ماضي ومستقبل ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة

مع استمرار زيادة الكفاءة والطاقة ، ستستمر ديودات الليزر في استبدال التقنيات التقليدية ، وتغيير الطريقة التي يتم بها التعامل مع الأشياء ، وتحفيز ولادة أشياء جديدة.
تقليديا ، يعتقد الاقتصاديون أن التقدم التكنولوجي هو عملية تدريجية. في الآونة الأخيرة ، ركزت الصناعة بشكل أكبر على الابتكار التخريبي الذي يمكن أن يسبب الانقطاعات. هذه الابتكارات ، المعروفة باسم تقنيات الأغراض العامة (GPTs) ، هي "أفكار أو تقنيات جديدة عميقة قد يكون لها تأثير كبير على العديد من جوانب الاقتصاد." عادةً ما يستغرق تطوير التكنولوجيا العامة عدة عقود ، وحتى فترة أطول ستؤدي إلى زيادة الإنتاجية. في البداية ، لم تكن مفهومة جيدًا. حتى بعد أن تم تسويق التكنولوجيا ، كان هناك تأخر طويل الأمد في اعتماد الإنتاج. الدوائر المتكاملة مثال جيد. تم إدخال الترانزستورات لأول مرة في أوائل القرن العشرين ، لكنها كانت تستخدم على نطاق واسع حتى وقت متأخر من المساء.
أحد مؤسسي قانون مور ، جوردون مور ، تنبأ في عام 1965 أن أشباه الموصلات سوف تتطور بمعدل أسرع ، "مما يجلب شعبية الإلكترونيات ويدفع هذا العلم إلى العديد من المجالات الجديدة". على الرغم من تنبؤاته الجريئة والدقيقة بشكل غير متوقع ، فقد خضع لعقود من التحسين المستمر قبل تحقيق الإنتاجية والنمو الاقتصادي.
وبالمثل ، فإن فهم التطور الدراماتيكي لليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة محدود. في عام 1962 ، أثبتت الصناعة لأول مرة تحويل الإلكترونات إلى 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 الضوئي والشبكات الضوئية ومجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية.
وقد سلط التذكير بهذه التطورات والتحسينات العديدة التي سلطت الضوء عليها الضوء على إمكانية حدوث تأثير أكبر وأكثر انتشارًا على العديد من جوانب الاقتصاد. في الواقع ، مع التحسين المستمر لليزر 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 ، عرض فريق بقيادة روبرت هول من جنرال إلكتريك انبعاث الأشعة تحت الحمراء لأشباه موصلات 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 "طلقة طويلة" لأن الثنائيات الباعثة للضوء في ذلك الوقت كانت غير فعالة للغاية. في الوقت نفسه ، كان أيضًا متشككًا في هذا الأمر لأن الليزر الذي تم تأكيده قبل عامين وهو موجود بالفعل يتطلب "مرآة دقيقة".
في صيف عام 1962 ، قال هالي إنه صُدم من الثنائيات الباعثة للضوء الأكثر كفاءة التي طورها مختبر MIT Lincoln. بعد ذلك ، قال إنه كان محظوظًا لأنه كان قادرًا على الاختبار باستخدام بعض مواد GaAs عالية الجودة واستخدم خبرته كعالم فلك هاوٍ لتطوير طريقة لتلميع حواف رقائق GaAs لتشكيل تجويف.
يعتمد العرض التوضيحي الناجح لـ Hall على تصميم ارتداد الإشعاع ذهابًا وإيابًا عند الواجهة بدلاً من الارتداد الرأسي. قال بتواضع إن أحداً "لم يأت بهذه الفكرة". في الواقع ، يعد تصميم Hall في الأساس مصادفة محظوظة أن مادة أشباه الموصلات التي تشكل الدليل الموجي لها أيضًا خاصية الحد من الناقلات ثنائية القطب في نفس الوقت. خلاف ذلك ، من المستحيل تحقيق ليزر أشباه الموصلات. باستخدام مواد غير متشابهة من أشباه الموصلات ، يمكن تشكيل دليل موجة بلاطة لتداخل الفوتونات مع الموجات الحاملة.
كانت هذه المظاهرات التمهيدية في جنرال إلكتريك بمثابة اختراق كبير. ومع ذلك ، فإن أجهزة الليزر هذه بعيدة كل البعد عن كونها أجهزة عملية. من أجل تعزيز ولادة ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة ، يجب تحقيق اندماج التقنيات المختلفة. بدأت الابتكارات التكنولوجية الرئيسية بفهم مواد أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة المباشرة وتقنيات نمو البلورات.
