الماضي والمستقبل لليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة

ومع استمرار زيادة الكفاءة والقوة، ستستمر صمامات الليزر الثنائية في استبدال التقنيات التقليدية، وتغيير طريقة التعامل مع الأشياء، وتحفيز ولادة أشياء جديدة.
تقليديا، يعتقد الاقتصاديون أن التقدم التكنولوجي هو عملية تدريجية. في الآونة الأخيرة، ركزت الصناعة بشكل أكبر على الابتكارات الثورية التي يمكن أن تسبب انقطاعات. هذه الابتكارات، المعروفة باسم تقنيات الأغراض العامة (GPTs)، هي "أفكار أو تقنيات جديدة عميقة قد يكون لها تأثير كبير على العديد من جوانب الاقتصاد". عادة ما يستغرق تطوير التكنولوجيا العامة عدة عقود، وحتى فترة أطول ستؤدي إلى زيادة في الإنتاجية. في البداية، لم يتم فهمهم جيدًا. وحتى بعد تسويق هذه التكنولوجيا تجاريًا، كان هناك تأخر طويل الأمد في اعتماد الإنتاج. الدوائر المتكاملة هي مثال جيد. تم تقديم الترانزستورات لأول مرة في أوائل القرن العشرين، لكنها كانت تستخدم على نطاق واسع حتى وقت متأخر من المساء.
توقع جوردون مور، أحد مؤسسي قانون مور، في عام 1965 أن تتطور أشباه الموصلات بمعدل أسرع، "مما يزيد من شعبية الإلكترونيات ويدفع هذا العلم إلى العديد من المجالات الجديدة". وعلى الرغم من تنبؤاته الجريئة والدقيقة بشكل غير متوقع، فقد شهد عقودًا من التحسين المستمر قبل تحقيق الإنتاجية والنمو الاقتصادي.
وبالمثل، فإن فهم التطور الدراماتيكي لأشعة ليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة محدود. في عام 1962، أظهرت الصناعة لأول مرة تحويل الإلكترونات إلى أشعة ليزر، تلاها عدد من التطورات التي أدت إلى تحسينات كبيرة في تحويل الإلكترونات إلى عمليات ليزر عالية الإنتاجية. يمكن أن تدعم هذه التحسينات مجموعة من التطبيقات المهمة، بما في ذلك التخزين البصري والشبكات الضوئية ومجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية.
إن التذكير بهذه التطورات والتحسينات العديدة التي سلطت الضوء عليها قد سلطت الضوء على إمكانية إحداث تأثير أكبر وأوسع نطاقا على العديد من جوانب الاقتصاد. في الواقع، مع التحسين المستمر لأشعة ليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة، سيزداد نطاق التطبيقات المهمة وسيكون لها تأثير عميق على النمو الاقتصادي.
تاريخ ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة
في 16 سبتمبر 1962، أظهر فريق بقيادة روبرت هول من جنرال إلكتريك انبعاث الأشعة تحت الحمراء لأشباه الموصلات زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، والتي لها أنماط تداخل "غريبة"، مما يعني تماسك الليزر - ولادة أول ليزر أشباه الموصلات. اعتقد هول في البداية أن ليزر أشباه الموصلات كان "بعيد المنال" لأن الثنائيات الباعثة للضوء في ذلك الوقت كانت غير فعالة للغاية. وفي الوقت نفسه، كان أيضًا متشككًا بشأن هذا لأن الليزر الذي تم تأكيده قبل عامين والموجود بالفعل يتطلب "مرآة دقيقة".
في صيف عام 1962، قال هالي إنه صُدم من الثنائيات الباعثة للضوء GaAs الأكثر كفاءة والتي طورها مختبر لينكولن في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. بعد ذلك، قال إنه كان محظوظًا لأنه تمكن من الاختبار باستخدام بعض مواد GaAs عالية الجودة واستخدم خبرته كعالم فلك هاوٍ لتطوير طريقة لتلميع حواف رقائق GaAs لتشكيل تجويف.
