Il passato e il futuro dei laser a semiconduttore ad alta potenza

Poiché l'efficienza e la potenza continuano ad aumentare, i diodi laser continueranno a sostituire le tecnologie tradizionali, cambieranno il modo in cui le cose vengono gestite e stimoleranno la nascita di cose nuove.
Tradizionalmente, gli economisti credono che il progresso tecnologico sia un processo graduale. Recentemente, l'industria si è concentrata maggiormente sull'innovazione dirompente che può causare discontinuità. Queste innovazioni, note come tecnologie di uso generale (GPT), sono "nuove idee o tecnologie profonde che possono avere un impatto importante su molti aspetti dell'economia". La tecnologia generale richiede solitamente diversi decenni per svilupparsi e anche di più porterà ad un aumento della produttività. All'inizio non erano ben compresi. Anche dopo che la tecnologia è stata commercializzata, c'è stato un ritardo a lungo termine nell'adozione della produzione. I circuiti integrati sono un buon esempio. I transistor furono introdotti per la prima volta all'inizio del XX secolo, ma furono ampiamente utilizzati fino a tarda sera.
Uno dei fondatori della Legge di Moore, Gordon Moore, predisse nel 1965 che i semiconduttori si svilupperanno a un ritmo più veloce, "portando la popolarità dell'elettronica e spingendo questa scienza in molti nuovi campi". Nonostante le sue previsioni audaci e inaspettatamente accurate, ha subito decenni di continui miglioramenti prima di raggiungere la produttività e la crescita economica.
Allo stesso modo, la comprensione del drammatico sviluppo dei laser a semiconduttore ad alta potenza è limitata. Nel 1962, l'industria ha dimostrato per la prima volta la conversione degli elettroni in laser, seguita da una serie di progressi che hanno portato a miglioramenti significativi nella conversione degli elettroni in processi laser ad alto rendimento. Questi miglioramenti possono supportare una vasta gamma di applicazioni importanti, tra cui archiviazione ottica, reti ottiche e un'ampia gamma di applicazioni industriali.
Il richiamo a questi sviluppi e ai numerosi miglioramenti che hanno portato alla luce hanno evidenziato la possibilità di un impatto maggiore e più diffuso su molti aspetti dell'economia. Infatti, con il continuo miglioramento dei laser a semiconduttore ad alta potenza, la portata di importanti applicazioni aumenterà e avrà un profondo impatto sulla crescita economica.
Storia del laser a semiconduttore ad alta potenza
Il 16 settembre 1962, un team guidato da Robert Hall della General Electric dimostrò l'emissione infrarossa di semiconduttori di arseniuro di gallio (GaAs), che hanno schemi di interferenza "strani", ovvero laser di coerenza - la nascita del primo laser a semiconduttore. Hall inizialmente credeva che il laser a semiconduttore fosse un "tiro lungo" perché i diodi emettitori di luce all'epoca erano molto inefficienti. Allo stesso tempo, era anche scettico su questo perché il laser che era stato confermato due anni fa ed esiste già richiede uno "specchio sottile".
Nell'estate del 1962, Halle disse di essere rimasto scioccato dai diodi emettitori di luce GaAs più efficienti sviluppati dal MIT Lincoln Laboratory. Successivamente, ha affermato di essere stato fortunato a poter testare con alcuni materiali GaAs di alta qualità e ha utilizzato la sua esperienza come astronomo dilettante per sviluppare un modo per lucidare i bordi dei chip GaAs per formare una cavità.
La dimostrazione di successo di Hall si basa sul progetto dei rimbalzi delle radiazioni avanti e indietro sull'interfaccia piuttosto che sul rimbalzo verticale. Ha detto con modestia che a nessuno "è capitato di avere questa idea". In effetti, il progetto di Hall è essenzialmente una fortunata coincidenza che il materiale semiconduttore che forma la guida d'onda ha anche la proprietà di limitare i portatori bipolari allo stesso tempo. Altrimenti, è impossibile realizzare un laser a semiconduttore. Utilizzando materiali semiconduttori dissimili, è possibile formare una guida d'onda a lastra per sovrapporre i fotoni ai portatori.
