高出力半導体レーザーの工業分析
効率と電力が増加し続けるにつれて、レーザーダイオードは伝統的な技術に取って代わるものとなり、モノづくりの方法を変え、新しいものに貢献するでしょう。
伝統的に、エコノミストは技術の進歩は緩やかなプロセスであると信じています。最近では、いくつかの破壊的な革新の役割がより重視されています。 General Technology（GPT）として知られるこれらの革新は、「多くの経済分野に重大な影響を与える可能性を秘めた深い新しいアイデアや技術」を指します。 GPTの明確な例は、蒸気機関、電力および集積回路です。
汎用技術の開発には通常数十年かかり、さらに長い時間で生産性が向上する可能性があります。これらの技術は通常最初はよく理解されていません、そして技術の商業化の後でさえ、生産アプリケーションにはまだ長期の遅れがあります。集積回路は良いケーススタディです。トランジスタは20世紀初頭に最初に示されたが、その広範な商品化は後に現れた。
ムーア氏は1965年のエッセイで、半導体は急速に発展すると予測しており、それが「電子技術の人気を高め、この科学を多くの新しい分野に押し上げる」と予想しています。生産性と経済成長を達成するまでには、何十年も継続的な改善が必要でした。
同様に、高出力半導体レーザにおける著しい改善の理解は限られている。半導体を介した電子のレーザーへの変換は、1962年に最初に実証され、続いて電子の高生産性レーザーへの変換における途方もない進歩を後押しした様々な補完的な進歩が続いた。これらの進歩は、光記憶装置から光ネットワーク、そして広範囲の産業用途への重要な用途をサポートしてきた。
これらの進歩と蓄積された進歩をレビューすることは、経済の多くの分野でさらに大きくより広範囲の影響を与える可能性を強調しています。実際、高出力半導体レーザーの継続的な改善により、その応用分野は加速し拡大し、経済成長に大きな影響を与えるでしょう。
高出力半導体レーザーの歴史
1962年9月16日日曜日の朝、GE研究所のRobert Hallチームは、コヒーレントレーザーを示す「奇妙な」干渉パターンを持つガリウム砒素（GaAs）半導体の赤外発光を示しました。これは最初の半導体レーザーの誕生です。 。 Hallは当初、当時のLEDは非常に非効率的であったため、半導体レーザーは「成功の見込みがほとんどない」と考えていました。 2年前に示されたレーザーは「複雑な鏡」を必要とするので彼はまた懐疑的です。
1962年の夏、HallはMITリンカーン研究所ではるかに効率的なGaAs LEDを発表した論文に「ショックを受けた」と述べた。彼は彼が試験に良質のガリウム砒素材料を持っていて幸運であると考え、そしてアマチュア天文学者としての彼の経験を使ってGaAsチップの端を磨く方法を開発した、とゼネラルエレクトリックに戻った。共振空洞を形成する。
Hallの成功したデモンストレーションは彼のデザインに基づいていて、それはそれに垂直ではなく接合部の平面で前後に反射される放射線を可能にします。実際には、Hallの設計は、導波路を形成する半導体材料が同時にバイポーラキャリアを制限するという特性を持つという偶然の一致です。さもなければ、半導体レーザーは可能ではないでしょう。異種の半導体材料を使用することによって、スラブ導波路は光子とキャリアを重ね合わせるように形成することができる。
ゼネラルエレクトリックによるこれらの予備デモは大きな飛躍的進歩です。しかしながら、これらのレーザは実用的な装置とは程遠いものであり、高出力半導体レーザの可能性を実現するためには、異なる技術の融合が実現されなければならない。重要な技術革新は直接バンドギャップ半導体材料と結晶成長技術の理解の進歩から始まりました。
その後の開発には、ダブルヘテロ接合レーザの発明およびそれに続く量子井戸レーザの開発が含まれた。これらのコア技術をさらに強化するための鍵は、効率の向上と表面不動態化、放熱およびパッケージング技術の開発にあります。
半導体レーザーの輝き
過去数十年にわたるこれらの革新は、驚くべき累積的な改善をもたらしました。 特に、明るさの向上は特に顕著である。 1985年、当時の最先端の高出力半導体レーザーは、コア径105μmのファイバーに100mWのパワーしか結合できなかった。 現在、最先端の高出力半導体レーザは250Wを超えるパワーを発生し、コア径105μmのファイバに結合することができます。これは8年ごとに10倍のパワーアップに相当します。
ムーア氏は、「より多くの電子部品が集積回路基板に収容されるだろう」と推測している。 その後、チップあたりのトランジスタ数は7年ごとに10倍に増えます。 偶然にも、高出力半導体レーザーは、同じ指数関数的な速度でより多くの光子をファイバーに結合しています（図1を参照）。