يعتمد عرض هول الناجح على تصميم ارتداد الإشعاع ذهابًا وإيابًا عند الواجهة بدلاً من الارتداد العمودي. وقال بتواضع إنه لم يأت أحد "بهذه الفكرة". في الواقع، تصميم هول هو في الأساس مصادفة محظوظة لأن المادة شبه الموصلة التي تشكل الدليل الموجي لها أيضًا خاصية الحد من الموجات الحاملة ثنائية القطب في نفس الوقت. وإلا فإنه من المستحيل تحقيق ليزر أشباه الموصلات. باستخدام مواد شبه موصلة مختلفة، يمكن تشكيل دليل موجي لوحي لتداخل الفوتونات مع الموجات الحاملة.
كانت هذه العروض الأولية في شركة جنرال إلكتريك بمثابة إنجاز كبير. ومع ذلك، فإن أجهزة الليزر هذه بعيدة عن أن تكون أجهزة عملية. من أجل تعزيز ولادة أشعة ليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة، يجب تحقيق دمج التقنيات المختلفة. بدأت الابتكارات التكنولوجية الرئيسية بفهم مواد أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة المباشرة وتقنيات نمو البلورات.
وشملت التطورات اللاحقة اختراع أشعة الليزر المزدوجة غير المتجانسة والتطوير اللاحق لأشعة ليزر الآبار الكمومية. ويكمن مفتاح تعزيز هذه التقنيات الأساسية في تحسين الكفاءة وتطوير تقنية تخميل التجاويف وتبديد الحرارة والتعبئة والتغليف.
سطوع
لقد أدى الابتكار على مدى العقود القليلة الماضية إلى تحسينات مثيرة. على وجه الخصوص، تحسين السطوع ممتاز. في عام 1985، تمكن ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة المتطور من دمج 105 ملي واط من الطاقة في ألياف أساسية بقطر 105 ميكرون. يمكن الآن لأشعة الليزر شبه الموصلة عالية الطاقة الأكثر تقدمًا إنتاج أكثر من 250 واط من الألياف ذات 105 ميكرون بطول موجي واحد - أي بزيادة قدرها 10 أضعاف كل ثماني سنوات.

تصور مور "تثبيت المزيد من المكونات في الدائرة المتكاملة" - ثم زاد عدد الترانزستورات لكل شريحة بمقدار 10 مرات كل 7 سنوات. من قبيل الصدفة، تقوم أشعة ليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة بدمج المزيد من الفوتونات في الألياف بمعدلات أسية مماثلة (انظر الشكل 1).

الشكل 1. سطوع أشعة ليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة والمقارنة مع قانون مور
أدى التحسن في سطوع أشعة ليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة إلى تعزيز تطوير العديد من التقنيات غير المتوقعة. وعلى الرغم من أن استمرار هذا الاتجاه يتطلب المزيد من الابتكار، إلا أن هناك سببًا للاعتقاد بأن ابتكار تكنولوجيا ليزر أشباه الموصلات لا يزال بعيدًا عن الاكتمال. يمكن للفيزياء المعروفة تحسين أداء ليزر أشباه الموصلات من خلال التطوير التكنولوجي المستمر.
على سبيل المثال، يمكن لوسائط كسب النقاط الكمومية أن تزيد الكفاءة بشكل ملحوظ مقارنة بأجهزة البئر الكمومية الحالية. يوفر سطوع المحور البطيء ترتيبًا آخر لإمكانية تحسين الحجم. ستوفر مواد التغليف الجديدة ذات المطابقة الحرارية والتمددية المحسنة التحسينات اللازمة لضبط الطاقة المستمر والإدارة الحرارية المبسطة. ستوفر هذه التطورات الرئيسية خريطة طريق لتطوير أشعة ليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة في العقود القادمة.
ليزر الحالة الصلبة والألياف الذي يتم ضخه بالديود
جعلت التحسينات في ليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة من تطوير تقنيات الليزر النهائية أمرًا ممكنًا؛ في تقنيات الليزر النهائية، يتم استخدام ليزر أشباه الموصلات لإثارة (ضخ) البلورات المخدرة (ليزر الحالة الصلبة المضخ بالديود) أو الألياف المنشطات (ليزر الألياف).