تضمنت التطورات اللاحقة اختراع ليزرات مزدوجة غير متجانسة والتطور اللاحق لليزر آبار الكم. يكمن مفتاح تعزيز هذه التقنيات الأساسية في تحسين الكفاءة وتطوير تخميل التجويف وتبديد الحرارة وتكنولوجيا التعبئة والتغليف.
سطوع
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 الجمع بين 105 ملي واط من الطاقة في ألياف نواة 105 ميكرون. يمكن أن ينتج ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة الأكثر تقدمًا الآن أكثر من 250 واط من ألياف 105 ميكرون بطول موجي واحد - بزيادة قدرها 10 أضعاف كل ثماني سنوات.

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

الشكل 1. سطوع ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة ومقارنته بقانون مور
أدى التحسن في سطوع ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة إلى تعزيز تطوير تقنيات مختلفة غير متوقعة. على الرغم من أن استمرار هذا الاتجاه يتطلب المزيد من الابتكار ، إلا أن هناك سببًا للاعتقاد بأن ابتكار تقنية ليزر أشباه الموصلات لم يكتمل بعد. يمكن للفيزياء المعروفة تحسين أداء ليزر أشباه الموصلات من خلال التطوير التكنولوجي المستمر.
على سبيل المثال ، يمكن لوسائط كسب النقاط الكمومية زيادة الكفاءة بشكل كبير مقارنة بأجهزة الآبار الكمية الحالية. يوفر سطوع المحور البطيء ترتيبًا آخر لإمكانية تحسين الحجم. ستوفر مواد التغليف الجديدة ذات المطابقة الحرارية المحسنة والتمدد التحسينات اللازمة لتعديل الطاقة المستمر والإدارة الحرارية المبسطة. ستوفر هذه التطورات الرئيسية خارطة طريق لتطوير ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة في العقود القادمة.
ليزر الحالة الصلبة والألياف المضغوطة بالديود
جعلت التحسينات في ليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة من تطوير تقنيات الليزر النهائية ؛ في تقنيات الليزر النهائية ، يتم استخدام ليزر أشباه الموصلات لإثارة (ضخ) البلورات المخدرة (ليزر الحالة الصلبة المضخوخ بالديود) أو الألياف المخدرة (ليزر الألياف).
على الرغم من أن ليزر أشباه الموصلات يوفر طاقة ليزر عالية الكفاءة ومنخفضة التكلفة ، إلا أن هناك قيدين رئيسيين: لا يخزن الطاقة وسطوعه 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 يضخه الصمام الثنائي. في أواخر الثمانينيات ، بدأ استخدام أشعة الليزر شبه الموصلة لضخ ليزر الحالة الصلبة يكتسب شعبية في التطبيقات التجارية. تعمل ليزرات الحالة الصلبة التي يتم ضخها بواسطة الصمام الثنائي (DPSSL) على تقليل حجم وتعقيد أنظمة الإدارة الحرارية (المبردات المعاد تدويرها بشكل أساسي) والحصول على الوحدات التي جمعت تاريخياً مصابيح القوس لضخ بلورات الليزر ذات الحالة الصلبة.
يتم اختيار الأطوال الموجية لأشعة الليزر شبه الموصلة بناءً على تداخلها مع خصائص الامتصاص الطيفي لوسط كسب ليزر الحالة الصلبة ؛ يتم تقليل الحمل الحراري بشكل كبير مقارنة بطيف الانبعاث واسع النطاق للمصباح القوسي. نظرًا لشعبية الليزر القائم على الجرمانيوم 1064 نانومتر ، أصبح الطول الموجي للمضخة 808 نانومتر أكبر طول موجي في ليزر أشباه الموصلات لأكثر من 20 عامًا.
مع زيادة سطوع ليزر أشباه الموصلات متعدد الأوضاع والقدرة على تثبيت عرض خط المرسل الضيق مع حواجز شبكية Bragg ذات الحجم (VBGs) في منتصف عام 2000 ، تم تحقيق الجيل الثاني من تحسين كفاءة ضخ الصمام الثنائي. أصبحت ميزات الامتصاص الأضعف والضيقة طيفيًا حول 880 نانومتر نقاطًا ساخنة لثنائيات المضخة عالية السطوع. يمكن لهذه الثنائيات أن تحقق الاستقرار الطيفي. يمكن لهذه الليزرات ذات الأداء العالي أن تثير مباشرة المستوى العلوي لليزر 4F3 / 2 في السيليكون ، مما يقلل من العيوب الكمومية ، وبالتالي يحسن استخراج الأنماط الأساسية ذات المتوسط ​​الأعلى التي قد تكون مقيدة بالعدسات الحرارية.
