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El pasado y el futuro de los láseres semiconductores de alta potencia

2021-04-12
A medida que la eficiencia y la potencia continúen aumentando, los diodos láser continuarán reemplazando las tecnologías tradicionales, cambiarán la forma en que se manejan las cosas y estimularán el nacimiento de cosas nuevas.
Tradicionalmente, los economistas creen que el progreso tecnológico es un proceso gradual. Recientemente, la industria se ha centrado más en la innovación disruptiva que puede provocar discontinuidades. Estas innovaciones, conocidas como tecnologías de propósito general (GPT), son "nuevas ideas o tecnologías profundas que pueden tener un impacto importante en muchos aspectos de la economía". La tecnología general suele tardar varias décadas en desarrollarse, e incluso más tiempo producirá un aumento de la productividad. Al principio, no fueron bien entendidos. Incluso después de que se comercializó la tecnología, hubo un retraso a largo plazo en la adopción de la producción. Los circuitos integrados son un buen ejemplo. Los transistores se introdujeron por primera vez a principios del siglo XX, pero se utilizaron ampliamente hasta altas horas de la noche.
Uno de los fundadores de la Ley de Moore, Gordon Moore, predijo en 1965 que los semiconductores se desarrollarían a un ritmo más rápido, "llevando la popularidad de la electrónica y llevando esta ciencia a muchos campos nuevos". A pesar de sus predicciones audaces e inesperadamente precisas, ha pasado décadas de mejora continua antes de lograr la productividad y el crecimiento económico.
De manera similar, la comprensión del espectacular desarrollo de los láseres semiconductores de alta potencia es limitada. En 1962, la industria demostró por primera vez la conversión de electrones en láseres, seguida de una serie de avances que han dado lugar a mejoras significativas en la conversión de electrones en procesos láser de alto rendimiento. Estas mejoras pueden admitir una variedad de aplicaciones importantes, incluido el almacenamiento óptico, las redes ópticas y una amplia gama de aplicaciones industriales.
Al recordar estos desarrollos y las numerosas mejoras que han sacado a la luz, se ha puesto de relieve la posibilidad de un impacto mayor y más generalizado en muchos aspectos de la economía. De hecho, con la mejora continua de los láseres semiconductores de alta potencia, el alcance de aplicaciones importantes aumentará y tendrá un impacto profundo en el crecimiento económico.
Historia del láser semiconductor de alta potencia
El 16 de septiembre de 1962, un equipo dirigido por Robert Hall de General Electric demostró la emisión infrarroja de semiconductores de arseniuro de galio (GaAs), que tienen patrones de interferencia "extraños", es decir, láser de coherencia: el nacimiento del primer láser semiconductor. Hall inicialmente creyó que el láser semiconductor era una "posibilidad remota" porque los diodos emisores de luz en ese momento eran muy ineficientes. Al mismo tiempo, también se mostró escéptico sobre esto porque el láser que se había confirmado hace dos años y ya existe requiere un "espejo fino".
En el verano de 1962, Halle dijo que estaba sorprendido por los diodos emisores de luz GaAs más eficientes desarrollados por el Laboratorio Lincoln del MIT. Posteriormente, dijo que tuvo la suerte de poder probar con algunos materiales de GaAs de alta calidad y utilizó su experiencia como astrónomo aficionado para desarrollar una forma de pulir los bordes de los chips de GaAs para formar una cavidad.
La exitosa demostración de Hall se basa en el diseño de rebotes de radiación hacia adelante y hacia atrás en la interfaz en lugar del rebote vertical. Dijo modestamente que a nadie "se le ha ocurrido esta idea". De hecho, el diseño de Hall es esencialmente una afortunada coincidencia de que el material semiconductor que forma la guía de ondas también tiene la propiedad de limitar los portadores bipolares al mismo tiempo. De lo contrario, es imposible realizar un láser semiconductor. Mediante el uso de materiales semiconductores diferentes, se puede formar una guía de ondas en placa para superponer fotones con portadores.
