Przegląd rozwoju lasera półprzewodnikowego dużej mocy, część pierwsza

Przegląd dużej mocylaser półprzewodnikowyczęść pierwsza rozwoju

W miarę ciągłego poprawiania wydajności i mocy diody laserowe (sterownik diod laserowych) będą w dalszym ciągu zastępować tradycyjne technologie, zmieniając w ten sposób sposób wytwarzania rzeczy i umożliwiając rozwój nowych rzeczy. Zrozumienie znaczących ulepszeń w laserach półprzewodnikowych dużej mocy jest również ograniczone. Konwersję elektronów na lasery za pomocą półprzewodników zademonstrowano po raz pierwszy w 1962 r., a następnie nastąpił szereg uzupełniających postępów, które przyczyniły się do ogromnego postępu w konwersji elektronów na lasery o wysokiej wydajności. Postępy te wsparły ważne zastosowania, od magazynowania optycznego po sieci optyczne w wielu dziedzinach przemysłu.

Przegląd tych postępów i ich skumulowanego postępu podkreśla potencjał jeszcze większego i bardziej wszechobecnego wpływu w wielu obszarach gospodarki. W rzeczywistości, dzięki ciągłemu doskonaleniu laserów półprzewodnikowych dużej mocy, obszar ich zastosowań przyspieszy ekspansję i będzie miał głęboki wpływ na wzrost gospodarczy.

Rysunek 1: Porównanie luminancji i prawa Moore'a dla laserów półprzewodnikowych dużej mocy

Lasery na ciele stałym pompowane diodami ilasery światłowodowe

Postępy w laserach półprzewodnikowych dużej mocy doprowadziły również do rozwoju dalszej technologii laserowej, w której lasery półprzewodnikowe są zwykle używane do wzbudzania (pompowania) domieszkowanych kryształów (lasery półprzewodnikowe pompowane diodami) lub domieszkowanych włókien (lasery światłowodowe).

Chociaż lasery półprzewodnikowe zapewniają wydajną, małą i tanią energię lasera, mają również dwa kluczowe ograniczenia: nie magazynują energii, a ich jasność jest ograniczona. Zasadniczo wiele zastosowań wymaga dwóch przydatnych laserów; Jeden służy do przekształcania energii elektrycznej w emisję lasera, a drugi służy do zwiększania jasności tej emisji.

Lasery na ciele stałym pompowane diodami.
Pod koniec lat 80. XX wieku zastosowanie laserów półprzewodnikowych do pompowania laserów na ciele stałym zaczęło zyskiwać duże zainteresowanie komercyjne. Lasery na ciele stałym pompowane diodami (DPSSL) radykalnie zmniejszają rozmiar i złożoność systemów zarządzania ciepłem (głównie chłodnic cykli) i modułów wzmocnienia, które w przeszłości wykorzystywały lampy łukowe do pompowania kryształów lasera na ciele stałym.

Długość fali lasera półprzewodnikowego dobierana jest na podstawie nakładania się charakterystyk absorpcji widmowej ze środkiem wzmacniającym lasera na ciele stałym, co może znacznie zmniejszyć obciążenie termiczne w porównaniu z szerokopasmowym widmem emisyjnym lampy łukowej. Biorąc pod uwagę popularność laserów domieszkowanych neodymem emitujących długość fali 1064 nm, laser półprzewodnikowy 808 nm stał się najbardziej produktywnym produktem w produkcji laserów półprzewodnikowych od ponad 20 lat.

Poprawa wydajności pompowania diod drugiej generacji była możliwa dzięki zwiększonej jasności wielomodowych laserów półprzewodnikowych i możliwości stabilizacji wąskich szerokości linii emisyjnych za pomocą masowych siatek Bragga (VBGS) w połowie XXI wieku. Słaba i wąska charakterystyka absorpcji widmowej wynosząca około 880 nm wzbudziła duże zainteresowanie stabilnymi widmowo diodami pompującymi o wysokiej jasności. Te lasery o wyższej wydajności umożliwiają pompowanie neodymu bezpośrednio na górny poziom lasera 4F3/2, redukując deficyty kwantowe, a tym samym poprawiając ekstrakcję modów podstawowych przy wyższej średniej mocy, która w przeciwnym razie byłaby ograniczona przez soczewki termiczne.

Na początku drugiej dekady naszego stulecia byliśmy świadkami znacznego wzrostu mocy laserów jednomodowych 1064 nm, a także ich laserów konwersji częstotliwości, pracujących w zakresie fal widzialnych i ultrafioletowych. Biorąc pod uwagę długi czas życia górnej energii Nd: YAG i Nd: YVO4, te operacje z przełączaniem Q DPSSL zapewniają wysoką energię impulsu i moc szczytową, co czyni je idealnymi do ablacyjnego przetwarzania materiałów i zastosowań w precyzyjnej mikroobróbce.