Potentzia handiko erdieroaleen laserren iragana eta etorkizuna

Eraginkortasuna eta potentzia handitzen jarraitzen duten heinean, laser diodoek teknologia tradizionalak ordezkatzen jarraituko dute, gauzak kudeatzeko modua aldatzen eta gauza berrien jaiotza sustatzen jarraituko dute.
Tradizionalki, ekonomialariek uste dute aurrerapen teknologikoa pixkanakako prozesua dela. Azkenaldian, industriak etenak eragin ditzakeen berrikuntza disruptiboan zentratu da. Helburu orokorreko teknologiak (GPT) izenez ezagutzen diren berrikuntza hauek "ekonomiaren alderdi askotan eragin handia izan dezaketen ideia edo teknologia berriak sakonak dira". Teknologia orokorrak hamarkada batzuk behar izaten ditu garatzeko, eta are gehiago, produktibitatea areagotzea ekarriko du. Hasieran, ez ziren ondo ulertzen. Teknologia komertzializatu ondoren ere, epe luzerako atzerapena egon zen ekoizpenaren adopzioan. Zirkuitu integratuak adibide ona dira. Transistoreak XX.mende hasieran sartu ziren lehen aldiz, baina oso erabiliak izan ziren ilunabarrera arte.
Mooreren Legearen sortzaileetako batek, Gordon Moorek, 1965ean esan zuen erdieroaleak abiada handiagoan garatuko zirela, "elektronikaren ospea ekarriz eta zientzia hau alor berri askotara bultzatuz". Aurreikuspen ausartak eta ustekabeko zehatzak izan arren, etengabeko hobekuntza jasan du hamarkadetan produktibitatea eta hazkunde ekonomikoa lortu aurretik.
Era berean, potentzia handiko laser erdieroaleen garapen izugarriaren ulermena mugatua da. 1962an, industriak elektroiak laser bihurtzen zirela frogatu zuen lehenengoz, eta ondoren elektroiak errendimendu handiko laser prozesuetan hobekuntza nabarmenak ekarri zituzten hainbat aurrerapen. Hobekuntza hauek aplikazio garrantzitsu ugari onartzen dituzte, besteak beste, biltegiratze optikoa, sare optikoa eta aplikazio industrial ugari.
Garapen horiek eta agerian utzi dituzten hobekuntza ugari gogoratzeak ekonomiaren alderdi askotan eragin handiagoa eta zabalagoa izateko aukera nabarmendu du. Izan ere, potentzia handiko erdieroaleen laserren etengabeko hobekuntzarekin, aplikazio garrantzitsuen esparrua handitu egingo da eta hazkunde ekonomikoan eragin handia izango du.
Potentzia handiko erdieroaleen laserren historia
1962ko irailaren 16an, General Electric-eko Robert Hall-ek zuzendutako talde batek galio arseniuroaren (GaAs) erdieroaleen igorpen infragorria frogatu zuen, interferentzia-eredu "arraroak" dituztenak, hau da, koherentzia Laser - lehen laser erdieroalearen jaiotza. Hallek hasieran uste zuen erdieroalearen laserra "luzea" zela, garai hartan argi-igorleko diodoak oso eraginkorrak ez zirelako. Horrekin batera, eszeptikoa ere agertu zen, duela bi urte baieztatu eta dagoeneko existitzen den laserrak «ispilu fina» behar duelako.
1962ko udan, Hallek MIT Lincoln Laborategiak garatutako GaAs diodo argi-igorle eraginkorragoak harritu zituela esan zuen. Ondoren, kalitate handiko GaAs material batzuekin probak egin ahal izateagatik zorionekoa izan zela esan zuen eta astronomo afizionatu gisa izandako esperientzia erabili zuen GaAs txip-en ertzak leuntzeko modu bat garatzeko barrunbe bat osatzeko.
Hall-en erakustaldi arrakastatsua errebote bertikalaren ordez erradiazioen erreboteen diseinuan oinarritzen da interfazean aurrera eta atzera. Apala esan zuen ez zaiola inori "ideia hori bururatu". Izan ere, Hall-en diseinua, funtsean, zorioneko kasualitatea da, uhin-gida osatzen duen material erdieroaleak aldi berean eramaile bipolarrak mugatzeko propietatea duelako. Bestela, ezinezkoa da laser erdieroale bat gauzatzea. Material erdieroale desberdinak erabiliz, lauzaren uhin-gida bat osa daiteke fotoiak eramaileekin gainjartzeko.
General Electric-en egindako aurretiazko manifestazio hauek aurrerapen handia izan zuten. Hala ere, laser hauek gailu praktikoetatik urrun daude. Potentzia handiko erdieroaleen laserren sorrera sustatzeko, teknologia ezberdinen fusioa gauzatu behar da. Berrikuntza teknologiko gakoak banda zuzeneko material erdieroaleen eta kristalen hazkuntzako teknikak ulertzen hasi ziren.