Estas demostraciones preliminares en General Electric supusieron un gran avance. Sin embargo, estos láseres están lejos de ser dispositivos prácticos. Para promover el nacimiento de láseres semiconductores de alta potencia, se debe realizar la fusión de diferentes tecnologías. Las innovaciones tecnológicas clave comenzaron con la comprensión de los materiales semiconductores de banda prohibida directa y las técnicas de crecimiento de cristales.
Los desarrollos posteriores incluyeron la invención de láseres de doble heterounión y el posterior desarrollo de láseres de pozo cuántico. La clave para seguir mejorando estas tecnologías centrales radica en la mejora de la eficiencia y el desarrollo de la pasivación de cavidades, la disipación de calor y la tecnología de envasado.
Brillo
La innovación de las últimas décadas ha traído consigo mejoras interesantes. En particular, la mejora del brillo es excelente. En 1985, el láser semiconductor de alta potencia de última generación fue capaz de acoplar 105 milivatios de potencia en una fibra de núcleo de 105 micrones. Los láseres semiconductores de alta potencia más avanzados ahora pueden producir más de 250 vatios de fibra de 105 micrones con una sola longitud de onda, un aumento de 10 veces cada ocho años.

Moore concibió "fijar más componentes al circuito integrado"; entonces, el número de transistores por chip aumentó 10 veces cada 7 años. Casualmente, los láseres semiconductores de alta potencia incorporan más fotones en la fibra a tasas exponenciales similares (consulte la Figura 1).

Figura 1. Brillo de láseres semiconductores de alta potencia y comparación con la ley de Moore
La mejora en el brillo de los láseres semiconductores de alta potencia ha promovido el desarrollo de diversas tecnologías imprevistas. Aunque la continuación de esta tendencia requiere más innovación, hay razones para creer que la innovación de la tecnología láser de semiconductores está lejos de completarse. La física conocida puede mejorar aún más el rendimiento de los láseres semiconductores a través del desarrollo tecnológico continuo.
Por ejemplo, los medios de ganancia de puntos cuánticos pueden aumentar significativamente la eficiencia en comparación con los dispositivos de pozos cuánticos actuales. El brillo del eje lento ofrece un potencial de mejora de otro orden de magnitud. Los nuevos materiales de embalaje con una combinación térmica y de expansión mejorada proporcionarán las mejoras necesarias para un ajuste continuo de la energía y una gestión térmica simplificada. Estos desarrollos clave proporcionarán una hoja de ruta para el desarrollo de láseres semiconductores de alta potencia en las próximas décadas.
Láseres de fibra y de estado sólido bombeados por diodos
Las mejoras en los láseres semiconductores de alta potencia han hecho posible el desarrollo de tecnologías láser posteriores; en las tecnologías láser posteriores, los láseres semiconductores se utilizan para excitar (bombear) cristales dopados (láseres de estado sólido bombeados por diodos) o fibras dopadas (láseres de fibra).
Aunque los láseres semiconductores proporcionan energía láser de alta eficiencia y bajo costo, existen dos limitaciones clave: no almacenan energía y su brillo es limitado. Básicamente, estos dos láseres deben utilizarse para muchas aplicaciones: una para convertir la electricidad en emisión láser y la otra para mejorar el brillo de la emisión láser.
Láseres de estado sólido bombeados por diodos. A fines de la década de 1980, el uso de láseres semiconductores para bombear láseres de estado sólido comenzó a ganar popularidad en aplicaciones comerciales. Los láseres de estado sólido bombeados por diodos (DPSSL) reducen en gran medida el tamaño y la complejidad de los sistemas de gestión térmica (principalmente refrigeradores recirculantes) y obtienen módulos que históricamente han combinado lámparas de arco para bombear cristales láser de estado sólido.
Las longitudes de onda de los láseres semiconductores se seleccionan basándose en su superposición con las propiedades de absorción espectral del medio de ganancia de láser de estado sólido; la carga de calor se reduce considerablemente en comparación con el espectro de emisión de banda ancha de la lámpara de arco. Debido a la popularidad de los láseres basados ​​en germanio de 1064 nm, la longitud de onda de la bomba de 808 nm se ha convertido en la longitud de onda más grande de los láseres semiconductores durante más de 20 años.