Queste dimostrazioni preliminari alla General Electric sono state un importante passo avanti. Tuttavia, questi laser sono tutt'altro che pratici. Per promuovere la nascita di laser a semiconduttore ad alta potenza, è necessario realizzare la fusione di diverse tecnologie. Le principali innovazioni tecnologiche sono iniziate con la comprensione dei materiali semiconduttori con bandgap diretto e delle tecniche di crescita dei cristalli.
Gli sviluppi successivi includevano l'invenzione di laser a doppia eterogiunzione e il successivo sviluppo di laser a pozzo quantico. La chiave per migliorare ulteriormente queste tecnologie di base risiede nel miglioramento dell'efficienza e nello sviluppo della passivazione della cavità, della dissipazione del calore e della tecnologia di confezionamento.
Luminosità
L'innovazione negli ultimi decenni ha portato a miglioramenti entusiasmanti. In particolare, il miglioramento della luminosità è ottimo. Nel 1985, il laser a semiconduttore ad alta potenza all'avanguardia era in grado di accoppiare 105 milliwatt di potenza in una fibra con nucleo da 105 micron. I laser a semiconduttore ad alta potenza più avanzati possono ora produrre più di 250 watt di fibra da 105 micron con una singola lunghezza d'onda, un aumento di 10 volte ogni otto anni.

Moore pensava di "fissare più componenti al circuito integrato", quindi il numero di transistor per chip aumentava di 10 volte ogni 7 anni. Per coincidenza, i laser a semiconduttore ad alta potenza incorporano più fotoni nella fibra a velocità esponenziali simili (vedi Figura 1).

Figura 1. Luminosità dei laser a semiconduttore ad alta potenza e confronto con la legge di Moore
Il miglioramento della luminosità dei laser a semiconduttore ad alta potenza ha promosso lo sviluppo di varie tecnologie impreviste. Sebbene la continuazione di questa tendenza richieda maggiore innovazione, vi è motivo di ritenere che l'innovazione della tecnologia laser a semiconduttore sia lungi dall'essere completata. La ben nota fisica può migliorare ulteriormente le prestazioni dei laser a semiconduttore attraverso il continuo sviluppo tecnologico.
Ad esempio, il guadagno di punti quantici può aumentare significativamente l'efficienza rispetto agli attuali dispositivi a pozzo quantico. La luminosità dell'asse lento offre un potenziale di miglioramento di un altro ordine di grandezza. Nuovi materiali di imballaggio con una migliore corrispondenza termica e di espansione forniranno i miglioramenti necessari per la regolazione continua della potenza e la gestione termica semplificata. Questi sviluppi chiave forniranno una tabella di marcia per lo sviluppo di laser a semiconduttore ad alta potenza nei prossimi decenni.
Laser a stato solido e fibra ottica pompati da diodi
I miglioramenti nei laser a semiconduttore ad alta potenza hanno reso possibile lo sviluppo di tecnologie laser a valle; nelle tecnologie laser a valle, i laser a semiconduttore vengono utilizzati per eccitare (pompare) cristalli drogati (laser a stato solido pompati a diodi) o fibre drogate (laser a fibra).
Sebbene i laser a semiconduttore forniscano energia laser ad alta efficienza ea basso costo, esistono due limitazioni chiave: non immagazzinano energia e la loro luminosità è limitata. Fondamentalmente questi due laser devono essere utilizzati per molte applicazioni: uno per convertire l'elettricità in emissione laser e l'altro per aumentare la luminosità dell'emissione laser.
Laser a stato solido pompati a diodi. Alla fine degli anni '80, l'uso di laser a semiconduttore per pompare laser a stato solido iniziò a guadagnare popolarità nelle applicazioni commerciali. I laser a stato solido pompati a diodi (DPSSL) riducono notevolmente le dimensioni e la complessità dei sistemi di gestione termica (principalmente refrigeratori a ricircolo) e ottengono moduli che hanno storicamente lampade ad arco combinate per il pompaggio di cristalli laser a stato solido.
Le lunghezze d'onda dei laser a semiconduttore vengono selezionate in base alla loro sovrapposizione con le proprietà di assorbimento spettrale del mezzo di guadagno laser a stato solido; il carico termico è notevolmente ridotto rispetto allo spettro di emissione a banda larga della lampada ad arco. A causa della popolarità dei laser a base di germanio da 1064 nm, la lunghezza d'onda della pompa di 808 nm è diventata la più grande lunghezza d'onda nei laser a semiconduttore da oltre 20 anni.
