Ülevaade suure võimsusega pooljuhtlaserite arendamisest, esimene osa

Ülevaade suurest võimsusestpooljuhtlaserarenduse esimene osa

Kuna efektiivsus ja võimsus paranevad pidevalt, siis laserdioodid (laserdioodide draiver) asendab jätkuvalt traditsioonilisi tehnoloogiaid, muutes seeläbi asjade valmistamisviisi ja võimaldades uute asjade väljatöötamist. Ka suure võimsusega pooljuhtlaserite oluliste edusammude mõistmine on piiratud. Elektronide muundamist laseriteks pooljuhtide abil demonstreeriti esmakordselt 1962. aastal ja sellele on järgnenud lai valik täiendavaid edusamme, mis on viinud tohutute edusammudeni elektronide muundamisel suure tootlikkusega laseriteks. Need edusammud on toetanud olulisi rakendusi optilisest salvestusest optiliste võrkude ja paljude tööstusvaldkondadeni.

Nende edusammude ja nende kumulatiivse edenemise ülevaade toob esile potentsiaali veelgi suuremaks ja laialdasemaks mõjuks paljudes majandusvaldkondades. Tegelikult kiirendab suure võimsusega pooljuhtlaserite pideva täiustamisega nende rakendusala laienemist ja avaldab sügavat mõju majanduskasvule.

Joonis 1: Suure võimsusega pooljuhtlaserite heleduse ja Moore'i seaduse võrdlus

Dioodpumbaga tahkislaserid jakiudlaserid

Suure võimsusega pooljuhtlaserite edusammud on viinud ka allavoolu lasertehnoloogia arendamiseni, kus pooljuhtlasereid kasutatakse tavaliselt legeeritud kristallide (dioodpumbaga tahkislaserid) või legeeritud kiudude (kiudlaserid) ergastamiseks (pumpamiseks).

Kuigi pooljuhtlaserid pakuvad tõhusat, väikest ja odavat laserenergiat, on neil ka kaks peamist piirangut: nad ei salvesta energiat ja nende heledus on piiratud. Põhimõtteliselt vajavad paljud rakendused kahte kasulikku laserit; ühte kasutatakse elektrienergia muundamiseks laserkiirguseks ja teist selle kiirguse heleduse suurendamiseks.

Dioodpumbaga tahkislaserid.
1980. aastate lõpus hakkas pooljuhtlaserite kasutamine tahkislaserite pumpamiseks pälvima märkimisväärset ärihuvi. Dioodpumbaga tahkislaserid (DPSSL) vähendavad oluliselt termilise juhtimissüsteemi (peamiselt tsüklijahutite) ja võimendusmoodulite suurust ja keerukust, mis ajalooliselt on tahkislaserite kristallide pumpamiseks kasutanud kaarlampe.

Pooljuhtlaseri lainepikkus valitakse tahkislaseri võimenduskeskkonnaga spektraalsete neeldumisomaduste kattuvuse põhjal, mis võimaldab oluliselt vähendada termilist koormust võrreldes kaarlambi lairiba emissioonispektriga. Arvestades neodüümiga legeeritud laserite populaarsust, mis kiirgavad 1064 nm lainepikkust, on 808 nm pooljuhtlaserist saanud enam kui 20 aasta jooksul pooljuhtlaserite tootmise kõige produktiivsem toode.

Teise põlvkonna dioodide pumpamise efektiivsuse paranemine sai teoks tänu mitmemoodiliste pooljuhtlaserite suurenenud heledusele ja võimalusele stabiliseerida kitsaid emissioonijoone laiusi, kasutades 2000. aastate keskel Braggi võresid (VBGS). Nõrgad ja kitsad spektraalsed neeldumisomadused umbes 880 nm juures on tekitanud suurt huvi spektraalselt stabiilsete suure heledusega pumpdioodide vastu. Need suurema jõudlusega laserid võimaldavad neodüümi pumbata otse ülemisel laseri tasemel 4F3/2, vähendades kvantdefitsiiti ja parandades seeläbi põhimoodi ekstraheerimist suurema keskmise võimsuse juures, mida muidu piiraksid termoläätsed.

Selle sajandi teise kümnendi alguseks olime tunnistajaks märkimisväärsele võimsuse kasvule nii ühe transversaalmoodiga 1064 nm laserites kui ka nende sagedusmuundamise laserites, mis töötasid nähtava ja ultraviolettkiirguse lainepikkustel. Arvestades Nd:YAG ja Nd:YVO4 pikka ülemist energiaeluiga, pakuvad need DPSSL Q-lülitusega operatsioonid suurt impulssenergiat ja tippvõimsust, muutes need ideaalseks ablatiivseks materjalitöötluseks ja ülitäpseks mikrotöötlemiseks.