Geroagoko garapenen artean, heterojunkzio bikoitzeko laserrak asmatzea eta ondorengo putzu kuantikoen laserrak garatu ziren. Oinarrizko teknologia hauek are gehiago hobetzeko gakoa eraginkortasunaren hobekuntzan eta barrunbeen pasivazioaren, beroaren xahupenaren eta ontziratzeko teknologiaren garapenean datza.
Distira
Azken hamarkadetako berrikuntzak hobekuntza zirraragarriak ekarri ditu. Bereziki, distira hobekuntza bikaina da. 1985ean, punta-puntako potentzia handiko laser erdieroaleak 105 miliwatt-eko potentzia lotu ahal izan zuen 105 mikrako nukleo-zuntz batean. Potentzia handiko erdieroaleen laser aurreratuenek 105 mikrako zuntz 250 watt baino gehiago ekoitzi ditzakete uhin-luzera bakarrean -zortzi urtean behin 10 bider handitzen da-.

Moorek "zirkuitu integratuan osagai gehiago finkatzea" pentsatu zuen; orduan, txip bakoitzeko transistore kopurua 10 aldiz handitu zen 7 urtean behin. Kasualitatez, potentzia handiko erdieroale laserrek fotoi gehiago sartzen dituzte zuntzean antzeko abiadura esponentzialetan (ikus 1. irudia).

1. Irudia. Potentzia handiko erdieroaleen laserren distira eta Moore-ren legearekin alderatzea
Potentzia handiko erdieroaleen laserren distira hobetzeak aurreikusi gabeko hainbat teknologiaren garapena sustatu du. Joera honen jarraipenak berrikuntza gehiago eskatzen badu ere, bada arrazoirik uste erdieroaleen laser teknologiaren berrikuntza amaitzetik urrun dagoela. Fisika ezagunak laser erdieroaleen errendimendua areago hobetu dezake etengabeko garapen teknologikoaren bidez.
Esate baterako, puntu kuantikoen irabazteko medioek eraginkortasuna nabarmen handitu dezakete egungo putzu kuantikoko gailuekin alderatuta. Ardatz moteleko distira beste magnitude ordenako hobekuntza potentziala eskaintzen du. Termikoarekin eta hedapenarekin bat datozen ontziratze-material berriek potentzia etengabe doitzeko eta kudeaketa termiko sinplifikatzeko behar diren hobekuntzak emango dituzte. Funtsezko garapen hauek potentzia handiko laser erdieroaleak garatzeko bide-orri bat emango dute datozen hamarkadetan.
Diodoz ponpatutako egoera solido eta zuntz laserrak
Potentzia handiko erdieroaleen laserretan egindako hobekuntzek ahalbidetu dute downstream laser teknologiak garatzea; downstream laser teknologietan, erdieroaleen laserrak erabiltzen dira dopatutako kristalak (diodoz ponpatutako egoera solidoko laserrak) edo dopatutako zuntzak (zuntz laserrak) kitzikatzeko (ponpatzeko).
Laser erdieroaleek eraginkortasun handiko eta kostu baxuko laser energia ematen badute ere, bi muga nagusi daude: ez dute energia metatzen eta haien distira mugatua da. Funtsean, bi laser hauek aplikazio askotarako erabili behar dira: bata elektrizitatea laser igorpen bihurtzeko eta bestea laser igorpenaren distira hobetzeko.
Diodoz ponpatutako egoera solidoko laserrak. 1980ko hamarkadaren amaieran, egoera solidoko laserrak ponpatzeko laser erdieroaleen erabilera ospea hartzen hasi zen aplikazio komertzialetan. Diodoz ponpatutako egoera solidoko laserrak (DPSSL) asko murrizten ditu kudeaketa termikoko sistemen tamaina eta konplexutasuna (birzirkulazio-hozgailuak batez ere) eta egoera solidoko laser kristalak ponpatzeko arku-lanparak historikoki konbinatu dituzten moduluak lortzen dituzte.
Laser erdieroaleen uhin-luzerak egoera solidoko laser irabazteko medioaren xurgapen espektralaren propietateen gainjartzearen arabera hautatzen dira; bero-karga asko murrizten da arku lanpararen banda zabaleko igorpen-espektroarekin alderatuta. 1064 nm-ko germanioan oinarritutako laserren ospea dela eta, 808 nm-ko ponparen uhin-luzera erdieroaleen laserretako uhin-luzera handiena bihurtu da 20 urte baino gehiagoz.