Con l'aumento della luminosità dei laser a semiconduttore multimodale e la capacità di stabilizzare la larghezza della linea dell'emettitore stretto con i reticoli di Bragg (VBG) del volume a metà del 2000, è stata raggiunta la seconda generazione di efficienza di pompaggio dei diodi migliorata. Le caratteristiche di assorbimento più deboli e spettralmente strette intorno a 880 nm sono diventate punti caldi per diodi pompa ad alta luminosità. Questi diodi possono raggiungere la stabilità spettrale. Questi laser ad alte prestazioni possono eccitare direttamente il livello superiore 4F3 / 2 del laser in silicio, riducendo i difetti quantistici, migliorando così l'estrazione di modalità fondamentali di media più alta che altrimenti sarebbero limitate dalle lenti termiche.
All'inizio del 2010, abbiamo assistito al trend di ridimensionamento ad alta potenza del laser single-cross-mode da 1064 nm e delle relative serie di laser a conversione di frequenza operanti nelle bande visibile e ultravioletta. A causa della maggiore durata dello stato ad alta energia di Nd: YAG e Nd: YVO4, queste operazioni di commutazione DPSSL Q forniscono un'elevata energia di impulso e potenza di picco, rendendole ideali per la lavorazione di materiali ablativi e applicazioni di microlavorazione ad alta precisione.
laser a fibra ottica. I laser a fibra forniscono un modo più efficiente per convertire la luminosità dei laser a semiconduttore ad alta potenza. Sebbene l'ottica multiplata in lunghezza d'onda possa convertire un laser a semiconduttore a luminanza relativamente bassa in un laser a semiconduttore più luminoso, ciò va a scapito di una maggiore larghezza spettrale e complessità optomeccanica. I laser a fibra si sono dimostrati particolarmente efficaci nella conversione fotometrica.
Le fibre a doppio rivestimento introdotte negli anni '90 utilizzano fibre monomodali circondate da un rivestimento multimodale, che consente di iniettare in modo efficiente nella fibra laser multimodali pompati a semiconduttore a laser a semiconduttore ad alta potenza in un laser più luminoso. Per le fibre drogate con itterbio (Yb), la pompa eccita un ampio assorbimento centrato a 915 nm o una banda stretta intorno a 976 nm. Quando la lunghezza d'onda della pompa si avvicina alla lunghezza d'onda del laser a fibra, i cosiddetti difetti quantistici vengono ridotti, massimizzando così l'efficienza e riducendo al minimo la quantità di dissipazione del calore.
Sia i laser a fibra che i laser a stato solido pompati a diodi si basano su miglioramenti nella luminosità del laser a diodi. In generale, poiché la luminosità dei laser a diodi continua a migliorare, aumenta anche la proporzione di potenza del laser che essi pompano. La maggiore luminosità dei laser a semiconduttore facilita una conversione della luminosità più efficiente.
Come ci aspetteremmo, la luminosità spaziale e spettrale sarà necessaria per i sistemi futuri, che consentiranno un pompaggio a basso difetto quantistico con caratteristiche di assorbimento ristretto nei laser a stato solido e multiplexing a lunghezza d'onda densa per applicazioni laser a semiconduttore diretto. Il piano diventa possibile.
Mercato e applicazione
Lo sviluppo di laser a semiconduttore ad alta potenza ha reso possibili molte importanti applicazioni. Questi laser hanno sostituito molte tecnologie tradizionali e hanno implementato nuove categorie di prodotti.
Con un aumento di 10 volte dei costi e delle prestazioni per decennio, i laser a semiconduttore ad alta potenza interrompono il normale funzionamento del mercato in modi imprevedibili. Sebbene sia difficile prevedere con precisione le applicazioni future, è molto significativo rivedere la storia dello sviluppo degli ultimi tre decenni e fornire possibilità di quadro per lo sviluppo del prossimo decennio (vedere la Figura 2).

