O passado e o futuro dos lasers de semicondutores de alta potência

À medida que a eficiência e a potência continuam a aumentar, os diodos laser continuarão a substituir as tecnologias tradicionais, a mudar a forma como as coisas são tratadas e a estimular o nascimento de novas coisas.
Tradicionalmente, os economistas acreditam que o progresso tecnológico é um processo gradual. Recentemente, a indústria tem se concentrado mais em inovações disruptivas que podem causar descontinuidades. Essas inovações, conhecidas como tecnologias de uso geral (GPTs), são "novas idéias ou tecnologias profundas que podem ter um grande impacto em muitos aspectos da economia". A tecnologia geral geralmente leva várias décadas para se desenvolver e, ainda mais, resultará em um aumento na produtividade. No início, eles não foram bem compreendidos. Mesmo depois que a tecnologia foi comercializada, houve um atraso de longo prazo na adoção da produção. Os circuitos integrados são um bom exemplo. Os transistores foram introduzidos pela primeira vez no início do século 20, mas foram amplamente usados ​​até tarde da noite.
Um dos fundadores da Lei de Moore, Gordon Moore, previu em 1965 que os semicondutores se desenvolveriam em um ritmo mais rápido, "trazendo a popularidade da eletrônica e empurrando esta ciência para muitos novos campos." Apesar de suas previsões ousadas e inesperadamente precisas, ele passou por décadas de melhoria contínua antes de alcançar produtividade e crescimento econômico.
Da mesma forma, a compreensão do dramático desenvolvimento de lasers semicondutores de alta potência é limitada. Em 1962, a indústria demonstrou pela primeira vez a conversão de elétrons em lasers, seguida por uma série de avanços que levaram a melhorias significativas na conversão de elétrons em processos de laser de alto rendimento. Essas melhorias podem suportar uma variedade de aplicações importantes, incluindo armazenamento ótico, rede ótica e uma ampla gama de aplicações industriais.
A lembrança desses desenvolvimentos e das inúmeras melhorias que eles trouxeram à luz destacou a possibilidade de um impacto maior e mais amplo em muitos aspectos da economia. Na verdade, com a melhoria contínua dos lasers semicondutores de alta potência, o escopo de aplicações importantes aumentará e terá um impacto profundo no crescimento econômico.
História do laser semicondutor de alta potência
Em 16 de setembro de 1962, uma equipe liderada por Robert Hall da General Electric demonstrou a emissão infravermelha de semicondutores de arseneto de gálio (GaAs), que têm padrões de interferência "estranhos", significando laser de coerência - o nascimento do primeiro laser semicondutor. Hall inicialmente acreditava que o laser semicondutor era um "tiro no escuro" porque os diodos emissores de luz na época eram muito ineficientes. Ao mesmo tempo, ele também duvidou disso porque o laser que foi confirmado há dois anos e já existe exige um "espelho fino".
No verão de 1962, Halle disse que ficou chocado com os diodos emissores de luz GaAs mais eficientes desenvolvidos pelo Laboratório Lincoln do MIT. Posteriormente, ele disse que teve a sorte de poder testar alguns materiais de GaAs de alta qualidade e usou sua experiência como astrônomo amador para desenvolver uma maneira de polir as bordas dos chips de GaAs para formar uma cavidade.
A demonstração de sucesso de Hall baseia-se no projeto de ressalto de radiação para frente e para trás na interface, em vez de ricochete vertical. Ele disse modestamente que ninguém "por acaso teve essa ideia". Na verdade, o projeto de Hall é essencialmente uma feliz coincidência de que o material semicondutor que forma o guia de ondas também tem a propriedade de limitar as portadoras bipolares ao mesmo tempo. Caso contrário, é impossível realizar um laser semicondutor. Usando materiais semicondutores diferentes, um guia de onda em placa pode ser formado para sobrepor fótons com portadores.
