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

Poiché efficienza e potenza continuano ad aumentare, i diodi laser continueranno a sostituire le tecnologie tradizionali, a cambiare il modo in cui vengono gestite le cose e a stimolare la nascita di cose nuove.
Tradizionalmente, gli economisti ritengono che il progresso tecnologico sia un processo graduale. Recentemente, il settore si è concentrato maggiormente sull’innovazione dirompente che può causare discontinuità. Queste innovazioni, note come tecnologie di scopo generale (GPT), sono “nuove idee o tecnologie profonde che potrebbero avere un impatto importante su molti aspetti dell’economia”. La tecnologia generale impiega solitamente diversi decenni per svilupparsi, e anche di più porterà ad un aumento della produttività. All'inizio non furono ben compresi. Anche dopo la commercializzazione della tecnologia, si è verificato 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 erano ampiamente utilizzati fino a tarda sera.
Uno dei fondatori della Legge di Moore, Gordon Moore, predisse nel 1965 che i semiconduttori si sarebbero sviluppati a un ritmo più rapido, "portando la popolarità dell'elettronica e spingendo questa scienza in molti nuovi campi". Nonostante le sue previsioni audaci e inaspettatamente accurate, ha dovuto affrontare 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 dimostrò 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 serie di importanti applicazioni, tra cui archiviazione ottica, reti ottiche e un'ampia gamma di applicazioni industriali.
Ricordare questi sviluppi e i numerosi miglioramenti che hanno portato alla luce ha 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 dei semiconduttori all'arseniuro di gallio (GaAs), che hanno schemi di interferenza "strani", che significano laser a coerenza: la nascita del primo laser a semiconduttore. Hall inizialmente credeva che il laser a semiconduttore fosse un "azzardo" perché i diodi emettitori di luce all'epoca erano molto inefficienti. Allo stesso tempo era anche scettico al riguardo perché il laser, confermato due anni fa e già esistente, 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 effettuare test con alcuni materiali GaAs di alta qualità e ha utilizzato la sua esperienza di 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 sulla progettazione dei rimbalzi della radiazione avanti e indietro sull'interfaccia piuttosto che sul rimbalzo verticale. Ha detto con modestia che nessuno "ha avuto questa idea". In effetti, il progetto di Hall è essenzialmente una fortunata coincidenza poiché il materiale semiconduttore che forma la guida d'onda ha anche la proprietà di limitare allo stesso tempo le portanti bipolari. Altrimenti è impossibile realizzare un laser a semiconduttore. Utilizzando materiali semiconduttori diversi, è possibile formare una guida d'onda a lastra per sovrapporre i fotoni ai portatori.
Queste dimostrazioni preliminari alla General Electric hanno rappresentato un importante passo avanti. Tuttavia, questi laser sono lontani dall’essere dispositivi 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 dei laser a doppia eterogiunzione e il successivo sviluppo dei laser a pozzo quantico. La chiave per migliorare ulteriormente queste tecnologie fondamentali risiede nel miglioramento dell’efficienza e nello sviluppo della passivazione delle cavità, della dissipazione del calore e della tecnologia di imballaggio.
Luminosità
L’innovazione negli ultimi decenni ha portato miglioramenti entusiasmanti. In particolare, il miglioramento della luminosità è eccellente. 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 concepì 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 (vedere 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 il proseguimento di questa tendenza richieda una maggiore innovazione, c’è motivo di credere 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, i mezzi con guadagno di punti quantici possono 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 migliore adattamento termico ed espansione forniranno i miglioramenti necessari per la regolazione continua della potenza e una 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 pompati a 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).
Although semiconductor lasers provide high-efficiency, low-cost laser energy, there are two key limitations: they do not store energy and their brightness is limited. Basically these two lasers need to be used for many applications: one for converting electricity into laser emission and the other for enhancing the brightness of the laser emission.
Laser a stato solido pompati a diodi. Alla fine degli anni '80, l'uso dei 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 raffreddatori a ricircolo) e ottengono moduli che storicamente combinavano lampade ad arco 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 del laser a stato solido; il carico termico è notevolmente ridotto rispetto allo spettro di emissione a banda larga della lampada ad arco. Grazie alla popolarità dei laser a base di germanio da 1064 nm, la lunghezza d'onda della pompa da 808 nm è diventata la lunghezza d'onda più grande nei laser a semiconduttore da oltre 20 anni.
