Ezagutza Profesionala

Potentzia handiko erdieroale laserren iragana eta etorkizuna

2021-04-12
Eraginkortasuna eta potentzia handitzen doazen heinean, laser diodoek teknologia tradizionalak ordezkatzen jarraituko dute, gauzak maneiatzeko modua aldatuko dute eta gauza berrien jaiotza estimulatuko dute.
Tradizioz, ekonomialariek uste dute aurrerapen teknologikoa mailakako prozesua dela. Azkenaldian, industriak etenaldiak sor ditzakeen berrikuntza disruptiboetara gehiago bideratu da. Erabilera orokorreko teknologiak (GPT) izenarekin ezagutzen diren berrikuntza horiek "ekonomiaren alderdi askotan eragin handia izan dezaketen ideia edo teknologia berri sakonak dira". Teknologia orokorrak normalean hainbat hamarkada behar izaten ditu garatzen, eta are gehiago, produktibitatea handitzea ekarriko du. Hasieran, ez zituzten ondo ulertzen. Teknologia merkaturatu ondoren ere, produkzioaren adopzioan epe luzeko atzerapena egon zen. Zirkuitu integratuak adibide ona dira. Transistoreak XX. Mendearen hasieran sartu ziren lehen aldiz, baina arratsaldean berandu arte oso erabiliak izan ziren.
Moore-ren Legearen sortzaileetako batek, Gordon Moore-k, 1965ean iragarri zuen erdieroaleak abiadura bizkorragoan garatuko zirela, "elektronikaren ospea ekarriz eta zientzia hori arlo berri askotara bultzatuz". Aurreikuspen ausartak eta ustekabeko zehatzak izan arren, etengabeko hobekuntza izan du produktibitatea eta hazkunde ekonomikoa lortu aurretik.
Era berean, potentzia handiko laser erdieroaleen garapen dramatikoa ulertzea mugatua da. 1962an, industriak elektroiak laser bihurtzea frogatu zuen lehen aldiz, eta, ondoren, hainbat aurrerapen ekarri zituzten, elektroiak errendimendu handiko laser prozesu bihurtzean hobekuntza nabarmenak ekarri zituzten. Hobekuntza hauek aplikazio garrantzitsu ugari onar ditzakete, besteak beste, biltegiratze optikoa, sare optikoa eta industria aplikazio ugari.
Garapen horiek eta ekarri dituzten hobekuntza ugariak gogora ekartzeak ekonomiaren alderdi askotan inpaktu handiagoa eta zabalagoa izateko aukera agerian utzi du. Izan ere, potentzia handiko laser erdieroaleen etengabeko hobekuntzarekin, aplikazio garrantzitsuen esparrua handitu egingo da eta eragin handia izango du hazkunde ekonomikoan.
Potentzia handiko erdieroaleen laser historia
1962ko irailaren 16an, General Electric-ek zuzendutako Robert Hall-ek zuzendutako talde batek galium arsenide (GaAs) erdieroaleen emisio infragorriak frogatu zituen, interferentzia eredu "bitxiak" dituztenak, koherentzia Laser, hau da, lehen laser erdieroaleen jaiotza. Hall-ek hasieran uste zuen laser erdieroalea "tiro luzea" zela, garai hartan argiak igortzen zituzten diodoak oso eraginkorrak ez zirelako. Aldi berean, eszeptikoa zen horri buruz, duela bi urte baieztatu eta dagoeneko existitzen den laserak "ispilu fina" behar duelako.
1962ko udan, Halle-k esan zuen harrituta zegoela MIT Lincoln Laboratory-k garatutako GaAs argi-igorle diodo eraginkorragoekin. Gerora, kalitate handiko GaAs material batzuekin probatu ahal izatea zorionekoa zela esan zuen eta astronomo amateur gisa izandako esperientzia baliatu zuen GaAs txipen ertzak leuntzeko modua barrunbea osatzeko.
Hallen erakustaldi arrakastatsua interfazean erradiazioen erreboteen atzera eta aurrera diseinatzean oinarritzen da errebote bertikalean baino. Xumetasunez esan du inork ez duela "ideia honekin asmatu" gertatu. Izan ere, Hall-en diseinua zorioneko kasualitatea da, uhin-gida eratzen duen material erdieroaleak aldi berean eramaile bipolarrak mugatzeko propietatea duelako. Bestela, ezinezkoa da laser erdieroale bat konturatzea. Material erdieroale desberdinak erabiliz, lauza uhin-gida bat sor daiteke, fotoiak eramaileekin gainjartzeko.