Modu anitzeko laser erdieroaleen distira handitu zenarekin eta 2000. urtearen erdialdean igorle-lerroaren zabalera estua Bragg sareekin (VBG) egonkortzeko gaitasunarekin, diodoen ponpaketa eraginkortasunaren bigarren belaunaldia lortu zen. 880 nm inguruko xurgapen-ezaugarri ahulagoak eta espektralki estuagoak distira handiko ponpa-diodoentzako puntu beroak bihurtu dira. Diodo hauek egonkortasun espektrala lor dezakete. Errendimendu handiagoko laser hauek zuzenean kitzikatu dezakete laseraren goiko 4F3/2 maila silizioan, akats kuantikoak murriztuz, eta horrela, bestela lente termikoek mugatuta egongo liratekeen batez besteko oinarrizko moduen erauzketa hobetuz.
2010. urtearen hasieran, 1064 nm-ko gurutze-modu bakarreko laserren eta erlazionatutako maiztasun-bihurketa-laserren serieen potentzia handiko eskalatze-joera ikusi dugu ikusgai eta ultramoreen bandetan funtzionatzen duten. Nd:YAG eta Nd:YVO4-ren energia-egoeraren iraupen luzeagoak direla eta, DPSSL Q kommutazio-eragiketa hauek pultsu-energia eta gailurreko potentzia ematen dituzte, material ablatiboaren prozesatzeko eta zehaztasun handiko mikromekanizazio aplikazioetarako aproposa da.
zuntz optikoko laserra. Zuntz laserrek potentzia handiko laser erdieroaleen distira bihurtzeko modu eraginkorragoa eskaintzen dute. Uhin-luzera multiplexatutako optikak nahiko luminantzia baxuko laser erdieroale bat laser erdieroale distiratsuago batean bihur dezakeen arren, hau zabalera espektralaren eta konplexutasun optomekanikoaren handitzearen kaltetan da. Zuntz laserrak konbertsio fotometrikoan bereziki eraginkorrak direla frogatu da.
1990eko hamarkadan aurkeztutako estaldura bikoitzeko zuntzek modu anitzeko estalduraz inguratutako modu bakarreko zuntzak erabiltzen dituzte, potentzia handiagoko eta kostu baxuagoko modu anitzeko erdieroaleen ponpatutako laserrak zuntzetan modu eraginkorrean injektatzeko aukera ematen baitute, modu ekonomikoago bat sortzeko. potentzia handiko erdieroaleen laser laser argiago batean. Itterbiozko (Yb) dopatutako zuntzetarako, ponpak 915 nm-an zentratutako xurgapen zabala edo 976 nm inguruko banda estu bat eragiten du. Ponparen uhin-luzera zuntz-laseraren lasing-uhin-luzera hurbiltzen den heinean, akats kuantikoak deiturikoak murrizten dira, horrela eraginkortasuna maximizatuz eta bero xahutze-kopurua gutxituz.
Zuntzezko laserrak zein diodoz ponpatutako egoera solidoko laserrak diodoen laserren distira hobekuntzan oinarritzen dira. Oro har, diodo-laserren distira hobetzen jarraitzen duen heinean, ponpatzen duten laser-potentziaren proportzioa ere handitzen ari da. Erdieroaleen laserren distira handitzeak distira bihurketa eraginkorragoa errazten du.
Espero genuen bezala, distira espaziala eta espektrala beharrezkoa izango da etorkizuneko sistemetarako, zeinak akats kuantiko baxuko ponpaketa ahalbidetuko baitu egoera solidoko laserretan xurgapen ezaugarri estuekin eta uhin-luzera trinkoen multiplexazio zuzeneko laser erdieroaleen aplikazioetarako. Plana posible bihurtzen da.
Merkatua eta Aplikazioa
Potentzia handiko laser erdieroaleen garapenak aplikazio garrantzitsu asko egin ditu posible. Laser hauek teknologia tradizional asko ordezkatu dituzte eta produktu kategoria berriak ezarri dituzte.
Hamarkada bakoitzeko kostua eta errendimendua 10 aldiz handitzen direnez, potentzia handiko erdieroaleen laserrek merkatuaren funtzionamendu normala eten egiten dute ezusteko modu batean. Etorkizuneko aplikazioak zehaztasunez aurreikustea zaila den arren, oso esanguratsua da azken hiru hamarkadetako garapen-historia berrikustea eta hurrengo hamarkadako garapenerako esparru-aukerak ematea (ikus 2. irudia).

