Masa lalu dan masa depan laser semikonduktor daya tinggi

Karena efisiensi dan daya terus meningkat, dioda laser akan terus menggantikan teknologi tradisional, mengubah cara penanganan, dan merangsang lahirnya hal-hal baru.
Secara tradisional, para ekonom percaya bahwa kemajuan teknologi adalah proses yang bertahap. Baru-baru ini, industri ini lebih fokus pada inovasi disruptif yang dapat menyebabkan diskontinuitas. Inovasi ini, yang dikenal sebagai teknologi tujuan umum (GPT), adalah "ide atau teknologi baru yang mendalam yang mungkin berdampak besar pada banyak aspek ekonomi." Teknologi umum biasanya membutuhkan waktu beberapa dekade untuk berkembang, dan bahkan lebih lama lagi akan menghasilkan peningkatan produktivitas. Awalnya, mereka tidak dipahami dengan baik. Bahkan setelah teknologi tersebut dikomersialisasikan, terdapat kelambanan jangka panjang dalam adopsi produksi. Sirkuit terpadu adalah contoh yang bagus. Transistor pertama kali diperkenalkan pada awal abad ke-20, tetapi banyak digunakan hingga larut malam.
Salah satu pendiri Hukum Moore, Gordon Moore, meramalkan pada tahun 1965 bahwa semikonduktor akan berkembang lebih cepat, "membawa popularitas elektronik dan mendorong sains ini ke banyak bidang baru." Terlepas dari prediksinya yang berani dan tidak terduga akurat, ia telah mengalami perbaikan terus menerus selama beberapa dekade sebelum mencapai produktivitas dan pertumbuhan ekonomi.
Demikian pula, pemahaman tentang perkembangan dramatis laser semikonduktor daya tinggi terbatas. Pada tahun 1962, industri pertama kali mendemonstrasikan konversi elektron menjadi laser, diikuti oleh sejumlah kemajuan yang telah menghasilkan perbaikan signifikan dalam konversi elektron menjadi proses laser hasil tinggi. Peningkatan ini dapat mendukung berbagai aplikasi penting, termasuk penyimpanan optik, jaringan optik, dan berbagai aplikasi industri.
Mengingat perkembangan ini dan berbagai perbaikan yang telah mereka tunjukkan telah menyoroti kemungkinan dampak yang lebih besar dan lebih luas pada banyak aspek ekonomi. Faktanya, dengan peningkatan berkelanjutan dari laser semikonduktor daya tinggi, cakupan aplikasi penting akan meningkat dan berdampak besar pada pertumbuhan ekonomi.
Sejarah laser semikonduktor daya tinggi
Pada 16 September 1962, tim yang dipimpin oleh Robert Hall General Electric mendemonstrasikan emisi inframerah semikonduktor gallium arsenide (GaAs), yang memiliki pola interferensi "aneh", yang berarti Laser koherensi - kelahiran laser semikonduktor pertama. Hall awalnya percaya bahwa laser semikonduktor adalah "tembakan jarak jauh" karena dioda pemancar cahaya pada saat itu sangat tidak efisien. Pada saat yang sama, dia juga skeptis tentang hal ini karena laser yang telah dikonfirmasi dua tahun lalu dan sudah ada membutuhkan "cermin halus".
Pada musim panas 1962, Halle mengatakan bahwa dia dikejutkan oleh dioda pemancar cahaya GaA yang lebih efisien yang dikembangkan oleh Laboratorium MIT Lincoln. Selanjutnya, dia mengatakan dia beruntung dapat menguji dengan beberapa bahan GaAs berkualitas tinggi dan menggunakan pengalamannya sebagai astronom amatir untuk mengembangkan cara memoles tepi chip GaAs untuk membentuk rongga.
Demonstrasi Hall yang berhasil didasarkan pada desain radiasi yang memantul bolak-balik pada antarmuka, bukan pantulan vertikal. Dia berkata dengan rendah hati bahwa tidak seorang pun "yang kebetulan mendapatkan ide ini". Faktanya, desain Hall pada dasarnya adalah kebetulan yang menguntungkan bahwa bahan semikonduktor yang membentuk pandu gelombang juga memiliki sifat membatasi pembawa bipolar pada saat yang bersamaan. Jika tidak, tidak mungkin mewujudkan laser semikonduktor. Dengan menggunakan bahan semikonduktor yang berbeda, pandu gelombang pelat dapat dibentuk untuk tumpang tindih foton dengan pembawa.