General Electric-en aurretiazko manifestazio hauek aurrerapen handia izan ziren. Hala ere, laser horiek gailu praktikoetatik urrun daude. Potentzia handiko erdieroale laserrak jaiotzea sustatzeko, teknologia desberdinen fusioa gauzatu behar da. Funtsezko berrikuntza teknologikoak banda-espazio zuzeneko material erdieroaleak eta kristalak hazteko teknikak ulertuz hasi ziren.
Geroagoko garapenen artean heterojuntzio bikoitzeko laserrak asmatu ziren eta ondoren putzu kuantikoen laserrak garatu ziren. Oinarrizko teknologia hauek gehiago hobetzeko gakoa efizientzia hobetzean eta barrunbearen pasibazioan, beroa xahutzen eta ontziratze teknologia garatzean datza.
Distira
Azken hamarkadetako berrikuntzak hobekuntza zirraragarriak ekarri ditu. Bereziki, distira hobetzea bikaina da. 1985ean, punta-puntako potentzia altuko laser erdieroaleak 105 miliwatt potentzia 105 mikrako nukleo zuntz batean bateratu ahal izan zituen. Potentzia handiko erdieroale laserrik aurreratuenek, orain, 250 watt baino gehiago sor ditzakete 105 mikrako zuntz uhin-luzera bakarrarekin - zortzi urtean behin 10 aldiz gehiago.

Moore-k "zirkuitu integratuan osagai gehiago finkatzea" pentsatu zuen - orduan, 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 laser erdieroaleen distira eta Moore-ren legearekin alderatzea
Potentzia handiko laser erdieroaleen distira hobetzeak ezusteko hainbat teknologia garatu ditu. Joera hori jarraitzeak berrikuntza gehiago eskatzen duen arren, badaiteke arrazoia laser erdi-eroalearen teknologiaren berrikuntza amaitzetik urrun dagoela. Fisika ezagunak laser erdieroaleen errendimendua hobetu dezake etengabeko garapen teknologikoaren bidez.
Adibidez, puntu kuantikoen irabazien euskarriak eraginkortasuna nabarmen handitu dezake egungo putzu kuantikoen gailuekin alderatuta. Ardatz moteleko distirak magnitude hobetzeko beste ordena bat eskaintzen du. Ontziratzeko material berriek termikoarekin eta hedapenarekin bat datozenekin, etengabeko potentzia doitzeko eta kudeaketa termiko sinplifikaturako beharrezkoak diren hobekuntzak emango dituzte. Funtsezko garapen horiek datozen hamarkadetan potentzia handiko erdieroale laserrak garatzeko bide orria emango dute.
Diodoz ponpatutako egoera solido eta zuntz laserrak
Potentzia handiko erdieroale laserren hobekuntzek ahalbidetu dute beheranzko laser teknologiaren garapena; beheranzko laser teknologietan, erdi-eroaleak erabiltzen dira dopatutako kristalak (diodoak ponpatutako egoera solidoaren laserrak) edo dopatutako zuntzak (zuntz laserrak) kitzikatzeko (ponpatzeko).
Laser erdieroaleek eraginkortasun handiko eta kostu baxuko laser energia eskaintzen duten arren, bi funtsezko muga daude: ez dute energia gordetzen eta haien distira mugatua da. Funtsean bi laser horiek aplikazio askotan erabili behar dira: bata elektrizitatea laser igorpen bihurtzeko eta bestea laser igorpenaren distira hobetzeko.
Diodoz ponpatutako egoera solidoko laserrak. 1980ko hamarkadaren amaieran, egoera solidoetako laserrak ponpatzeko erdi-eroalearen laserrak erabiltzen hasi zen aplikazio komertzialetan. Diodoz ponpatutako egoera solidoko laserrek (DPSSL) asko murrizten dituzte kudeaketa termikoko sistemen tamaina eta konplexutasuna (batez ere birzirkulazio hozkailuak) eta egoera solidoko laser kristalak ponpatzeko arku lanparak konbinatuta dituzten moduluak lortzen dituzte.
Laser erdi-eroalearen uhin-luzerak hautatzen dira egoera solidoaren laser irabazteko euskarriaren xurgapen espektralaren propietateekin duten gainjartzearen arabera; bero-karga asko murrizten da arkuko lanpararen banda zabaleko emisio espektroarekin alderatuta. 1064 nm-ko germanioan oinarritutako laserrek duten ospea dela eta, 808 nm-ko ponparen uhin-luzera 20 urte baino gehiago daramatza laser erdieroaleen uhin-luzera handiena bihurtu da.