高出力半導体レーザーの明るさの増加は、予測不可能な技術的進歩の結果です。 この傾向を継続するには新しい技術革新が必要ですが、半導体レーザー技術の革新は終わらないと信じるには理由があります。 エンジニアリングが進化し続けるにつれて、よく知られた物理学は半導体レーザの性能をさらに向上させることができる。
例えば、量子ドット利得媒体は、現在の量子井戸デバイス上で効率を著しく改善すると期待される。 遅い軸の明るさは別のレベルの改善の可能性を提供します。 改善された熱放散および膨張整合を有する新しい包装材料は、継続的な電力増加および熱管理に必要な強化された機能強化を提供するであろう。 これらの重要な開発は、今後数十年間の高出力半導体レーザーの開発のためのロードマップをサポートするでしょう。
ダイオード励起固体レーザーとファイバーレーザー
高出力半導体レーザの進歩はまた、典型的には（励起）ドープ結晶（ダイオード励起固体レーザ）またはドープファイバ（ファイバレーザ）を励起するための半導体レーザとして、下流レーザ技術の開発をもたらした。
半導体レーザーは、効率的で小型で低コストのレーザーエネルギーを提供しますが、2つの重要な制限もあります。エネルギーを蓄えず、明るさが制限されるということです。基本的に、多くの用途は２つのタイプのレーザを必要とし、１つはパワーをレーザ放射に変換するためのものであり、もう１つは放射の輝度を高めるためのものである。
ダイオード励起固体レーザ1980年代後半には、半導体レーザー励起固体レーザーの使用が商業界で大きな関心を集めるようになりました。ダイオード励起ソリッドステートレーザー（DPSSL）は、熱管理システム（主に循環冷却器）とゲインモジュールのサイズと複雑さを大幅に削減しました。
半導体レーザの波長は、ソリッドステートレーザ利得媒体のスペクトル吸収特性との重なりに基づいて選択され、それはアークランプの広帯域発光スペクトルと比較して熱負荷を著しく低減することができる。 １０６４ｎｍ波長を放射するセシウムドープレーザの人気を考慮すると、８０８ｎｍ半導体レーザは、２０年以上の間に半導体レーザの最大出力となってきた。
今世紀の最初の10年間で、マルチモード半導体レーザの高輝度化とバルクブラッググレーティング（VBG）を用いた狭い発光線幅を安定化させる能力により、第2世代の改善されたダイオードポンピング効率が達成される。 ８８０ｎｍ付近のより弱く狭いスペクトル吸収特性は、スペクトル的に安定な高輝度ポンプダイオードに大きな関心を寄せている。これらの高性能レーザは、量子損失を低減することができ、それによって、そうでなければ熱レンズによって制限されるであろう、より高い平均出力で基本モード抽出を改善することができる、上位レーザレベル４Ｆ３ ／ ２を直接ポンピングすることを可能にする。
今世紀の二十年前半に、我々は単一横モード1064 nmレーザーとそれらの可視および紫外帯域で動作する周波数変換レーザーのための重要なパワーアップの傾向を目撃した。 Nd：YAGとNd：YVO4の長い上限エネルギー寿命のため、これらのDPSSL Qスイッチランは高いパルスエネルギーと高いピークパワーを提供し、アブレーション材料加工や高精度マイクロマシニングアプリケーションに最適です。
ファイバレーザファイバレーザは、高出力半導体レーザの輝度を変換するための費用対効果の高い方法を提供します。波長多重光学系は比較的低輝度の半導体レーザをより明るいレーザに変換することができるが、これはスペクトル幅の増大および光機械的複雑性という犠牲を払う。ファイバレーザは、輝度変換において特に効果的であることが証明されている。
たとえば、以下の最高のレーザーを比較します。ここで、975nmの励起パワーのうち5kWが400μmおよび0.46NAファイバ（95mm-mradビーム品質）からのもので、0.55W /（mm-mrad）のポンプ輝度に相当します。 。ポンプ光は、ファイバレーザによって、約４ｋＷの１０６４ｎｍビームに変換され、１１，０９８Ｗ ／（ｍｍ − ｍｒａｄ）の輝度を有する２０μｍおよび０．０６ＮＡのファイバから出力される。ファイバーレーザーは、20,000倍以上、または4桁以上の明るさの向上を実現します。
マルチモードクラッドで囲まれたシングルモードコアを使用して1990年代に導入されたダブルクラッドファイバは、ファイバに高出力、低コストのマルチモード半導体ポンプレーザを効果的に導入することができます。高出力半導体レーザをより明るい光源に変換するためのより経済的な方法。エルビウムドープ（Ｙｂ）ファイバの場合、ポンプは９１５ｎｍを中心とする広い吸収帯、または約９７６ｎｍのより狭い吸収帯を励起する。ポンプ波長がファイバレーザのレーザ発振波長に近づくにつれて、いわゆる量子損失が減少し、それによって効率が最大になり、放散する必要がある廃熱の量が最小になる。
