O passado e o futuro dos lasers semicondutores de alta potência

À medida que a eficiência e a potência continuam a aumentar, os díodos laser continuarão a substituir as tecnologias tradicionais, a mudar a forma como as coisas são tratadas e a estimular o nascimento de coisas novas.
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. Estas inovações, conhecidas como tecnologias de uso geral (GPTs), são “novas ideias ou tecnologias profundas que podem ter um grande impacto em muitos aspectos da economia”. A tecnologia geral geralmente leva várias décadas para ser desenvolvida, e ainda mais levará a um aumento na produtividade. No início, eles não foram bem compreendidos. Mesmo depois de a tecnologia ter sido 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 utilizados 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 das suas previsões ousadas e inesperadamente precisas, ele passou por décadas de melhoria contínua antes de alcançar a produtividade e o crescimento económico.
Da mesma forma, a compreensão do desenvolvimento dramático 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 série de aplicações importantes, incluindo armazenamento óptico, redes ópticas e uma ampla gama de aplicações industriais.
A recordação destes desenvolvimentos e das numerosas melhorias que trouxeram à luz destacou a possibilidade de um impacto maior e mais generalizado em muitos aspectos da economia. Na verdade, com a melhoria contínua dos lasers semicondutores de alta potência, o âmbito de aplicações importantes aumentará e terá um impacto profundo no crescimento económico.
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 arsenieto de gálio (GaAs), que possuem padrões de interferência "estranhos", significando laser de coerência - o nascimento do primeiro laser semicondutor. Hall inicialmente acreditou que o laser semicondutor era um "tiro improvável" porque os diodos emissores de luz da época eram muito ineficientes. Ao mesmo tempo, ele também estava cético quanto a isso porque o laser que foi confirmado há dois anos e já existe requer 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 bem-sucedida de Hall é baseada no projeto de reflexos de radiação para frente e para trás na interface, em vez de reflexos verticais. Ele disse modestamente que "por acaso ninguém teve essa idéia". 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 os portadores 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 a portadores.
Estas demonstrações preliminares na General Electric foram um grande avanço. No entanto, estes lasers estão longe de serem 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 dos materiais semicondutores de bandgap direto e das técnicas de crescimento de cristais.
Desenvolvimentos posteriores incluíram a invenção de lasers de heterojunção dupla 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 interessantes. 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 central 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 aumentou 10 vezes a cada 7 anos. Coincidentemente, os lasers semicondutores de alta potência incorporam mais fótons na fibra a taxas exponenciais semelhantes (ver 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 diversas tecnologias imprevistas. Embora a continuação desta tendência exija mais inovação, há razões para acreditar que a inovação da tecnologia laser semicondutora está longe de estar concluída. A conhecida física pode melhorar ainda mais o desempenho dos lasers semicondutores por meio do desenvolvimento tecnológico contínuo.
Por exemplo, a mídia de ganho de pontos quânticos pode aumentar significativamente a eficiência em comparação com os atuais dispositivos de poços quânticos. O brilho do eixo lento oferece outro potencial de melhoria de ordem de magnitude. Novos materiais de embalagem com melhor correspondência térmica e de expansão fornecerão os aprimoramentos necessários para ajuste contínuo de energia e gerenciamento térmico simplificado. Esses desenvolvimentos importantes fornecerão um roteiro para o desenvolvimento de lasers semicondutores de alta potência nas próximas décadas.
Lasers de estado sólido e de fibra bombeados por diodo
Melhorias nos lasers 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 por diodo) ou fibras dopadas (lasers de fibra).
Embora os lasers semicondutores forneçam energia 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 de laser.
Lasers de estado sólido bombeados por 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. Os lasers de estado sólido bombeados por diodo (DPSSL) reduzem muito o tamanho e a complexidade dos sistemas de gerenciamento térmico (principalmente resfriadores de recirculação) e obtêm módulos que historicamente combinam lâmpadas de arco para bombear cristais de laser de estado sólido.
Os comprimentos de onda dos lasers semicondutores são selecionados com base na sua sobreposição com as propriedades de absorção espectral do meio de ganho do 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 baseados em 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 estreita largura da linha do emissor com redes 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 mais alta 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 à vida útil mais longa do estado de alta energia do 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 de materiais ablativos 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 com 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 revestimento duplo introduzidas na década de 1990 usam fibras monomodo cercadas por um revestimento multimodo, permitindo que lasers bombeados por semicondutores multimodo de maior potência e baixo custo sejam injetados com eficiência na fibra, criando uma maneira 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 banda estreita em torno de 976 nm. À medida que 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 bombeados por diodo dependem de 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 aumento do brilho dos lasers semicondutores facilita uma conversão de brilho mais eficiente.
Como seria de esperar, o brilho espacial e espectral será necessário para sistemas futuros, o que permitirá bombeamento de baixo defeito quântico com características de absorção estreita em lasers de estado sólido e multiplexação densa de comprimento de onda para aplicações diretas de laser semicondutor. O plano se torna possível.
Mercado e Aplicação
O desenvolvimento de lasers semicondutores de alta potência tornou possíveis 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 semicondutores de alta potência perturbam o funcionamento normal do mercado de maneiras imprevisíveis. Embora seja difícil prever com precisão aplicações futuras, é muito significativo rever a história do desenvolvimento das últimas três décadas e fornecer possibilidades de enquadramento 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 watt de brilho)
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 pela primeira vez o laser semicondutor infravermelho, Nick Holonyak, da General Electrics, 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 constante inovação da tecnologia de laser semicondutor levou ao desenvolvimento de tecnologias de armazenamento óptico, como disco digital versátil (DVD) e disco Blu-ray (BD). Este é o primeiro grande mercado para lasers semicondutores, mas 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: As redes ópticas estão prevalecendo. Na década de 1990, os lasers semicondutores tornaram-se a chave para as redes de comunicação. Lasers semicondutores são usados ​​para transmitir sinais em redes de fibra óptica, mas lasers de bomba monomodo 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 semicondutor de alta potência. Fundada em 1983, a SDL é uma joint venture entre as marcas de laser Spectra-Physics e Xerox do Newport Group. Foi lançado em 1995 com uma capitalização de mercado de aproximadamente US$ 100 milhões. Cinco anos depois, a SDL foi vendida à JDSU por mais de US$ 40 bilhões durante o pico da indústria de telecomunicações, uma das maiores aquisições de tecnologia da história. Pouco depois, a bolha das telecomunicações rebentou e destruiu biliões de dólares de capital, agora 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. À medida que o desempenho e o custo aumentam, esses lasers estão começando a substituir os tradicionais lasers a gás 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 desde processos de fabricação tradicionais, como corte e soldagem, até novas tecnologias de fabricação avançadas, como a fabricação aditiva de peças metálicas impressas em 3D. As aplicações de microfabricação são mais diversas, já que produtos importantes, 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 
Há mais de 50 anos, 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 disruptivas que eram impensáveis ​​em 1965.
Quando Hall demonstrou lasers semicondutores há mais de 50 anos, desencadeou uma revolução tecnológica. Tal como acontece com a Lei de Moore, ninguém pode prever o desenvolvimento de 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 avançar o laser 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 económico, os lasers semicondutores de alta potência também promoverão o nascimento de coisas novas.