Demonstrasi pendahuluan di General Electric ini merupakan terobosan besar. Namun, laser ini jauh dari perangkat praktis. Untuk mempromosikan kelahiran laser semikonduktor daya tinggi, fusi berbagai teknologi harus direalisasikan. Inovasi teknologi utama dimulai dengan pemahaman tentang bahan semikonduktor celah pita langsung dan teknik pertumbuhan kristal.
Perkembangan selanjutnya termasuk penemuan laser hetero ganda dan pengembangan selanjutnya dari laser sumur kuantum. Kunci untuk lebih meningkatkan teknologi inti ini terletak pada peningkatan efisiensi dan pengembangan passivasi rongga, pembuangan panas, dan teknologi pengemasan.
Kecerahan
Inovasi selama beberapa dekade terakhir telah menghasilkan peningkatan yang menarik. Secara khusus, peningkatan kecerahan sangat baik. Pada tahun 1985, laser semikonduktor daya tinggi yang canggih mampu memasangkan daya 105 miliwatt menjadi serat inti 105 mikron. Laser semikonduktor daya tinggi tercanggih sekarang dapat menghasilkan lebih dari 250 watt serat 105 mikron dengan satu panjang gelombang - peningkatan 10 kali lipat setiap delapan tahun.

Moore membayangkan "memperbaiki lebih banyak komponen ke sirkuit terintegrasi" - kemudian, jumlah transistor per chip meningkat 10 kali setiap 7 tahun. Secara kebetulan, laser semikonduktor daya tinggi menggabungkan lebih banyak foton ke dalam serat dengan laju eksponensial yang sama (lihat Gambar 1).

Gambar 1. Kecerahan laser semikonduktor daya tinggi dan perbandingan dengan hukum Moore
Peningkatan kecerahan laser semikonduktor daya tinggi telah mendorong pengembangan berbagai teknologi yang tidak terduga. Meskipun kelanjutan tren ini membutuhkan lebih banyak inovasi, ada alasan untuk percaya bahwa inovasi teknologi laser semikonduktor masih jauh dari selesai. Fisika terkenal selanjutnya dapat meningkatkan kinerja laser semikonduktor melalui pengembangan teknologi yang berkelanjutan.
Misalnya, media penguatan titik kuantum dapat meningkatkan efisiensi secara signifikan dibandingkan dengan perangkat sumur kuantum saat ini. Kecerahan sumbu lambat menawarkan urutan potensi peningkatan besaran lainnya. Material kemasan baru dengan penyesuaian termal dan ekspansi yang ditingkatkan akan memberikan peningkatan yang diperlukan untuk penyesuaian daya berkelanjutan dan manajemen termal yang disederhanakan. Perkembangan utama ini akan memberikan peta jalan untuk pengembangan laser semikonduktor daya tinggi dalam beberapa dekade mendatang.
Solid-state dan laser serat yang dipompa dioda
Perbaikan dalam laser semikonduktor daya tinggi telah memungkinkan pengembangan teknologi laser hilir; Dalam teknologi laser hilir, laser semikonduktor digunakan untuk merangsang (memompa) kristal yang didoping (laser solid-state yang dipompa dioda) atau serat yang didoping (laser serat).
Meskipun laser semikonduktor memberikan energi laser dengan efisiensi tinggi dan biaya rendah, ada dua batasan utama: mereka tidak menyimpan energi dan kecerahannya terbatas. Pada dasarnya kedua laser ini perlu digunakan untuk banyak aplikasi: satu untuk mengubah listrik menjadi emisi laser dan yang lainnya untuk meningkatkan kecerahan pancaran laser.
Laser solid-state yang dipompa dioda. Pada akhir 1980-an, penggunaan laser semikonduktor untuk memompa laser solid-state mulai populer dalam aplikasi komersial. Solid-state laser (DPSSL) yang dipompa dioda sangat mengurangi ukuran dan kompleksitas sistem manajemen termal (terutama pendingin resirkulasi) dan mendapatkan modul yang secara historis menggabungkan lampu busur untuk memompa kristal laser solid-state.
Panjang gelombang laser semikonduktor dipilih berdasarkan tumpang tindihnya dengan sifat absorpsi spektral media penguatan laser solid-state; beban panas sangat berkurang dibandingkan dengan spektrum emisi pita lebar dari lampu busur. Karena popularitas laser berbasis germanium 1064 nm, panjang gelombang pompa 808 nm telah menjadi panjang gelombang terbesar dalam laser semikonduktor selama lebih dari 20 tahun.