Essas demonstrações preliminares na General Electric foram um grande avanço. No entanto, esses lasers estão longe de ser dispositivos práticos. A fim de promover o nascimento de lasers semicondutores de alta potência, a fusão de diferentes tecnologias deve ser realizada. As principais inovações tecnológicas começaram com a compreensão de materiais semicondutores de bandgap direto e técnicas de crescimento de cristal.
Desenvolvimentos posteriores incluíram a invenção de lasers de dupla heterojunção e o subsequente desenvolvimento de lasers de poços quânticos. A chave para aprimorar ainda mais essas tecnologias essenciais está na melhoria da eficiência e no desenvolvimento da passivação de cavidades, dissipação de calor e tecnologia de embalagem.
Brilho
A inovação nas últimas décadas trouxe melhorias empolgantes. Em particular, a melhoria do brilho é excelente. Em 1985, o laser semicondutor de alta potência de última geração foi capaz de acoplar 105 miliwatts de potência em uma fibra de núcleo de 105 mícrons. Os lasers semicondutores de alta potência mais avançados agora podem produzir mais de 250 watts de fibra de 105 mícrons com um único comprimento de onda - um aumento de 10 vezes a cada oito anos.

Moore concebeu "fixar mais componentes ao circuito integrado" - então, o número de transistores por chip aumentava 10 vezes a cada 7 anos. Coincidentemente, os lasers semicondutores de alta potência incorporam mais fótons na fibra em taxas exponenciais semelhantes (consulte a Figura 1).

Figura 1. Brilho de lasers semicondutores de alta potência e comparação com a lei de Moore
A melhoria no brilho dos lasers semicondutores de alta potência promoveu o desenvolvimento de várias tecnologias imprevistas. Embora a continuação dessa tendência exija mais inovação, há motivos para acreditar que a inovação da tecnologia de laser de semicondutor está longe de ser concluída. A bem conhecida física pode melhorar ainda mais o desempenho dos lasers semicondutores por meio do desenvolvimento tecnológico contínuo.
Por exemplo, a mídia de ganho de ponto quântico pode aumentar significativamente a eficiência em comparação com os dispositivos de poço quântico atuais. O brilho do eixo lento oferece outro potencial de melhoria da ordem de magnitude. Novos materiais de embalagem com combinação térmica e de expansão aprimorada fornecerão os aprimoramentos necessários para ajuste contínuo de energia e gerenciamento térmico simplificado. Esses desenvolvimentos principais fornecerão um roteiro para o desenvolvimento de lasers de semicondutores de alta potência nas próximas décadas.
Lasers de estado sólido e de fibra com bombeamento de diodo
As melhorias nos lasers de semicondutores de alta potência tornaram possível o desenvolvimento de tecnologias de laser downstream; nas tecnologias de laser downstream, os lasers semicondutores são usados ​​para excitar (bombear) cristais dopados (lasers de estado sólido bombeados com diodo) ou fibras dopadas (lasers de fibra).
Embora os lasers semicondutores forneçam energia de laser de alta eficiência e baixo custo, existem duas limitações principais: eles não armazenam energia e seu brilho é limitado. Basicamente, esses dois lasers precisam ser usados ​​para muitas aplicações: um para converter eletricidade em emissão de laser e outro para aumentar o brilho da emissão do laser.
Lasers de estado sólido com injeção de diodo. No final da década de 1980, o uso de lasers semicondutores para bombear lasers de estado sólido começou a ganhar popularidade em aplicações comerciais. Lasers de estado sólido com bombeamento de diodo (DPSSL) reduzem muito o tamanho e a complexidade dos sistemas de gerenciamento térmico (principalmente resfriadores de recirculação) e obtêm módulos que historicamente combinaram lâmpadas de arco para bombear cristais de laser de estado sólido.
Os comprimentos de onda dos lasers semicondutores são selecionados com base em sua sobreposição com as propriedades de absorção espectral do meio de ganho de laser de estado sólido; a carga de calor é bastante reduzida em comparação com o espectro de emissão de banda larga da lâmpada de arco. Devido à popularidade dos lasers à base de germânio de 1064 nm, o comprimento de onda da bomba de 808 nm tornou-se o maior comprimento de onda em lasers semicondutores por mais de 20 anos.