2. Irudia. Potentzia handiko erdieroaleen distira laser bidezko erregaiaren aplikazioa (estandarizazio kostua watt distira bakoitzeko)
1980ko hamarkada: Biltegiratze optikoa eta hasierako nitxo aplikazioak. Biltegiratze optikoa laser erdieroaleen industrian eskala handiko lehen aplikazioa da. Hallek laser erdieroale infragorria lehen aldiz erakutsi eta gutxira, Nick Holonyak-ek General Electricsek lehen laser erdieroale gorri ikusgaia ere erakutsi zuen. Hogei urte geroago, disko konpaktuak (CD) merkatuan sartu ziren, eta ondoren biltegiratze optikoaren merkatua.
Erdieroaleen laser teknologiaren etengabeko berrikuntzak biltegiratze optikoko teknologiak garatzea ekarri du, hala nola, disko polifazetiko digitala (DVD) eta Blu-ray diskoa (BD). Laser erdieroaleen lehen merkatu handia da, baina, oro har, potentzia-maila apalek beste aplikazio batzuk nitxo-merkatu nahiko txikietara mugatzen dituzte, hala nola inprimaketa termikoa, aplikazio medikoak eta aplikazio aeroespazialeko eta defentsarako.
1990eko hamarkada: Sare optikoak dira nagusi. 1990eko hamarkadan, laser erdieroaleak komunikazio sareen gakoa bihurtu ziren. Laser erdieroaleak zuntz optikoko sareen bidez seinaleak transmititzeko erabiltzen dira, baina anplifikadore optikoetarako potentzia bakarreko ponpa laserrak funtsezkoak dira sare optikoen eskala lortzeko eta Interneteko datuen hazkundea benetan laguntzeko.
Berak ekarritako telekomunikazio industriaren boom-a oso zabala da, Spectra Diode Labs (SDL), potentzia handiko laser erdieroaleen industrian aitzindarietako bat den adibide gisa. 1983an sortua, SDL Newport Group-en Spectra-Physics eta Xerox laser marken arteko joint venture bat da. 1995ean jarri zen martxan, gutxi gorabehera 100 milioi dolarreko kapitalizazioarekin. Bost urte geroago, SDL JDSUri saldu zitzaion 40.000 milioi dolar baino gehiagoren truke telekomunikazioen industriaren gailurrean, historiako teknologia-erosketa handienetako bat. Handik gutxira, telekomunikazioen burbuila lehertu eta bilioi dolar kapital suntsitu zituen, gaur egun historiako burbuilarik handiena bezala ikusten dena.
2000. hamarkada: laserrak tresna bihurtu ziren. Telekomunikazioen merkatuaren burbuila lehertzea oso suntsitzailea den arren, potentzia handiko erdieroaleen laserretan egindako inbertsio handiak harrera zabalagorako oinarriak ezarri ditu. Errendimendua eta kostua handitu ahala, laser hauek gas-laser tradizionalak edo beste energia bihurtze-iturri batzuk ordezkatzen hasi dira hainbat prozesutan.
Erdieroaleen laserrak oso erabiliak diren tresna bihurtu dira. Industria-aplikazioak fabrikazio prozesu tradizionaletik, hala nola, ebaketa eta soldadura, fabrikazio-teknologia aurreratu berrietara, hala nola 3D inprimatutako metalezko piezen fabrikazio gehigarrietaraino. Mikro-fabrikazioko aplikazioak anitzagoak dira, telefono adimendunak bezalako produktu gakoak merkaturatu baitira laser hauekin. Aeroespazialeko eta defentsako aplikazioek misio-kritikoen aplikazio sorta zabala dute eta ziurrenik hurrengo belaunaldiko norabide-energia-sistemak barne hartuko dituzte etorkizunean.
laburbildu 
Duela 50 urte baino gehiago, Moorek ez zuen fisikako oinarrizko lege berririk proposatu, baina hobekuntza handiak egin zituen duela hamar urte lehen aztertu ziren zirkuitu integratuetan. Bere profeziak hamarkadetan iraun zuen eta 1965ean pentsaezinak ziren berrikuntza apurtzaile batzuk ekarri zituen berekin.
Hallek duela 50 urte baino gehiago laser erdieroaleak frogatu zituenean, iraultza teknologikoa eragin zuen. Moore-ren Legearekin gertatzen den bezala, inork ezin du aurreratu berrikuntza ugariren bidez lortutako intentsitate handiko laser erdieroaleek gerora izango duten abiadura handiko garapena.
Fisikan ez dago hobekuntza teknologiko hauek kontrolatzeko oinarrizko araurik, baina etengabeko aurrerapen teknologikoak laserra aurrera egin dezake distira aldetik. Joera honek teknologia tradizionalak ordezkatzen jarraituko du, horrela gauzak garatzeko modua gehiago aldatuz. Hazkunde ekonomikorako garrantzitsuagoa dena, potentzia handiko erdieroaleen laserrak ere gauza berrien sorrera sustatuko du.