Modu anitzeko laser erdieroaleen distira handitu eta igorlearen lerro zabalera estua Bolumen Bragg sareekin (VBG) egonkortzeko gaitasunarekin 2000. urte erdialdean, diodoen ponpaketa eraginkortasunaren hobekuntza bigarren belaunaldia lortu zen. 880 nm inguruko xurgapen ezaugarri ahulagoak eta estuagoak distira handiko ponpako diodoentzako puntu bero bihurtu dira. Diodo horiek egonkortasun espektrala lor dezakete. Errendimendu handiko laser hauek zuzenean lasionatu dezakete laserraren goiko maila 4F3 / 2 silizioan, akats kuantikoak murriztuz eta, horrela, lente termikoek bestela mugatuko lituzketen batez besteko goi mailako oinarrizko moduen erauzketa hobetuz.
2010aren hasieran ikusi genuen 1064nm moduko gurutze bakarreko laserraren potentzia handiko eskalatzeko joera eta banda ikusgarrian eta ultramorearen bandaetan funtzionatzen duten frekuentzia bihurtzeko laserren serieak. Nd: YAG eta Nd: YVO4-ren energia-egoera luzeagoak direla eta, DPSSL Q kommutazio-eragiketa hauek pultsu-energia handia eta gailurreko potentzia eskaintzen dituzte, material ablatiboa prozesatzeko eta doitasun handiko mikromekanizazioko aplikazioetarako aproposak.
zuntz optikozko laserra. Zuntzezko laserrek potentzia handiko erdieroaleen laserren distira bihurtzeko modu eraginkorragoa eskaintzen dute. Uhin-luzerarekin multiplexatutako optikak nahiko distantzia baxuko erdi-eroaleak dituen laser bat erdi-eroalearen laser distiratsuago bihur ditzaketen arren, espektroaren zabalera eta konplexutasun optomekanikoa handitzearen kaltetan da. Zuntz laserrak bihurketa fotometrikoan bereziki eraginkorrak direla frogatu da.
1990eko hamarkadan sartutako jantzi bikoitzeko zuntzek modu bakarreko zuntzak erabiltzen dituzte modu anitzeko estaldura batez inguratuta, ahalmen handiko eta kostu baxuagoko multimodo erdieroalez ponpatutako laserrak zuntzean modu eraginkorrean injektatzeko aukera ematen dutenak. potentzia handiko erdieroale laser bat laser distiratsuago bihurtuz. Itterbio (Yb) dopatutako zuntzetarako, ponpak 915 nm-ko zentratutako xurgapen zabala edo 976 nm inguruko banda estuaren ezaugarria kitzikatzen du. Ponparen uhin-luzera zuntz laserraren uhin-luzerara hurbildu ahala, akats kuantikoak deiturikoak murriztu egiten dira, horrela eraginkortasuna maximizatuz eta bero-xahutze kopurua minimizatuz.
Bai zuntz laserrak, bai diodoak ponpatutako egoera solidoeko laserrak diodo laserraren distiraren hobekuntzetan oinarritzen dira. Oro har, diodo laserren distira hobetzen doan heinean, ponpatzen duten laser potentziaren proportzioa ere handitzen ari da. Laser erdieroaleen distira handitzeak distira bihurketa eraginkorragoa errazten du.
Espero genezakeen moduan, distira espaziala eta espektrala beharrezkoa izango da etorkizuneko sistemetarako, eta horrek ahalbidetuko du akats kuantiko baxua ponpatzea xurgapen estua duten ezaugarriak egoera solidoetako laserretan eta uhin-luzera trinkoen multiplexazioa zuzeneko erdi-eroaleak laser aplikazioetarako. Plana posible bihurtzen da.
Merkatua eta aplikazioa
Potentzia handiko erdieroale laserrak garatzeak aplikazio garrantzitsu asko egin ditu. Laser horiek ohiko teknologia asko ordezkatu dituzte eta produktuen kategoria berriak ezarri dituzte.
Hamarkada bakoitzeko kostua eta errendimendua 10 aldiz handituz gero, potentzia handiko erdieroale laserrek merkatuaren ohiko funtzionamendua eten egiten dute ezusteko moduan. Etorkizuneko aplikazioak zehaztasunez aurreikustea zaila den arren, oso esanguratsua da azken hiru hamarkadetako garapen historia berrikustea eta hurrengo hamarkadako garapenerako esparru aukerak eskaintzea (ikus 2. irudia).

2. irudia Potentzia handiko erdieroaleen laser distira erregai aplikazioa (estandarizazio kostua watt distirako)
1980ko hamarkada: Biltegiratze optikoa eta hasierako nitxo aplikazioak. Biltegiratze optikoa laser erdieroaleen industrian eskala handiko lehenengo aplikazioa da. Hall-ek infragorri erdieroaleen laserrak lehenengo aldiz erakutsi eta gutxira, Nick Holonyak General Electrics-ek ere erakutsi zuen lehen laser erdi-eroalearen gorria. Hogei urte geroago, disko konpaktuak (CDak) merkatuan sartu ziren eta, ondoren, biltegiratze optikoaren merkatua.