Com o aumento no brilho dos lasers semicondutores multimodo e a capacidade de estabilizar a largura da linha do emissor estreito com grades de Bragg de volume (VBGs) em meados de 2000, a segunda geração de eficiência aprimorada de bombeamento de diodo foi alcançada. As características de absorção mais fracas e espectralmente estreitas em torno de 880 nm tornaram-se pontos quentes para diodos de bomba de alto brilho. Esses diodos podem alcançar estabilidade espectral. Esses lasers de alto desempenho podem excitar diretamente o nível superior 4F3 / 2 do laser em silício, reduzindo defeitos quânticos, melhorando assim a extração de modos fundamentais de média superior que, de outra forma, seriam limitados por lentes térmicas.
No início de 2010, testemunhamos a tendência de escalonamento de alta potência do laser de 1064 nm de modo cruzado único e séries relacionadas de lasers de conversão de frequência operando nas bandas visível e ultravioleta. Devido aos tempos de vida mais longos no estado de alta energia de Nd: YAG e Nd: YVO4, essas operações de comutação DPSSL Q fornecem alta energia de pulso e potência de pico, tornando-as ideais para processamento ablativo de materiais e aplicações de microusinagem de alta precisão.
laser de fibra óptica. Os lasers de fibra fornecem uma maneira mais eficiente de converter o brilho de lasers semicondutores de alta potência. Embora a óptica multiplexada por comprimento de onda possa converter um laser semicondutor de luminância relativamente baixa em um laser semicondutor mais brilhante, isso ocorre às custas do aumento da largura espectral e da complexidade optomecânica. Os lasers de fibra demonstraram ser particularmente eficazes na conversão fotométrica.
As fibras de dupla camada introduzidas na década de 1990 usam fibras monomodo rodeadas por um revestimento multimodo, permitindo que lasers bombeados por semicondutores multimodo de maior potência e baixo custo sejam injetados de forma eficiente na fibra, criando uma forma mais econômica de converter um laser semicondutor de alta potência em um laser mais brilhante. Para fibras dopadas com itérbio (Yb), a bomba excita uma ampla absorção centrada em 915 nm ou uma característica de banda estreita em torno de 976 nm. Conforme o comprimento de onda da bomba se aproxima do comprimento de onda do laser de fibra, os chamados defeitos quânticos são reduzidos, maximizando assim a eficiência e minimizando a quantidade de dissipação de calor.
Tanto os lasers de fibra quanto os lasers de estado sólido com bombeamento de diodo contam com melhorias no brilho do laser de diodo. Em geral, à medida que o brilho dos lasers de diodo continua a melhorar, a proporção da potência do laser que eles bombeiam também aumenta. O brilho aumentado dos lasers semicondutores facilita a conversão de brilho mais eficiente.
Como seria de se esperar, o brilho espacial e espectral será necessário para sistemas futuros, o que permitirá o bombeamento de baixo defeito quântico com características de absorção estreitas em lasers de estado sólido e multiplexação de comprimento de onda densa para aplicações de laser semicondutor direto. O plano se torna possível.
Mercado e Aplicação
O desenvolvimento de lasers semicondutores de alta potência possibilitou muitas aplicações importantes. Esses lasers substituíram muitas tecnologias tradicionais e implementaram novas categorias de produtos.
Com um aumento de 10 vezes no custo e no desempenho por década, os lasers de semicondutores de alta potência perturbam o funcionamento normal do mercado de maneiras imprevisíveis. Embora seja difícil prever com precisão as aplicações futuras, é muito significativo revisar a história de desenvolvimento das últimas três décadas e fornecer possibilidades de estrutura para o desenvolvimento da próxima década (ver Figura 2).