بحلول بداية عام 2010 ، شهدنا اتجاه التحجيم عالي الطاقة لليزر 1064 نانومتر أحادي الوضع وسلسلة ذات صلة من ليزر تحويل التردد التي تعمل في النطاقات المرئية والأشعة فوق البنفسجية. نظرًا للأعمار الأطول لحالة الطاقة العالية لـ Nd: YAG و Nd: YVO4 ، توفر عمليات التحويل DPSSL Q طاقة نبضة عالية وقوة ذروة ، مما يجعلها مثالية لمعالجة المواد الجر والتطبيقات الدقيقة عالية الدقة.
ليزر الألياف الضوئية. توفر ليزر الألياف طريقة أكثر فاعلية لتحويل سطوع ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة. على الرغم من أن البصريات ذات الطول الموجي متعددة الإرسال يمكن أن تحول ليزر أشباه الموصلات منخفض الإضاءة نسبيًا إلى ليزر أشباه موصلات أكثر إشراقًا ، فإن هذا على حساب زيادة العرض الطيفي والتعقيد الميكانيكي البصري. لقد ثبت أن ليزر الألياف فعال بشكل خاص في التحويل الضوئي.
تستخدم الألياف المزدوجة الغلاف التي تم إدخالها في التسعينيات أليافًا أحادية الوضع محاطة بكسوة متعددة الأوضاع ، مما يتيح حقن أشعة الليزر التي يتم ضخها بأشباه الموصلات ذات الطاقة الأعلى والأقل تكلفة في الألياف ، مما يخلق طريقة أكثر اقتصادية لتحويل ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة إلى ليزر أكثر إشراقًا. بالنسبة للألياف المخدرة بالإيتربيوم (Yb) ، تثير المضخة امتصاصًا واسعًا يتمركز عند 915 نانومتر أو يتميز النطاق الضيق بحوالي 976 نانومتر. مع اقتراب الطول الموجي للمضخة من الطول الموجي لليزر الليفي ، يتم تقليل ما يسمى بعيوب الكم ، وبالتالي زيادة الكفاءة وتقليل مقدار تبديد الحرارة.
تعتمد كل من الليزرات الليفية وليزر الحالة الصلبة المضخوخة بصمام ثنائي على تحسينات في سطوع ليزر الصمام الثنائي. بشكل عام ، مع استمرار تحسن سطوع ليزر الصمام الثنائي ، تزداد أيضًا نسبة طاقة الليزر التي يضخونها. تسهل زيادة سطوع ليزر أشباه الموصلات تحويل السطوع بكفاءة أكبر.
كما نتوقع ، سيكون السطوع المكاني والطيفي ضروريًا للأنظمة المستقبلية ، مما سيمكن من الضخ المنخفض للعيوب الكمومية بخصائص امتصاص ضيقة في ليزر 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. حلت هذه الليزرات محل العديد من التقنيات التقليدية وطبقت فئات منتجات جديدة.
مع زيادة التكلفة والأداء بمقدار 10 أضعاف لكل عقد ، تعمل أشعة الليزر شبه الموصلة عالية الطاقة على تعطيل التشغيل العادي للسوق بطرق غير متوقعة. على الرغم من صعوبة التنبؤ بدقة بالتطبيقات المستقبلية ، إلا أنه من المهم للغاية مراجعة تاريخ التطوير للعقود الثلاثة الماضية وتوفير إمكانات إطار العمل لتطوير العقد المقبل (انظر الشكل 2).

الشكل 2. تطبيق وقود سطوع ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة (تكلفة التقييس لكل سطوع واط)
الثمانينيات: التخزين البصري والتطبيقات المتخصصة الأولية. التخزين البصري هو أول تطبيق واسع النطاق في صناعة ليزر أشباه الموصلات. بعد وقت قصير من عرض هول لأول مرة ليزر أشباه الموصلات بالأشعة تحت الحمراء ، أظهر جنرال إلكتريك نيك هولونياك أيضًا أول ليزر أحمر أشباه موصلات مرئي. بعد عشرين عامًا ، تم طرح الأقراص المضغوطة (CDs) في السوق ، تليها سوق التخزين الضوئي.