Con l'aumento della luminosità dei laser a semiconduttore multimodali e la capacità di stabilizzare la larghezza della linea di emettitore stretta con reticoli di Bragg (VBG) di volume a metà del 2000, è stata ottenuta 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 i diodi di 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 nel silicio, riducendo i difetti quantistici e migliorando così l’estrazione di modi fondamentali medi più alti che altrimenti sarebbero limitati dalle lenti termiche.
All'inizio del 2010, abbiamo assistito alla tendenza al ridimensionamento ad alta potenza del laser a modalità incrociata singola 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 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 multiplexata 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 ampiezza spettrale e di complessità optomeccanica. I laser a fibra hanno dimostrato di essere particolarmente efficaci nella conversione fotometrica.
Le fibre a doppio rivestimento introdotte negli anni '90 utilizzano fibre monomodali circondate da un rivestimento multimodale, consentendo ai laser multimodali pompati a semiconduttore di maggiore potenza e costo inferiore di essere iniettati in modo efficiente nella fibra, creando un modo più economico per convertire un 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 caratteristica a 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 minimizzando 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 percentuale di potenza laser che pompano. La maggiore luminosità dei laser a semiconduttore facilita una conversione della luminosità più efficiente.
Come ci si aspetterebbe, la luminosità spaziale e spettrale sarà necessaria per i sistemi futuri, che consentiranno il pompaggio di bassi difetti quantistici con caratteristiche di assorbimento strette nei laser a stato solido e multiplexing di lunghezze d'onda dense per applicazioni laser dirette a semiconduttore. Il piano diventa possibile.
Mercato e applicazione
Lo sviluppo dei 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 in termini di costi e prestazioni ogni 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 quadro per lo sviluppo del prossimo decennio (vedere Figura 2).

Figura 2. Applicazione del combustibile per la luminosità del laser a semiconduttore ad alta potenza (costo di standardizzazione per watt di luminosità)
Anni '80: archiviazione ottica e prime applicazioni di nicchia. La memorizzazione ottica è la prima applicazione su larga scala nel settore dei laser a semiconduttore. Poco dopo che Hall mostrò per la prima volta il laser a semiconduttore a infrarossi, Nick Holonyak della General Electrics mostrò anche il primo laser a semiconduttore rosso visibile. Vent'anni dopo furono introdotti sul mercato i compact disc (CD), seguiti dal mercato della memorizzazione ottica.
La costante innovazione della tecnologia laser a semiconduttore ha portato allo sviluppo di tecnologie di archiviazione ottica come i dischi versatili digitali (DVD) e i dischi 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 alcune applicazioni aerospaziali e di difesa.
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 a potenza più elevata per amplificatori ottici sono fondamentali per raggiungere la scalabilità delle reti ottiche e supportare realmente la crescita dei dati Internet.
Il boom del settore delle telecomunicazioni che ne deriva è di vasta portata, prendendo come esempio Spectra Diode Labs (SDL), uno dei primi pionieri nel settore dei laser a semiconduttore ad alta potenza. Fondata nel 1983, SDL è una joint venture tra i marchi laser Spectra-Physics e Xerox del Gruppo Newport. È stato lanciato nel 1995 con una capitalizzazione di mercato di circa 100 milioni di dollari. Cinque anni dopo, SDL è stata venduta a JDSU per oltre 40 miliardi di dollari durante il picco del settore delle telecomunicazioni, una delle più grandi acquisizioni tecnologiche della storia. Poco dopo, scoppiò la bolla delle telecomunicazioni che distrusse trilioni di dollari di capitale, considerata oggi la più grande bolla della storia.
Anni 2000: i laser diventano uno strumento. Sebbene lo scoppio della bolla del mercato delle telecomunicazioni sia estremamente distruttivo, l’enorme investimento nei laser a semiconduttore ad alta potenza ha gettato le basi per un’adozione più ampia. Con l’aumento delle prestazioni e dei costi, questi laser stanno iniziando a sostituire i tradizionali laser a gas o altre fonti di conversione dell’energia in una varietà di processi.
I laser a semiconduttore sono diventati uno strumento ampiamente utilizzato. Le applicazioni industriali spaziano 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 microproduzione 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 studiati per la prima volta dieci anni fa. La sua profezia durò decenni e portò con sé una serie di innovazioni dirompenti che nel 1965 erano impensabili.
Quando Hall dimostrò i laser a semiconduttore più di 50 anni fa, innescò una rivoluzione tecnologica. Come nel caso della legge di Moore, nessuno può prevedere il rapido sviluppo che subiranno successivamente 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 continuo progresso tecnologico 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.