Figura 2. Aplicação de combustível de brilho de laser semicondutor de alta potência (custo de padronização por brilho watt)
Década de 1980: Armazenamento óptico e aplicações iniciais de nicho. O armazenamento óptico é a primeira aplicação em larga escala na indústria de laser semicondutor. Pouco depois de Hall mostrar o laser semicondutor infravermelho, a General Electrics Nick Holonyak também mostrou o primeiro laser semicondutor vermelho visível. Vinte anos depois, os discos compactos (CDs) foram introduzidos no mercado, seguidos pelo mercado de armazenamento óptico.
A inovação constante da tecnologia de laser semicondutor levou ao desenvolvimento de tecnologias de armazenamento óptico, como o disco versátil digital (DVD) e o disco Blu-ray (BD). Este é o primeiro grande mercado para lasers semicondutores, mas os níveis de potência geralmente modestos limitam outras aplicações a nichos de mercado relativamente pequenos, como impressão térmica, aplicações médicas e aplicações aeroespaciais e de defesa selecionadas.
Década de 1990: redes ópticas estão prevalecendo. Na década de 1990, os lasers semicondutores se tornaram a chave para as redes de comunicação. Os lasers semicondutores são usados ​​para transmitir sinais em redes de fibra óptica, mas os lasers de bomba de modo único de maior potência para amplificadores ópticos são essenciais para alcançar a escala das redes ópticas e realmente apoiar o crescimento dos dados da Internet.
O boom da indústria de telecomunicações trazido por ele é de longo alcance, tomando como exemplo o Spectra Diode Labs (SDL), um dos primeiros pioneiros na indústria de laser de semicondutor de alta potência. Fundada em 1983, a SDL é uma joint venture entre as marcas de laser Spectra-Physics e Xerox do Grupo Newport. Foi lançado em 1995 com uma capitalização de mercado de aproximadamente US $ 100 milhões. Cinco anos depois, a SDL foi vendida para a JDSU por mais de US $ 40 bilhões durante o pico da indústria de telecomunicações, uma das maiores aquisições de tecnologia da história. Logo depois, a bolha das telecomunicações estourou e destruiu trilhões de dólares de capital, hoje vista como a maior bolha da história.
Década de 2000: os lasers se tornaram uma ferramenta. Embora o estouro da bolha do mercado de telecomunicações seja extremamente destrutivo, o enorme investimento em lasers semicondutores de alta potência lançou as bases para uma adoção mais ampla. Conforme o desempenho e o custo aumentam, esses lasers estão começando a substituir os lasers de gás tradicionais ou outras fontes de conversão de energia em uma variedade de processos.
Os lasers semicondutores tornaram-se uma ferramenta amplamente utilizada. As aplicações industriais variam de processos de manufatura tradicionais, como corte e solda, a novas tecnologias de manufatura avançadas, como manufatura aditiva de peças de metal impressas em 3D. Os aplicativos de microfabricação são mais diversos, pois produtos-chave, como smartphones, foram comercializados com esses lasers. As aplicações aeroespaciais e de defesa envolvem uma ampla gama de aplicações de missão crítica e provavelmente incluirão sistemas de energia direcional de próxima geração no futuro.
Resumindo
Mais de 50 anos atrás, Moore não propôs uma nova lei básica da física, mas fez grandes melhorias nos circuitos integrados que foram estudados pela primeira vez há dez anos. Sua profecia durou décadas e trouxe consigo uma série de inovações revolucionárias que eram impensáveis ​​em 1965.
Quando Hall demonstrou os lasers de semicondutores há mais de 50 anos, isso desencadeou uma revolução tecnológica. Tal como acontece com a Lei de Moore, ninguém pode prever o desenvolvimento em alta velocidade que os lasers semicondutores de alta intensidade alcançados por um grande número de inovações sofrerão posteriormente.
Não existe uma regra fundamental na física para controlar essas melhorias tecnológicas, mas o avanço tecnológico contínuo pode fazer o laser avançar em termos de brilho. Esta tendência continuará a substituir as tecnologias tradicionais, mudando ainda mais a forma como as coisas são desenvolvidas. Mais importante para o crescimento econômico, os lasers de semicondutores de alta potência também promoverão o nascimento de coisas novas.