Egoera erdieroaleen teknologiaren etengabeko berrikuntzak biltegiratze optikoko teknologiak garatu ditu, hala nola disko polifazetiko digitala (DVD) eta Blu-ray Disc (BD). Hau da erdi-eroaleak laserren lehenengo merkatu handia, baina, oro har, potentzia maila apalak beste aplikazio batzuek nitxo merkatu nahiko txikietara mugatzen dute, hala nola inprimatze termikoa, aplikazio medikoak eta hautatutako aeroespazial eta defentsarako aplikazioak.
1990eko hamarkada: sare optikoak nagusitzen ari dira. 1990eko hamarkadan, laser erdieroaleak komunikazio sareen gakoa bihurtu ziren. Erdieroalezko laserrak seinaleak zuntz optikozko sareen bidez igortzeko erabiltzen dira, baina anplifikadore optikoetarako potentzia handiko modu bakarreko ponpa laserrak oso garrantzitsuak dira sare optikoen eskala lortzeko eta Interneteko datuen hazkundea zaintzeko.
Horrek ekarri duen telekomunikazioen industriaren hazkundea oso zabala da, Spectra Diode Labs (SDL) hartuta, potentzia handiko erdieroaleen laser industriaren lehen aitzindarietako bat izan da adibidetzat. SDL 1983an sortua, Newport Taldearen Spectra-Physics eta Xerox laser marken arteko joint venture bat da. 1995ean jarri zen abian, gutxi gorabehera 100 milioi dolarreko kapitalizazioarekin. Bost urte geroago, SDL JDSUri 40.000 mila milioi dolar baino gehiagotan saldu zitzaion telekomunikazioen industriaren gailurrean, historiako teknologia erosketa handienetako bat izan zenean. Handik gutxira, telekomunikazioen burbuila lehertu eta bilioi dolarreko kapitalak suntsitu zituen, orain historiako burbuilarik handiena dela ikusita.
2000ko hamarkada: laserrak tresna bihurtu ziren. Telekomunikazioen merkatuaren burbuila lehertzea oso suntsitzailea den arren, potentzia handiko erdieroaleen laserretan egindako inbertsio handiak harrera zabalagoa izateko oinarriak ezarri ditu. Errendimendua eta kostua handitzen diren heinean, laser horiek ohiko gas laserrak edo beste energia bihurtzeko beste iturri batzuk ordezkatzen hasten dira hainbat prozesutan.
Erdieroaleen laserrak oso erabiliak diren tresna bihurtu dira. Aplikazio industrialak ohiko fabrikazio prozesuetatik hasi eta ebaketa eta soldadura bezalakoak dira, hala nola fabrikazio teknologia aurreratu berrietara, hala nola 3D inprimatutako metalezko piezen fabrikazio gehigarria. Mikrofabrikazioko aplikazioak askotarikoagoak dira, esaterako, telefono gakoak bezalako produktu nagusiak laser horiekin merkaturatu baitira. Aeroespazialaren eta defentsaren aplikazioek misio kritikoa duten aplikazio ugari eskatzen dute eta ziurrenik hurrengo belaunaldiko noranzko energia sistemak sartuko dituzte etorkizunean.
laburbildu
Duela 50 urte baino gehiago Moorek ez zuen fisikaren oinarrizko lege berria proposatu, baina duela hamar urte lehen aldiz aztertu ziren zirkuitu integratuetan hobekuntza handiak egin zituen. Bere profeziak hamarkada luzez iraun zuen eta 1965ean pentsaezinak ziren berrikuntza disruptibo ugari ekarri zituen.
Hallek duela 50 urte baino gehiago laser erdi-eroaleak frogatu zituenean, iraultza teknologikoa eragin zuen. Moore-ren Legearekin gertatzen den moduan, inork ezin du aurreikusi berrikuntza kopuru handi batek lortutako intentsitate handiko erdieroale laserrek geroago jasango duten abiadura handiko garapena.
Fisikan ez dago hobekuntza teknologiko horiek kontrolatzeko oinarrizko araurik, baina etengabeko aurrerapen teknologikoak laserra egin dezake distira aldetik. Joera horrek teknologia tradizionalak ordezkatzen jarraituko du, horrela gauzak garatzeko modua gehiago aldatuko da. Hazkunde ekonomikorako garrantzitsuagoak direnez, potentzia handiko erdieroaleen laserrek gauza berrien jaiotza ere sustatuko dute.


We use cookies to offer you a better browsing experience, analyze site traffic and personalize content. By using this site, you agree to our use of cookies. Privacy Policy
Reject Accept