Con el aumento en el brillo de los láseres semiconductores multimodo y la capacidad de estabilizar el ancho de la línea del emisor estrecho con rejillas de Bragg de volumen (VBG) a mediados de 2000, se logró la segunda generación de eficiencia mejorada de bombeo de diodos. Las características de absorción más débiles y espectralmente estrechas alrededor de 880 nm se han convertido en puntos calientes para diodos de bombeo de alto brillo. Estos diodos pueden lograr estabilidad espectral. Estos láseres de mayor rendimiento pueden excitar directamente el nivel superior 4F3 / 2 del láser en silicio, reduciendo los defectos cuánticos, mejorando así la extracción de modos fundamentales de promedio más alto que de otro modo estarían limitados por lentes térmicos.
A principios de 2010, hemos sido testigos de la tendencia de escalamiento de alta potencia del láser de 1064 nm de modo cruzado único y la serie relacionada de láseres de conversión de frecuencia que operan en las bandas visible y ultravioleta. Debido a la vida útil más prolongada del estado de alta energía de Nd: YAG y Nd: YVO4, estas operaciones de conmutación DPSSL Q proporcionan alta energía de pulso y potencia máxima, lo que las hace ideales para el procesamiento de materiales ablativos y aplicaciones de micromecanizado de alta precisión.
láser de fibra óptica. Los láseres de fibra proporcionan una forma más eficiente de convertir el brillo de los láseres semiconductores de alta potencia. Aunque la óptica multiplexada en longitud de onda puede convertir un láser semiconductor de luminancia relativamente baja en un láser semiconductor más brillante, esto se produce a expensas de una mayor anchura espectral y complejidad optomecánica. Se ha demostrado que los láseres de fibra son particularmente eficaces en la conversión fotométrica.
Las fibras de doble revestimiento introducidas en la década de 1990 utilizan fibras monomodo rodeadas por un revestimiento multimodo, lo que permite inyectar de manera eficiente láseres bombeados por semiconductores multimodo de mayor potencia y menor costo en la fibra, creando una forma más económica de convertir un láser semiconductor de alta potencia en un láser más brillante. Para las fibras dopadas con iterbio (Yb), la bomba excita una absorción amplia centrada en 915 nm o una característica de banda estrecha alrededor de 976 nm. A medida que la longitud de onda de la bomba se acerca a la longitud de onda láser del láser de fibra, se reducen los llamados defectos cuánticos, maximizando así la eficiencia y minimizando la cantidad de disipación de calor.
Tanto los láseres de fibra como los láseres de estado sólido bombeados por diodos se basan en mejoras en el brillo del láser de diodos. En general, a medida que el brillo de los láseres de diodo continúa mejorando, también aumenta la proporción de potencia láser que bombean. El aumento de brillo de los láseres semiconductores facilita una conversión de brillo más eficiente.
Como era de esperar, el brillo espacial y espectral será necesario para los sistemas futuros, lo que permitirá un bombeo de defectos cuánticos bajos con características de absorción estrechas en láseres de estado sólido y multiplexación de longitud de onda densa para aplicaciones de láseres semiconductores directos. El plan se vuelve posible.
Mercado y aplicación
El desarrollo de láseres semiconductores de alta potencia ha hecho posibles muchas aplicaciones importantes. Estos láseres han reemplazado muchas tecnologías tradicionales y han implementado nuevas categorías de productos.
Con un aumento de 10 veces en costo y rendimiento por década, los láseres semiconductores de alta potencia interrumpen el funcionamiento normal del mercado de formas impredecibles. Si bien es difícil predecir con precisión las aplicaciones futuras, es muy importante revisar la historia de desarrollo de las últimas tres décadas y brindar posibilidades marco para el desarrollo de la próxima década (ver Figura 2).

