasən bu iki lazer bir çox tətbiqlər üçün istifadə edilməlidir: biri elektrik enerjisini lazer emissiyasına çevirmək üçün, digəri isə lazer emissiyasının parlaqlığını artırmaq üçün.
Diodla vurulan bərk hallı lazerlər. 1980-ci illərin sonlarında bərk cisimli lazerləri vurmaq üçün yarımkeçirici lazerlərin istifadəsi kommersiya tətbiqlərində populyarlıq qazanmağa başladı. Diodla pompalanan bərk cisim lazerləri (DPSSL) istilik idarəetmə sistemlərinin (əsasən dövriyyədə olan soyuducuların) ölçüsünü və mürəkkəbliyini əhəmiyyətli dərəcədə azaldır və bərk cisim lazer kristallarını vurmaq üçün tarixən birləşdirilmiş qövs lampalarına malik modullar əldə edir.
Yarımkeçirici lazerlərin dalğa uzunluqları onların bərk cisimli lazer qazanma mühitinin spektral udma xassələri ilə üst-üstə düşməsi əsasında seçilir; qövs lampasının geniş diapazonlu emissiya spektri ilə müqayisədə istilik yükü xeyli azalır. 1064 nm germanium əsaslı lazerlərin populyarlığına görə, 808 nm nasos dalğa uzunluğu 20 ildən artıqdır ki, yarımkeçirici lazerlərdə ən böyük dalğa uzunluğuna çevrilmişdir.
Çox rejimli yarımkeçirici lazerlərin parlaqlığının artması və 2000-ci ilin ortalarında həcmli Bragg gratings (VBGs) ilə dar emitent xəttinin enini sabitləşdirmək imkanı ilə, təkmilləşdirilmiş diod nasosunun səmərəliliyinin ikinci nəslinə nail olundu. 880 nm ətrafında daha zəif və spektral olaraq dar udma xüsusiyyətləri yüksək parlaqlıqlı nasos diodları üçün qaynar nöqtələrə çevrildi. Bu diodlar spektral sabitliyə nail ola bilər. Bu yüksək performanslı lazerlər lazerin silikonda 4F3/2 yuxarı səviyyəsini birbaşa həyəcanlandıra, kvant qüsurlarını azalda bilər və beləliklə, istilik linzaları ilə məhdudlaşdırılacaq daha yüksək orta əsas rejimlərin çıxarılmasını yaxşılaşdırır.
2010-cu ilin əvvəlində biz bir çarpaz rejimli 1064 nm lazerin və görünən və ultrabənövşəyi zolaqlarda işləyən əlaqəli tezlik konvertasiya lazerlərinin yüksək güclü miqyaslı tendensiyasının şahidi olduq. Nd:YAG və Nd:YVO4-ün daha uzun yüksək enerji vəziyyətinə malik olma müddətinə görə, bu DPSSL Q kommutasiya əməliyyatları yüksək impuls enerjisi və pik güc təmin edərək onları ablativ materialın emalı və yüksək dəqiqlikli mikro emal tətbiqləri üçün ideal hala gətirir.
fiber-optik lazer. Fiber lazerlər yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin parlaqlığını çevirmək üçün daha səmərəli üsul təqdim edir. Dalğa uzunluqlu multipleks optika nisbətən aşağı işıqlı yarımkeçirici lazeri daha parlaq yarımkeçirici lazerə çevirə bilsə də, bu, artan spektral genişlik və optomexaniki mürəkkəblik hesabına olur. Fiber lazerlərin fotometrik çevrilmədə xüsusilə təsirli olduğu sübut edilmişdir.
1990-cı illərdə təqdim edilən ikiqat örtüklü liflər, çox rejimli örtüklə əhatə olunmuş tək rejimli liflərdən istifadə edərək, daha yüksək gücə malik, aşağı qiymətli multimod yarımkeçirici nasoslu lazerlərin lifə səmərəli şəkildə yeridilməsinə imkan verir və bu, lifi çevirmək üçün daha qənaətli üsul yaradır. yüksək güclü yarımkeçirici lazeri daha parlaq lazerə çevirir. İtterbium (Yb) qatqılı liflər üçün nasos 915 nm-də mərkəzləşdirilmiş geniş udma və ya 976 nm ətrafında dar bir zolaq xüsusiyyətini həyəcanlandırır. Pompanın dalğa uzunluğu fiber lazerin dalğa uzunluğuna yaxınlaşdıqca, kvant qüsurları azalır və bununla da səmərəliliyi maksimuma çatdırır və istilik yayılmasının miqdarını minimuma endirir.
Həm fiber lazerlər, həm də diodla vurulan bərk vəziyyətli lazerlər diod lazer parlaqlığının təkmilləşdirilməsinə əsaslanır. Ümumiyyətlə, diod lazerlərinin parlaqlığı yaxşılaşmağa davam etdikcə, onların vurduğu lazer gücünün nisbəti də artır. Yarımkeçirici lazerlərin artan parlaqlığı parlaqlığın daha səmərəli çevrilməsini asanlaşdırır.
Gözlədiyimiz kimi, gələcək sistemlər üçün fəza və spektral parlaqlıq lazım olacaq ki, bu da bərk cisimli lazerlərdə dar udma xüsusiyyətləri ilə aşağı kvant qüsurlarının pompalanmasına və birbaşa yarımkeçirici lazer tətbiqləri üçün sıx dalğa uzunluğunun multipleksləşməsinə imkan verəcək. Plan mümkün olur.
Bazar və Tətbiq
Yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin inkişafı bir çox vacib tətbiqləri mümkün etmişdir. Bu lazerlər bir çox ənənəvi texnologiyaları əvəz etdi və yeni məhsul kateqoriyalarını tətbiq etdi.