على الرغم من أن ليزرات أشباه الموصلات توفر طاقة ليزر عالية الكفاءة ومنخفضة التكلفة، إلا أن هناك عيبين رئيسيين: فهي لا تخزن الطاقة وسطوعها محدود. بشكل أساسي، يجب استخدام هذين الليزرين في العديد من التطبيقات: أحدهما لتحويل الكهرباء إلى انبعاث ليزر والآخر لتعزيز سطوع انبعاث الليزر.
ليزر الحالة الصلبة الذي يتم ضخه بالديود. في أواخر الثمانينات، بدأ استخدام ليزر أشباه الموصلات لضخ أشعة الليزر ذات الحالة الصلبة يكتسب شعبية في التطبيقات التجارية. تعمل ليزرات الحالة الصلبة التي يتم ضخها بالديود (DPSSL) على تقليل حجم وتعقيد أنظمة الإدارة الحرارية بشكل كبير (مبردات إعادة التدوير بشكل أساسي) والحصول على وحدات تحتوي تاريخياً على مصابيح قوسية لضخ بلورات ليزر الحالة الصلبة.
يتم اختيار الأطوال الموجية لليزر أشباه الموصلات بناءً على تداخلها مع خصائص الامتصاص الطيفي لوسط كسب ليزر الحالة الصلبة؛ يتم تقليل الحمل الحراري بشكل كبير مقارنة بطيف الانبعاث واسع النطاق لمصباح القوس. نظرًا لشعبية الليزر المعتمد على الجرمانيوم 1064 نانومتر، أصبح الطول الموجي للمضخة 808 نانومتر هو أكبر طول موجي في ليزر أشباه الموصلات لأكثر من 20 عامًا.
مع زيادة سطوع ليزر أشباه الموصلات متعدد الأوضاع والقدرة على تثبيت عرض خط الباعث الضيق باستخدام شبكات Bragg الحجمية (VBGs) في منتصف عام 2000، تم تحقيق الجيل الثاني من كفاءة ضخ الصمام الثنائي المحسنة. أصبحت ميزات الامتصاص الأضعف والضيقة طيفيًا حوالي 880 نانومتر بمثابة نقاط ساخنة لثنائيات المضخة عالية السطوع. يمكن لهذه الثنائيات تحقيق الاستقرار الطيفي. يمكن لهذه الليزرات عالية الأداء أن تثير مباشرة المستوى العلوي لليزر 4F3/2 في السيليكون، مما يقلل العيوب الكمومية، وبالتالي تحسين استخلاص الأنماط الأساسية ذات المتوسط ​​الأعلى التي قد تكون محدودة بالعدسات الحرارية.
بحلول بداية عام 2010، شهدنا اتجاه التوسع عالي الطاقة لليزر 1064 نانومتر أحادي الوضع المتقاطع والسلسلة ذات الصلة من ليزر تحويل التردد الذي يعمل في النطاقات المرئية والأشعة فوق البنفسجية. نظرًا لعمر حالة الطاقة العالية الأطول لـ Nd:YAG وNd:YVO4، توفر عمليات التبديل DPSSL Q هذه طاقة نبضية عالية وقدرة ذروة، مما يجعلها مثالية لمعالجة المواد الاستئصالية وتطبيقات التصنيع الدقيقة عالية الدقة.
ليزر الألياف الضوئية. توفر ألياف الليزر طريقة أكثر كفاءة لتحويل سطوع ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة. على الرغم من أن البصريات ذات الطول الموجي المتعدد يمكن أن تحول ليزر أشباه الموصلات منخفض الإضاءة نسبيًا إلى ليزر أشباه الموصلات أكثر سطوعًا، إلا أن هذا يكون على حساب زيادة العرض الطيفي والتعقيد الميكانيكي البصري. لقد ثبت أن ليزر الألياف فعال بشكل خاص في التحويل الضوئي.