أدى الابتكار المستمر لتقنية ليزر أشباه الموصلات إلى تطوير تقنيات التخزين الضوئية مثل القرص الرقمي متعدد الاستخدامات (DVD) وأقراص Blu-ray (BD). هذا هو أول سوق كبير لليزر أشباه الموصلات ، ولكن مستويات الطاقة المتواضعة عمومًا تحد التطبيقات الأخرى للأسواق المتخصصة الصغيرة نسبيًا مثل الطباعة الحرارية والتطبيقات الطبية وتطبيقات الطيران والدفاع المختارة
التسعينيات: انتشار الشبكات البصرية. في التسعينيات ، أصبح ليزر أشباه الموصلات هو المفتاح لشبكات الاتصال. تُستخدم ليزر أشباه الموصلات لنقل الإشارات عبر شبكات الألياف الضوئية ، ولكن تعد ليزرات المضخات أحادية الطاقة ذات القدرة العالية للمكبرات الضوئية ضرورية لتحقيق نطاق الشبكات الضوئية ودعم نمو بيانات الإنترنت حقًا.
إن طفرة صناعة الاتصالات السلكية واللاسلكية التي جلبتها بعيدة المدى ، مع الأخذ بعين الاعتبار شركة Spectra Diode Labs (SDL) ، وهي واحدة من أوائل الشركات الرائدة في صناعة ليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة. تأسست شركة SDL في عام 1983 ، وهي مشروع مشترك بين العلامات التجارية الليزرية التابعة لمجموعة Newport Spectra-Physics و Xerox. تم إطلاقه في عام 1995 بقيمة سوقية تبلغ حوالي 100 مليون دولار. بعد خمس سنوات ، تم بيع SDL إلى JDSU بأكثر من 40 مليار دولار خلال ذروة صناعة الاتصالات ، وهي واحدة من أكبر عمليات الاستحواذ التكنولوجية في التاريخ. بعد فترة وجيزة ، انفجرت فقاعة الاتصالات ودمرت تريليونات الدولارات من رؤوس الأموال ، والتي يُنظر إليها الآن على أنها أكبر فقاعة في التاريخ.
2000s: أصبح الليزر أداة. على الرغم من أن انفجار فقاعة سوق الاتصالات مدمر للغاية ، إلا أن الاستثمار الضخم في ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة قد أرسى الأساس لاعتماد أوسع. مع زيادة الأداء والتكلفة ، بدأت هذه الليزرات في استبدال ليزر الغاز التقليدي أو مصادر تحويل الطاقة الأخرى في مجموعة متنوعة من العمليات.
أصبح ليزر 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. تعد تطبيقات التصنيع الصغير أكثر تنوعًا ، حيث تم تسويق المنتجات الرئيسية مثل الهواتف الذكية باستخدام هذه الليزر تتضمن تطبيقات الفضاء والدفاع مجموعة واسعة من التطبيقات ذات المهام الحرجة ومن المرجح أن تشمل أنظمة الطاقة الاتجاهية من الجيل التالي في المستقبل.
لنلخص
منذ أكثر من 50 عامًا ، لم يقترح مور قانونًا أساسيًا جديدًا للفيزياء ، ولكنه أدخل تحسينات كبيرة على الدوائر المتكاملة التي تمت دراستها لأول مرة منذ عشر سنوات. استمرت نبوته لعقود وجلبت معها سلسلة من الابتكارات التخريبية التي لم يكن من الممكن تصورها في عام 1965.
عندما عرض هول ليزر أشباه الموصلات منذ أكثر من 50 عامًا ، أطلق ثورة تكنولوجية. كما هو الحال مع قانون مور ، لا يمكن لأحد أن يتنبأ بالتطور عالي السرعة الذي سيخضع له لاحقًا ليزر أشباه الموصلات عالي الكثافة الذي حققه عدد كبير من الابتكارات.
لا توجد قاعدة أساسية في الفيزياء للتحكم في هذه التحسينات التكنولوجية ، ولكن التقدم التكنولوجي المستمر قد يؤدي إلى تقدم الليزر من حيث السطوع. سيستمر هذا الاتجاه في استبدال التقنيات التقليدية ، وبالتالي تغيير طريقة تطوير الأشياء. والأهم من ذلك بالنسبة للنمو الاقتصادي ، أن ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة سيعزز أيضًا ولادة أشياء جديدة.