Hər onillikdə maya dəyəri və performansının 10 dəfə artması ilə yüksək güclü yarımkeçirici lazerlər bazarın normal fəaliyyətini gözlənilməz şəkildə pozur. Gələcək tətbiqləri dəqiq proqnozlaşdırmaq çətin olsa da, son üç onilliyin inkişaf tarixini nəzərdən keçirmək və növbəti onilliyin inkişafı üçün çərçivə imkanlarını təmin etmək çox vacibdir (bax Şəkil 2).

Şəkil 2. Yüksək güclü yarımkeçirici lazer parlaqlığının yanacaq tətbiqi (bir vatt parlaqlıq üçün standartlaşdırma dəyəri)
1980-ci illər: Optik yaddaş və ilkin niş tətbiqləri. Optik yaddaş yarımkeçirici lazer sənayesində ilk geniş miqyaslı tətbiqdir. Hall infraqırmızı yarımkeçirici lazeri ilk dəfə nümayiş etdirdikdən qısa müddət sonra General Electrics Nik Holonyak da ilk görünən qırmızı yarımkeçirici lazeri göstərdi. İyirmi il sonra, kompakt disklər (CD), daha sonra optik yaddaş bazarı təqdim edildi.
Yarımkeçirici lazer texnologiyasının daimi innovasiyası rəqəmsal çox yönlü disk (DVD) və Blu-ray Disk (BD) kimi optik yaddaş texnologiyalarının inkişafına səbəb olmuşdur. Bu, yarımkeçirici lazerlər üçün ilk böyük bazardır, lakin ümumiyyətlə təvazökar güc səviyyələri digər tətbiqləri termal çap, tibbi proqramlar və seçilmiş aerokosmik və müdafiə proqramları kimi nisbətən kiçik niş bazarlarla 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 rejimli nasos lazerləri optik şəbəkələrin miqyasına nail olmaq və İnternet məlumatlarının artımını həqiqətən dəstəkləmək üçün çox vacibdir.
Onun gətirdiyi telekommunikasiya sənayesi bumu, yüksək güclü yarımkeçirici lazer sənayesində ilk qabaqcıllardan biri olan Spectra Diode Labs (SDL)-ni nümunə götürərək geniş əhatəlidir. 1983-cü ildə qurulan SDL Newport Group-un lazer markaları Spectra-Physics və Xerox arasında birgə müəssisədir. 1995-ci ildə bazar kapitalizasiyası təxminən 100 milyon ABŞ dolları ilə başlamışdır. Beş il sonra, SDL telekommunikasiya sənayesinin zirvəsi zamanı JDSU-ya 40 milyard dollardan çox qiymətə satıldı ki, bu da tarixdəki ən böyük texnologiya alışlarından biridir. Tezliklə telekommunikasiya köpüyü partladı və trilyonlarla dollarlıq kapitalı məhv etdi, indi tarixin ən böyük köpüyü kimi görünür.
2000-ci illər: Lazerlər bir vasitəyə çevrildi. Telekommunikasiya bazarındakı köpüyün partlaması son dərəcə dağıdıcı olsa da, yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərə böyük sərmayə daha geniş tətbiq üçün zəmin yaratdı. Performans və qiymət artdıqca, bu lazerlər müxtəlif proseslərdə ənənəvi qaz lazerlərini və ya digər enerji çevrilmə mənbələrini əvəz etməyə başlayır.
Yarımkeçirici lazerlər geniş istifadə olunan alətə çevrilmişdir. Sənaye tətbiqləri kəsmə və lehimləmə kimi ənənəvi istehsal proseslərindən tutmuş 3D çap edilmiş metal hissələrin əlavə istehsalı kimi yeni qabaqcıl istehsal texnologiyalarına qədər dəyişir. Mikro istehsal proqramları daha müxtəlifdir, çünki smartfonlar kimi əsas məhsullar bu lazerlərlə kommersiyalaşdırılıb. Aerokosmik və müdafiə tətbiqləri missiya üçün kritik tətbiqlərin geniş spektrini əhatə edir və çox güman ki, gələcəkdə yeni nəsil istiqamətləndirici enerji sistemlərini əhatə edəcək.
cəmləşdirmək 
50 ildən çox əvvəl Mur fizikanın yeni əsas qanununu təklif etmədi, lakin on il əvvəl ilk dəfə öyrənilən inteqral sxemlərdə böyük təkmilləşdirmələr etdi. Onun peyğəmbərliyi onilliklər boyu davam etdi və özü ilə 1965-ci ildə ağlasığmaz bir sıra pozucu yeniliklər gətirdi.
Hall 50 ildən çox əvvəl yarımkeçirici lazerləri nümayiş etdirəndə texnoloji inqilaba səbəb oldu. Mur Qanununda olduğu kimi, çoxlu sayda yeniliklər nəticəsində əldə edilən yüksək intensivlikli yarımkeçirici lazerlərin sonradan keçəcəyi yüksək sürətli inkişafı heç kim proqnozlaşdıra bilməz.
Fizikada bu texnoloji təkmilləşdirmələrə nəzarət etmək üçün heç bir fundamental qayda yoxdur, lakin davamlı texnoloji inkişaf lazeri parlaqlıq baxımından irəliləyə bilər. Bu tendensiya ənənəvi texnologiyaların yerini tutmağa davam edəcək və beləliklə, işlərin inkişaf tərzini daha da dəyişdirəcək. İqtisadi artım üçün daha vacib olan yüksək güclü yarımkeçirici lazerlər də yeni şeylərin yaranmasına kömək edəcək.