Dengan peningkatan kecerahan laser semikonduktor multimode dan kemampuan untuk menstabilkan lebar garis pemancar sempit dengan kisi-kisi Bragg volume (VBG) pada pertengahan tahun 2000, generasi kedua dari peningkatan efisiensi pemompaan dioda tercapai. Fitur penyerapan yang lebih lemah dan spektral sempit sekitar 880 nm telah menjadi titik panas untuk dioda pompa dengan kecerahan tinggi. Dioda ini dapat mencapai stabilitas spektral. Laser berkinerja tinggi ini dapat secara langsung menggairahkan laser tingkat atas 4F3 / 2 dalam silikon, mengurangi cacat kuantum, sehingga meningkatkan ekstraksi mode dasar rata-rata lebih tinggi yang jika tidak akan dibatasi oleh lensa termal.
Pada awal tahun 2010, kami telah menyaksikan tren penskalaan daya tinggi dari laser 1064nm mode silang tunggal dan rangkaian laser konversi frekuensi terkait yang beroperasi di pita tampak dan ultraviolet. Karena masa pakai status energi tinggi yang lebih lama dari Nd: YAG dan Nd: YVO4, operasi pengalihan DPSSL Q ini menyediakan energi pulsa dan daya puncak yang tinggi, menjadikannya ideal untuk pemrosesan bahan ablatif dan aplikasi mesin mikro presisi tinggi.
laser serat optik. Laser serat memberikan cara yang lebih efisien untuk mengubah kecerahan laser semikonduktor daya tinggi. Meskipun optik panjang gelombang-multipleks dapat mengubah laser semikonduktor pencahayaan yang relatif rendah menjadi laser semikonduktor yang lebih terang, ini dengan mengorbankan peningkatan lebar spektral dan kompleksitas optomekanis. Laser serat telah terbukti sangat efektif dalam konversi fotometri.
Serat berlapis ganda yang diperkenalkan pada 1990-an menggunakan serat mode tunggal yang dikelilingi oleh kelongsong multimode, memungkinkan laser yang dipompa semikonduktor multimode berdaya tinggi dan berbiaya lebih rendah untuk disuntikkan secara efisien ke dalam serat, menciptakan cara yang lebih ekonomis untuk mengubah laser semikonduktor daya tinggi menjadi laser yang lebih terang. Untuk serat yang didoping ytterbium (Yb), pompa menggairahkan penyerapan luas yang berpusat pada 915 nm atau fitur pita sempit sekitar 976 nm. Saat panjang gelombang pompa mendekati panjang gelombang penguat laser serat, yang disebut cacat kuantum berkurang, sehingga memaksimalkan efisiensi dan meminimalkan jumlah pembuangan panas.
Baik laser serat maupun laser solid-state yang dipompa dioda mengandalkan peningkatan kecerahan laser dioda. Secara umum, karena kecerahan laser dioda terus meningkat, proporsi daya laser yang dipompa juga meningkat. Kecerahan yang meningkat dari laser semikonduktor memfasilitasi konversi kecerahan yang lebih efisien.
Seperti yang kita harapkan, kecerahan spasial dan spektral akan diperlukan untuk sistem masa depan, yang akan memungkinkan pemompaan cacat kuantum rendah dengan karakteristik absorpsi sempit pada laser solid-state dan multiplexing panjang gelombang padat untuk aplikasi laser semikonduktor langsung. Rencananya menjadi mungkin.
Pasar dan Aplikasi
Perkembangan laser semikonduktor daya tinggi telah memungkinkan banyak aplikasi penting. Laser ini telah menggantikan banyak teknologi tradisional dan telah menerapkan kategori produk baru.
Dengan peningkatan 10 kali lipat dalam biaya dan kinerja per dekade, laser semikonduktor daya tinggi mengganggu operasi normal pasar dengan cara yang tidak terduga. Meskipun sulit untuk secara akurat memprediksi aplikasi masa depan, sangat penting untuk meninjau sejarah perkembangan tiga dekade terakhir dan memberikan kemungkinan kerangka kerja untuk pengembangan dekade berikutnya (lihat Gambar 2).