ファイバレーザとダイオード励起固体レーザの両方とも、ダイオードレーザの輝度の増加に依存しています。一般に、ダイオードレーザーの輝度が向上し続けるにつれて、それらがポンピングするレーザーのパワーは増加する。半導体レーザの輝度向上は、より効率的な輝度変換を促進する傾向がある。
予想通り、将来のシステムには空間的およびスペクトル的な明るさが必要になるでしょう。それは固体レーザーにおける狭い吸収特性の低量子損失ポンピング、および直接半導体レーザー応用のための高密度波長多重化スキームを可能にするでしょう。可能です。
市場とアプリケーション
高出力半導体レーザの進歩は、多くの重要な用途を可能にした。 高出力半導体レーザーの1ワット当たりのコストが指数関数的に減少したので、これらのレーザーは古い技術と新しい製品カテゴリーの両方に取って代わりました。
コストと性能が10年間で10倍以上向上するにつれて、高出力半導体レーザーは予測不可能な方法で市場を混乱させる。 将来のアプリケーションを正確に予測することは困難ですが、過去30年間で次の10年を迎える可能性を検討することには多くの意味合いがあります（図2を参照）。
図2：高出力半導体レーザの高輝度化により、アプリケーションの拡大が可能になりました
1980年代：光学式記憶装置と初期のニッチ応用光記憶は半導体レーザの最初の大規模用途である。 Hallが最初に赤外線半導体レーザーを発表した直後に、General ElectricのNick Holonyakは最初の可視赤色半導体レーザーを披露した。次の20年で、コンパクトディスク（CD）が市場に参入し、光記憶装置市場に参入しました。
半導体レーザ技術の絶え間ない革新は、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、次いでブルーレイディスク（ＢＤ）などの光記憶装置の開発をもたらした。これは半導体レーザーの最大の市場ですが、中程度の出力レベルでは通常、サーマルプリンティング、医療用途、および航空宇宙および防衛用途など、比較的狭いニッチ市場に限定されています。
1990年代：光ネットワークは繁栄した。 1990年代、半導体レーザーは通信ネットワークのカギとなりました。半導体レーザは光ファイバネットワークを介して信号を伝送するために使用されるが、光増幅器用の高出力シングルモードポンプレーザは、光ネットワークを経済的に拡大し、インターネット上でのデータ成長を真に支えるために重要である。
高出力半導体レーザーの最初の先駆者の一人であるSpectra Diode Labs（SDL）は、テレコムフォームの浸水の一例です。 1983年に設立されたSDLは、Spectra-PhysicsとXeroxの合弁会社によって設立され、1995年に約1億ドルの時価総額で設立されました。 5年後、SDLは電気通信業界のピーク時に400億ドルを超える金額でJDSUに買収されました。これは史上最大の技術的買収の1つです。その後まもなく、電気通信業界は何兆ドルもの資本を粉砕し破壊しましたが、これが史上最大のバブルかもしれません。
21世紀：道具としてのレーザー電気通信業界は非常に破壊的ですが、高出力半導体レーザーへの大規模な投資は、その幅広い採用の基盤を築いてきました。性能およびコストが増加するにつれて、これらのレーザは、さまざまな処理用途において、従来のガスレーザまたは他のエネルギー変換源にますます取って代わっている。
半導体レーザーは、幅広い用途で一般的に使用されているツールとなっています。その産業上の用途は、切断やはんだ付けなどの従来の製造プロセスから、3Dプリント金属部品の積層造形などの新しい高度な製造技術にまで及びます。スマートフォンのような主要製品がこれらのレーザーの正確な電力伝達を通じて商業的に実行可能になったので、マイクロ製造用途はさらに多様である。航空宇宙および防衛用途は、ミッションクリティカルな用途を幅広くカバーしており、将来的には次世代指向型エネルギーシステムを含む可能性があります。
半導体レーザーの未来
50年以上前に、ムーアは新しい物理の基本法則を提案しませんでしたが、10年以上前に最初に研究された集積回路の開発法則を指摘しました。 彼の予測は何十年も続き、1965年には想像もできなかった一連の破壊的な革新を達成しました。
ホールが50年以上前に半導体レーザーを見せたとき、彼は技術革命を始めました。 ムーアの法則のように、さまざまな革新によってもたらされた高出力半導体レーザーの素晴らしい成果を誰も予測できません。
これらの改善を支配するための物理学には基本的な法則はありませんが、継続的な技術の進歩は栄光の中でこの指数関数的な発展を維持する可能性があります。 半導体レーザーは伝統的な技術に取って代わるものとなり、モノの製造方法をさらに変えるでしょう。 経済成長にとってもっと重要なことは、高出力半導
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体レーザーもまた可能なことを変えるということです。