Figura 2. Aplicación de combustible de brillo de láser semiconductor de alta potencia (costo de estandarización por vatio de brillo)
Década de 1980: almacenamiento óptico y aplicaciones de nicho iniciales. El almacenamiento óptico es la primera aplicación a gran escala en la industria del láser de semiconductores. Poco después de que Hall mostrara por primera vez el láser semiconductor infrarrojo, General Electrics Nick Holonyak también mostró el primer láser semiconductor rojo visible. Veinte años después, se introdujeron en el mercado los discos compactos (CD), seguidos del mercado de almacenamiento óptico.
La constante innovación de la tecnología láser de semiconductores ha llevado al desarrollo de tecnologías de almacenamiento óptico como el disco versátil digital (DVD) y el disco Blu-ray (BD). Este es el primer gran mercado para láseres semiconductores, pero los niveles de potencia generalmente modestos limitan otras aplicaciones a nichos de mercado relativamente pequeños, como impresión térmica, aplicaciones médicas y aplicaciones aeroespaciales y de defensa seleccionadas.
Década de 1990: Predominan las redes ópticas. En la década de 1990, los láseres semiconductores se convirtieron en la clave de las redes de comunicación. Los láseres semiconductores se utilizan para transmitir señales a través de redes de fibra óptica, pero los láseres de bombeo monomodo de mayor potencia para amplificadores ópticos son fundamentales para lograr la escala de las redes ópticas y respaldar verdaderamente el crecimiento de los datos de Internet.
El auge de la industria de las telecomunicaciones que trajo consigo es de gran alcance, tomando como ejemplo a Spectra Diode Labs (SDL), uno de los primeros pioneros en la industria del láser de semiconductores de alta potencia. Fundada en 1983, SDL es una empresa conjunta entre las marcas de láser de Newport Group, Spectra-Physics y Xerox. Fue lanzado en 1995 con una capitalización de mercado de aproximadamente $ 100 millones. Cinco años después, SDL se vendió a JDSU por más de $ 40 mil millones durante el pico de la industria de las telecomunicaciones, una de las adquisiciones de tecnología más grandes de la historia. Poco después, la burbuja de las telecomunicaciones estalló y destruyó billones de dólares de capital, ahora considerada la burbuja más grande de la historia.
Década de 2000: Los láseres se convirtieron en una herramienta. Aunque el estallido de la burbuja del mercado de las telecomunicaciones es extremadamente destructivo, la enorme inversión en láseres semiconductores de alta potencia ha sentado las bases para una adopción más amplia. A medida que aumentan el rendimiento y los costos, estos láseres están comenzando a reemplazar los láseres de gas tradicionales u otras fuentes de conversión de energía en una variedad de procesos.
Los láseres semiconductores se han convertido en una herramienta muy utilizada. Las aplicaciones industriales van desde los procesos de fabricación tradicionales, como el corte y la soldadura, hasta las nuevas tecnologías de fabricación avanzadas, como la fabricación aditiva de piezas metálicas impresas en 3D. Las aplicaciones de microfabricación son más diversas, ya que productos clave como los teléfonos inteligentes se han comercializado con estos láseres. Las aplicaciones aeroespaciales y de defensa involucran una amplia gama de aplicaciones de misión crítica y probablemente incluirán sistemas de energía direccional de próxima generación en el futuro.
para resumir
Hace más de 50 años, Moore no propuso una nueva ley básica de la física, pero hizo grandes mejoras en los circuitos integrados que se estudiaron por primera vez hace diez años. Su profecía duró décadas y trajo consigo una serie de innovaciones disruptivas que eran impensables en 1965.
Cuando Hall hizo una demostración de láseres semiconductores hace más de 50 años, desencadenó una revolución tecnológica. Al igual que con la Ley de Moore, nadie puede predecir el desarrollo de alta velocidad que experimentarán posteriormente los láseres semiconductores de alta intensidad logrados mediante una gran cantidad de innovaciones.
No existe una regla fundamental en física para controlar estas mejoras tecnológicas, pero el avance tecnológico continuo puede hacer avanzar el láser en términos de brillo. Esta tendencia continuará reemplazando a las tecnologías tradicionales, cambiando así aún más la forma en que se desarrollan las cosas. Más importante para el crecimiento económico, los láseres semiconductores de alta potencia también promoverán el nacimiento de cosas nuevas.