סקירה כללית של פיתוח לייזר מוליך למחצה בעל הספק גבוה חלק ראשון

סקירה כללית של הספק גבוהלייזר מוליך למחצהחלק ראשון של הפיתוח

ככל שהיעילות וההספק ממשיכים להשתפר, דיודות לייזר (דיודות לייזר נהג) ימשיכו להחליף טכנולוגיות מסורתיות, ובכך ישנו את אופן ייצורם ויאפשרו פיתוח של דברים חדשים. ההבנה של השיפורים המשמעותיים בלייזרי מוליכים למחצה בעלי הספק גבוה מוגבלת גם כן. המרת אלקטרונים ללייזרים באמצעות מוליכים למחצה הודגמה לראשונה בשנת 1962, ולאחר מכן התרחשו מגוון רחב של התקדמויות משלימות שהניעו התקדמות עצומה בהמרת אלקטרונים ללייזרים בעלי פרודוקטיביות גבוהה. התקדמויות אלו תמכו ביישומים חשובים, החל מאחסון אופטי ועד רשתות אופטיות ומגוון רחב של תחומים תעשייתיים.

סקירה של התקדמויות אלו והתקדמותן המצטברת מדגישה את הפוטנציאל להשפעה גדולה ונרחבת אף יותר בתחומים רבים בכלכלה. למעשה, עם השיפור המתמיד של לייזרים מוליכים למחצה בעלי הספק גבוה, תחום היישום שלהם יאיץ את ההתרחבות, ותהיה לו השפעה עמוקה על הצמיחה הכלכלית.

איור 1: השוואה בין בהירות וחוק מור של לייזרים מוליכים למחצה בעלי הספק גבוה

לייזרים במצב מוצק המופעלים על ידי דיודה ולייזרי סיבים

ההתקדמות בלייזרי מוליכים למחצה בעלי הספק גבוה הובילה גם לפיתוח טכנולוגיית לייזר במורד הזרם, שבה לייזרי מוליכים למחצה משמשים בדרך כלל לעירור (שאיבה) של גבישים מסוממים (לייזרי מצב מוצק המונעים על ידי דיודה) או סיבים מסוממים (לייזרי סיבים).

למרות שליזרי מוליכים למחצה מספקים אנרגיית לייזר יעילה, קטנה ובעלת עלות נמוכה, יש להם גם שתי מגבלות עיקריות: הם אינם אוגרים אנרגיה ובהירותם מוגבלת. בעיקרון, יישומים רבים דורשים שני לייזרים שימושיים; אחד משמש להמרת חשמל לפליטת לייזר, והשני משמש לשיפור בהירות הפליטה.

לייזרים במצב מוצק המופעלים על ידי דיודה.
בסוף שנות ה-80, השימוש בלייזרי מוליכים למחצה לשאיבת לייזרים במצב מוצק החל לצבור עניין מסחרי משמעותי. לייזרים במצב מוצק המופעלים על ידי דיודה (DPSSL) מפחיתים באופן דרמטי את הגודל והמורכבות של מערכות ניהול תרמי (בעיקר מקררי מחזור) ומודולי הגבר, אשר באופן היסטורי השתמשו במנורות קשת לשאיבת גבישי לייזר במצב מוצק.

אורך הגל של לייזר המוליך למחצה נבחר על סמך החפיפה של מאפייני הקליטה הספקטרלית עם תווך ההגבר של לייזר המצב המוצק, מה שיכול להפחית משמעותית את העומס התרמי בהשוואה לספקטרום הפליטה רחב הפס של מנורת הקשת. בהתחשב בפופולריות של לייזרים מסוממים בניאודימיום הפולטים אורך גל של 1064 ננומטר, לייזר המוליך למחצה 808 ננומטר הפך למוצר הפרודוקטיבי ביותר בייצור לייזר מוליך למחצה במשך יותר מ-20 שנה.

יעילות שאיבת הדיודות המשופרת של הדור השני התאפשרה הודות לעלייה בבהירותם של לייזרים רב-אופניים למחצה והיכולת לייצב רוחבי קווי פליטה צרים באמצעות סרגי בראג בתפזורת (VBGS) באמצע שנות ה-2000. מאפייני הקליטה הספקטרלית החלשים והצרים של כ-880 ננומטר עוררו עניין רב בדיודות שאיבה בעלות בהירות גבוהה ויציבות ספקטרלית. לייזרים בעלי ביצועים גבוהים יותר אלה מאפשרים לשאוב ניאודימיום ישירות ברמת הלייזר העליונה של 4F3/2, ובכך להפחית גירעונות קוונטיים ובכך לשפר את מיצוי המודים הבסיסיים בהספק ממוצע גבוה יותר, אשר אחרת היה מוגבל על ידי עדשות תרמיות.

בתחילת העשור השני של המאה הנוכחית, היינו עדים לעלייה משמעותית בהספק בלייזרים בעלי מצב רוחבי יחיד (single-transverse mode) של 1064nm, כמו גם בלייזרים שלהם להמרת תדרים הפועלים באורכי גל גלויים ואולטרה סגולים. בהתחשב באורך החיים הארוך של האנרגיה העליונה של Nd:YAG ו-Nd:YVO4, פעולות אלו של DPSSL Q-switched מספקות אנרגיית פולס גבוהה והספק שיא, מה שהופך אותן לאידיאליות לעיבוד חומרים אבלטיבי ויישומי מיקרו-מכאניזציה בדיוק גבוה.