تستخدم الألياف المزدوجة المغطاة التي تم تقديمها في التسعينيات أليافًا أحادية الوضع محاطة بكسوة متعددة الأوضاع، مما يتيح حقن ليزر أشباه الموصلات متعدد الوسائط عالي الطاقة ومنخفض التكلفة بكفاءة في الألياف، مما يخلق طريقة أكثر اقتصادًا لتحويل ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة إلى ليزر أكثر سطوعًا. بالنسبة للألياف المخدرة بالإيتربيوم (Yb)، تثير المضخة امتصاصًا واسعًا يتمركز عند 915 نانومتر أو يتميز بنطاق ضيق يبلغ حوالي 976 نانومتر. عندما يقترب الطول الموجي للمضخة من الطول الموجي لليزر الليفي، يتم تقليل ما يسمى بالعيوب الكمية، وبالتالي زيادة الكفاءة وتقليل كمية تبديد الحرارة.
يعتمد كل من ليزر الألياف وأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة التي يتم ضخها بالديود على تحسينات في سطوع ليزر الصمام الثنائي. بشكل عام، مع استمرار تحسن سطوع ليزرات الصمام الثنائي، فإن نسبة طاقة الليزر التي تضخها تتزايد أيضًا. يسهل السطوع المتزايد لأشعة ليزر أشباه الموصلات تحويل السطوع بشكل أكثر كفاءة.
كما نتوقع، سيكون السطوع المكاني والطيفي ضروريًا للأنظمة المستقبلية، مما سيمكن من ضخ عيب كمي منخفض مع خصائص امتصاص ضيقة في ليزرات الحالة الصلبة وتعدد إرسال الطول الموجي الكثيف لتطبيقات ليزر أشباه الموصلات المباشرة. تصبح الخطة ممكنة.
السوق والتطبيق
لقد أدى تطوير ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة إلى جعل العديد من التطبيقات المهمة ممكنة. لقد حلت أجهزة الليزر هذه محل العديد من التقنيات التقليدية وطبقت فئات منتجات جديدة.
مع زيادة التكلفة والأداء بمقدار 10 أضعاف كل عقد، تعمل أشعة الليزر شبه الموصلة عالية الطاقة على تعطيل التشغيل العادي للسوق بطرق لا يمكن التنبؤ بها. على الرغم من أنه من الصعب التنبؤ بدقة بالتطبيقات المستقبلية، إلا أنه من المهم جدًا مراجعة تاريخ التطوير في العقود الثلاثة الماضية وتوفير إمكانيات إطارية لتطوير العقد القادم (انظر الشكل 2).

الشكل 2. تطبيق وقود سطوع ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة (تكلفة التقييس لكل سطوع واط)
الثمانينيات: التخزين البصري والتطبيقات المتخصصة الأولية. يعد التخزين البصري أول تطبيق واسع النطاق في صناعة ليزر أشباه الموصلات. بعد وقت قصير من قيام هول لأول مرة بعرض ليزر أشباه الموصلات بالأشعة تحت الحمراء، أظهر نيك هولونياك من شركة جنرال إلكتريك أيضًا أول ليزر أحمر مرئي لأشباه الموصلات. وبعد مرور عشرين عامًا، تم طرح الأقراص المضغوطة (CDs) في السوق، وتلاها سوق التخزين البصري.
أدى الابتكار المستمر لتقنية ليزر أشباه الموصلات إلى تطوير تقنيات التخزين الضوئي مثل القرص الرقمي متعدد الاستخدامات (DVD) وقرص Blu-ray (BD). هذا هو أول سوق كبير لليزر أشباه الموصلات، ولكن مستويات الطاقة المتواضعة بشكل عام تحد من التطبيقات الأخرى في الأسواق المتخصصة الصغيرة نسبيًا مثل الطباعة الحرارية والتطبيقات الطبية وتطبيقات الفضاء والدفاع المختارة.