Figura 2. Applicazione del combustibile per la luminosità del laser a semiconduttore ad alta potenza (costo di standardizzazione per luminosità in watt)
Anni '80: archiviazione ottica e prime applicazioni di nicchia. L'archiviazione ottica è la prima applicazione su larga scala nell'industria dei laser a semiconduttori. Poco dopo che Hall ha mostrato per la prima volta il laser a semiconduttore a infrarossi, la General Electrics Nick Holonyak ha mostrato anche il primo laser a semiconduttore rosso visibile. Vent'anni dopo, furono introdotti sul mercato i compact disc (CD), seguito dal mercato dell'archiviazione ottica.
La costante innovazione della tecnologia laser a semiconduttore ha portato allo sviluppo di tecnologie di memorizzazione ottica come il disco versatile digitale (DVD) e il disco Blu-ray (BD). Questo è il primo grande mercato per i laser a semiconduttore, ma livelli di potenza generalmente modesti limitano altre applicazioni a mercati di nicchia relativamente piccoli come la stampa termica, le applicazioni mediche e le applicazioni aerospaziali e di difesa selezionate.
Gli anni '90: prevalgono le reti ottiche. Negli anni '90, i laser a semiconduttore sono diventati la chiave delle reti di comunicazione. I laser a semiconduttore vengono utilizzati per trasmettere segnali su reti in fibra ottica, ma i laser a pompa monomodale di potenza superiore per amplificatori ottici sono fondamentali per raggiungere la scala delle reti ottiche e supportare veramente la crescita dei dati di Internet.
Il boom dell'industria delle telecomunicazioni portato da esso è di vasta portata, prendendo come esempio gli Spectra Diode Labs (SDL), uno dei primi pionieri nel settore dei laser a semiconduttori ad alta potenza. Fondata nel 1983, SDL è una joint venture tra i marchi di laser del gruppo Newport Spectra-Physics e Xerox. È stato lanciato nel 1995 con una capitalizzazione di mercato di circa $ 100 milioni. Cinque anni dopo, SDL è stata venduta a JDSU per oltre 40 miliardi di dollari durante il picco dell'industria delle telecomunicazioni, una delle più grandi acquisizioni tecnologiche della storia. Subito dopo, la bolla delle telecomunicazioni è esplosa e ha distrutto trilioni di dollari di capitale, ora vista come la più grande bolla della storia.
Anni 2000: il laser è diventato uno strumento. Sebbene lo scoppio della bolla del mercato delle telecomunicazioni sia estremamente distruttivo, l'enorme investimento in laser a semiconduttore ad alta potenza ha gettato le basi per una più ampia adozione. Con l'aumento delle prestazioni e dei costi, questi laser stanno iniziando a sostituire i tradizionali laser a gas o altre fonti di conversione di energia in una varietà di processi.
I laser a semiconduttore sono diventati uno strumento ampiamente utilizzato. Le applicazioni industriali vanno dai processi di produzione tradizionali come il taglio e la saldatura a nuove tecnologie di produzione avanzate come la produzione additiva di parti metalliche stampate in 3D. Le applicazioni di micro-produzione sono più diversificate, poiché prodotti chiave come gli smartphone sono stati commercializzati con questi laser. Le applicazioni aerospaziali e di difesa coinvolgono un'ampia gamma di applicazioni mission-critical e probabilmente in futuro includeranno sistemi energetici direzionali di prossima generazione.
per riassumere
Più di 50 anni fa, Moore non propose una nuova legge fondamentale della fisica, ma apportò grandi miglioramenti ai circuiti integrati che furono studiati per la prima volta dieci anni fa. La sua profezia è durata decenni e ha portato con sé una serie di innovazioni dirompenti impensabili nel 1965.
Quando Hall ha dimostrato i laser a semiconduttore più di 50 anni fa, ha innescato una rivoluzione tecnologica. Come con la legge di Moore, nessuno può prevedere lo sviluppo ad alta velocità che successivamente subiranno i laser a semiconduttore ad alta intensità ottenuti da un gran numero di innovazioni.
Non esiste una regola fondamentale in fisica per controllare questi miglioramenti tecnologici, ma il progresso tecnologico continuo può far avanzare il laser in termini di luminosità. Questa tendenza continuerà a sostituire le tecnologie tradizionali, cambiando così ulteriormente il modo in cui le cose vengono sviluppate. Ancora più importante per la crescita economica, i laser a semiconduttore ad alta potenza promuoveranno anche la nascita di cose nuove.