סקירה כללית של פיתוח לייזר מוליכים למחצה בהספק גבוה חלק ראשון

סקירה כללית של הספק גבוהלייזר מוליכים למחצהפיתוח חלק ראשון

ככל שהיעילות והכוח ממשיכים להשתפר, דיודות לייזר(נהג דיודות לייזר) ימשיך להחליף את הטכנולוגיות המסורתיות, ובכך לשנות את אופן הכנת הדברים ולאפשר פיתוח של דברים חדשים. גם ההבנה של השיפורים המשמעותיים בלייזרים מוליכים למחצה בעלי הספק גבוה מוגבלת. ההמרה של אלקטרונים ללייזרים באמצעות מוליכים למחצה הוכחה לראשונה בשנת 1962, ובעקבותיה מגוון רחב של התקדמות משלימה שהניעה התקדמות עצומה בהמרה של אלקטרונים ללייזרים בעלי פרודוקטיביות גבוהה. התקדמות אלו תמכו ביישומים חשובים מאחסון אופטי לרשת אופטית ועד למגוון רחב של תחומים תעשייתיים.

סקירה של ההתקדמות הללו והתקדמותן המצטברת מדגישה את הפוטנציאל להשפעה גדולה ורווחת עוד יותר בתחומים רבים של הכלכלה. למעשה, עם השיפור המתמיד של לייזרים מוליכים למחצה בעלי הספק גבוה, תחום היישום שלו יאיץ את ההתרחבות, ויהיה לו השפעה עמוקה על הצמיחה הכלכלית.

איור 1: השוואה בין הבהירות לחוק מור של לייזרים מוליכים למחצה בהספק גבוה

לייזרים במצב מוצק שאובים דיודה ולייזרים סיבים

ההתקדמות בלייזרים מוליכים למחצה בעלי הספק גבוה הובילה גם לפיתוח טכנולוגיית הלייזר במורד הזרם, שבה לייזרים מוליכים למחצה משמשים בדרך כלל כדי לעורר (לשאוב) גבישים מסוממים (לייזרים מוצקים שנשאבו דיודה) או סיבים מסוממים (לייזרי סיבים).

למרות שלייזרים מוליכים למחצה מספקים אנרגיית לייזר יעילה, קטנה ובעלות נמוכה, יש להם גם שתי מגבלות עיקריות: הם אינם אוגרים אנרגיה והבהירות שלהם מוגבלת. בעיקרון, יישומים רבים דורשים שני לייזרים שימושיים; האחד משמש להמרת חשמל לפליטת לייזר, והשני משמש להגברת הבהירות של הפליטה הזו.

לייזרים במצב מוצק שאובים דיודה.
בסוף שנות ה-80, השימוש בלייזרים מוליכים למחצה לשאיבת לייזרים במצב מוצק החל לקבל עניין מסחרי משמעותי. לייזרים במצב מוצק (DPSSL) שנשאבו דיודה מפחיתים באופן דרמטי את הגודל והמורכבות של מערכות ניהול תרמיות (בעיקר מצננים מחזוריים) ומודולי רווח, אשר השתמשו היסטורית במנורות קשת לשאיבת גבישי לייזר במצב מוצק.

אורך הגל של הלייזר המוליך למחצה נבחר בהתבסס על חפיפה של מאפייני ספיגה ספקטרלית עם מדיום הרווח של הלייזר מוצק, מה שיכול להפחית משמעותית את העומס התרמי בהשוואה לספקטרום הפליטה הרחב של מנורת הקשת. בהתחשב בפופולריות של לייזרים מסוממים בניאודימיום הפולטים אורך גל של 1064 ננומטר, הלייזר המוליך למחצה 808 ננומטר הפך למוצר היצרני ביותר בייצור לייזר מוליכים למחצה במשך יותר מ-20 שנה.

יעילות שאיבת הדיודות המשופרת של הדור השני התאפשרה על ידי הבהירות המוגברת של לייזרים מוליכים למחצה מרובי מצבים והיכולת לייצב קוי פליטה צרים באמצעות רשתות Bragg בתפזורת (VBGS) באמצע שנות ה-2000. מאפייני הספיגה הספקטרליים החלשים והצרים של כ-880 ננומטר עוררו עניין רב בדיודות משאבת בהירות גבוהה יציבות ספקטרלית. לייזרים בעלי ביצועים גבוהים יותר אלו מאפשרים לשאוב ניאודימיום ישירות ברמת הלייזר העליונה של 4F3/2, להפחית גירעונות קוונטיים ובכך לשפר את מיצוי המצב הבסיסי בהספק ממוצע גבוה יותר, שאחרת היה מוגבל על ידי עדשות תרמיות.

בתחילת העשור השני של המאה הזו, היינו עדים לעלייה משמעותית בכוח בלייזרי 1064nm במצב רוחבי יחיד, כמו גם בלייזרים להמרת תדרים שלהם הפועלים באורכי הגל הנראה והאולטרה סגול. בהתחשב בחיי האנרגיה העליונים הארוכים של Nd: YAG ו-Nd: YVO4, פעולות אלה עם מתג DPSSL Q מספקות אנרגיית פולסים גבוהה והספק שיא, מה שהופך אותן לאידיאליות עבור עיבוד חומר אבלטיבי ויישומי מיקרו-עיבוד דיוק גבוה.