Gambar 2. Aplikasi bahan bakar kecerahan laser semikonduktor daya tinggi (biaya standardisasi per kecerahan watt)
1980-an: Penyimpanan optik dan aplikasi ceruk awal. Penyimpanan optik adalah aplikasi skala besar pertama dalam industri laser semikonduktor. Tak lama setelah Hall pertama kali menunjukkan laser semikonduktor inframerah, General Electrics Nick Holonyak juga menunjukkan laser semikonduktor merah pertama yang terlihat. Dua puluh tahun kemudian, compact disc (CD) diperkenalkan ke pasar, diikuti oleh pasar penyimpanan optik.
Inovasi konstan dari teknologi laser semikonduktor telah menyebabkan perkembangan teknologi penyimpanan optik seperti digital versatile disc (DVD) dan Blu-ray Disc (BD). Ini adalah pasar besar pertama untuk laser semikonduktor, tetapi umumnya tingkat daya yang sederhana membatasi aplikasi lain ke pasar khusus yang relatif kecil seperti pencetakan termal, aplikasi medis, dan aplikasi kedirgantaraan dan pertahanan tertentu.
1990-an: Jaringan optik mulai berlaku. Pada 1990-an, laser semikonduktor menjadi kunci jaringan komunikasi. Laser semikonduktor digunakan untuk mengirimkan sinyal melalui jaringan serat optik, tetapi laser pompa mode tunggal berdaya tinggi untuk amplifier optik sangat penting untuk mencapai skala jaringan optik dan benar-benar mendukung pertumbuhan data Internet.
Ledakan industri telekomunikasi yang dibawa olehnya sangat luas, mengambil Spectra Diode Labs (SDL), salah satu pelopor pertama dalam industri laser semikonduktor daya tinggi sebagai contoh. Didirikan pada tahun 1983, SDL adalah perusahaan patungan antara merek laser Spectra-Physics dari Newport Group dan Xerox. Ini diluncurkan pada tahun 1995 dengan kapitalisasi pasar sekitar $ 100 juta. Lima tahun kemudian, SDL dijual ke JDSU dengan harga lebih dari $ 40 miliar selama puncak industri telekomunikasi, salah satu akuisisi teknologi terbesar dalam sejarah. Segera setelah itu, gelembung telekomunikasi meletus dan menghancurkan modal triliunan dolar, yang sekarang dipandang sebagai gelembung terbesar dalam sejarah.
2000-an: Laser menjadi alat. Meskipun ledakan gelembung pasar telekomunikasi sangat merusak, investasi besar dalam laser semikonduktor daya tinggi telah meletakkan dasar untuk penggunaan yang lebih luas. Seiring dengan peningkatan kinerja dan biaya, laser ini mulai menggantikan laser gas tradisional atau sumber konversi energi lainnya dalam berbagai proses.
Laser semikonduktor telah menjadi alat yang banyak digunakan. Aplikasi industri berkisar dari proses manufaktur tradisional seperti pemotongan dan penyolderan hingga teknologi manufaktur canggih baru seperti manufaktur aditif bagian logam cetak 3D. Aplikasi manufaktur mikro lebih beragam, karena produk utama seperti smartphone telah dikomersialkan dengan laser ini. Aplikasi kedirgantaraan dan pertahanan melibatkan berbagai aplikasi misi kritis dan kemungkinan akan mencakup sistem energi terarah generasi berikutnya di masa depan.
Untuk menyimpulkan
Lebih dari 50 tahun yang lalu, Moore tidak mengajukan hukum dasar fisika yang baru, tetapi membuat perbaikan besar pada sirkuit terintegrasi yang pertama kali dipelajari sepuluh tahun yang lalu. Ramalannya berlangsung selama beberapa dekade dan membawa serta serangkaian inovasi yang mengganggu yang tidak terpikirkan pada tahun 1965.
Ketika Hall mendemonstrasikan laser semikonduktor lebih dari 50 tahun yang lalu, hal itu memicu revolusi teknologi. Seperti Hukum Moore, tidak ada yang dapat memprediksi perkembangan kecepatan tinggi yang akan dialami oleh laser semikonduktor intensitas tinggi yang dicapai oleh sejumlah besar inovasi.
Tidak ada aturan dasar dalam fisika untuk mengontrol peningkatan teknologi ini, tetapi kemajuan teknologi yang berkelanjutan dapat memajukan laser dalam hal kecerahan. Tren ini akan terus menggantikan teknologi tradisional, sehingga semakin mengubah cara berkembang. Lebih penting untuk pertumbuhan ekonomi, laser semikonduktor daya tinggi juga akan mendorong lahirnya hal-hal baru.