التسعينيات: انتشار الشبكات الضوئية. في التسعينيات، أصبح ليزر أشباه الموصلات هو المفتاح لشبكات الاتصالات. تُستخدم أشعة ليزر أشباه الموصلات لنقل الإشارات عبر شبكات الألياف الضوئية، لكن أشعة الليزر ذات المضخة أحادية الوضع ذات الطاقة العالية للمضخمات الضوئية تعد ضرورية لتحقيق نطاق الشبكات الضوئية ودعم نمو بيانات الإنترنت بشكل حقيقي.
إن ازدهار صناعة الاتصالات السلكية واللاسلكية الذي أحدثته بعيد المدى، مع أخذ Spectra Diode Labs (SDL)، أحد الرواد الأوائل في صناعة ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة كمثال. تأسست SDL في عام 1983، وهي مشروع مشترك بين علامتي الليزر Spectra-Physics وXerox التابعتين لمجموعة Newport Group. تم إطلاقها في عام 1995 برأسمال سوقي يبلغ حوالي 100 مليون دولار. وبعد خمس سنوات، تم بيع SDL إلى JDSU مقابل أكثر من 40 مليار دولار خلال ذروة صناعة الاتصالات، وهي واحدة من أكبر عمليات الاستحواذ على التكنولوجيا في التاريخ. وبعد فترة وجيزة، انفجرت فقاعة الاتصالات ودمرت تريليونات الدولارات من رأس المال، والتي يُنظر إليها الآن على أنها أكبر فقاعة في التاريخ.
العقد الأول من القرن الحادي والعشرين: أصبح الليزر أداة. على الرغم من أن انفجار فقاعة سوق الاتصالات السلكية واللاسلكية مدمر للغاية، فإن الاستثمار الضخم في أشعة الليزر شبه الموصلة عالية الطاقة قد أرسى الأساس لاعتمادها على نطاق أوسع. مع زيادة الأداء والتكلفة، بدأت أجهزة الليزر هذه في استبدال أجهزة ليزر الغاز التقليدية أو مصادر تحويل الطاقة الأخرى في مجموعة متنوعة من العمليات.
أصبحت أشعة الليزر أشباه الموصلات أداة مستخدمة على نطاق واسع. تتراوح التطبيقات الصناعية من عمليات التصنيع التقليدية مثل القطع واللحام إلى تقنيات التصنيع المتقدمة الجديدة مثل التصنيع الإضافي للأجزاء المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد. أصبحت تطبيقات التصنيع الدقيقة أكثر تنوعًا، حيث تم تسويق المنتجات الرئيسية مثل الهواتف الذكية باستخدام أجهزة الليزر هذه. تتضمن تطبيقات الفضاء الجوي والدفاع مجموعة واسعة من التطبيقات ذات المهام الحرجة ومن المرجح أن تشمل أنظمة الطاقة الاتجاهية من الجيل التالي في المستقبل.
لتلخيص 
منذ أكثر من 50 عامًا، لم يقترح مور قانونًا أساسيًا جديدًا للفيزياء، لكنه أدخل تحسينات كبيرة على الدوائر المتكاملة التي تمت دراستها لأول مرة قبل عشر سنوات. وقد استمرت نبوته لعقود من الزمن، وجلبت معها سلسلة من الابتكارات المدمرة التي لم يكن من الممكن تصورها في عام 1965.
عندما استعرض هول أشعة الليزر شبه الموصلة منذ أكثر من 50 عامًا، أحدث ذلك ثورة تكنولوجية. وكما هو الحال مع قانون مور، لا يستطيع أحد أن يتنبأ بالتطور عالي السرعة الذي ستخضع له فيما بعد ليزرات أشباه الموصلات عالية الكثافة التي حققها عدد كبير من الابتكارات.
لا توجد قاعدة أساسية في الفيزياء للتحكم في هذه التحسينات التكنولوجية، لكن التقدم التكنولوجي المستمر قد يؤدي إلى تقدم الليزر من حيث السطوع. وسيستمر هذا الاتجاه في استبدال التقنيات التقليدية، وبالتالي تغيير طريقة تطوير الأشياء. والأهم من ذلك بالنسبة للنمو الاقتصادي هو أن أشعة الليزر شبه الموصلة عالية الطاقة ستعزز أيضًا ولادة أشياء جديدة.