مروری بر توسعه لیزر نیمه‌هادی پرتوان - بخش اول

نمای کلی از توان بالالیزر نیمه هادیتوسعه بخش اول

با بهبود مستمر راندمان و توان، دیودهای لیزری (درایور دیودهای لیزری) همچنان جایگزین فناوری‌های سنتی خواهد شد و در نتیجه، نحوه ساخت اشیا را تغییر داده و امکان توسعه چیزهای جدید را فراهم می‌کند. درک پیشرفت‌های قابل توجه در لیزرهای نیمه‌هادی پرقدرت نیز محدود است. تبدیل الکترون‌ها به لیزر از طریق نیمه‌هادی‌ها برای اولین بار در سال ۱۹۶۲ نشان داده شد و طیف گسترده‌ای از پیشرفت‌های مکمل به دنبال آن رخ داده است که پیشرفت‌های عظیمی را در تبدیل الکترون‌ها به لیزرهای با بهره‌وری بالا ایجاد کرده است. این پیشرفت‌ها از کاربردهای مهمی از ذخیره‌سازی نوری گرفته تا شبکه‌های نوری و طیف گسترده‌ای از زمینه‌های صنعتی پشتیبانی کرده‌اند.

بررسی این پیشرفت‌ها و پیشرفت تجمعی آنها، پتانسیل تأثیر بیشتر و فراگیرتر را در بسیاری از حوزه‌های اقتصاد برجسته می‌کند. در واقع، با بهبود مستمر لیزرهای نیمه‌هادی پرقدرت، حوزه کاربرد آن گسترش را تسریع خواهد کرد و تأثیر عمیقی بر رشد اقتصادی خواهد داشت.

شکل ۱: مقایسه درخشندگی و قانون مور در لیزرهای نیمه‌هادی پرتوان

لیزرهای حالت جامد با پمپ دیودی ولیزرهای فیبری

پیشرفت‌ها در لیزرهای نیمه‌هادی پرتوان همچنین منجر به توسعه فناوری لیزر پایین‌دستی شده است، که در آن لیزرهای نیمه‌هادی معمولاً برای تحریک (پمپ) کریستال‌های آلاییده (لیزرهای حالت جامد پمپ‌شده با دیود) یا فیبرهای آلاییده (لیزرهای فیبری) استفاده می‌شوند.

اگرچه لیزرهای نیمه‌هادی انرژی لیزری کارآمد، کوچک و کم‌هزینه‌ای را فراهم می‌کنند، اما دو محدودیت کلیدی نیز دارند: انرژی را ذخیره نمی‌کنند و روشنایی آنها محدود است. اساساً، بسیاری از کاربردها به دو لیزر مفید نیاز دارند؛ یکی برای تبدیل الکتریسیته به تابش لیزر و دیگری برای افزایش روشنایی آن تابش استفاده می‌شود.

لیزرهای حالت جامد با پمپ دیودی
در اواخر دهه ۱۹۸۰، استفاده از لیزرهای نیمه‌هادی برای پمپاژ لیزرهای حالت جامد، توجه تجاری قابل توجهی را به خود جلب کرد. لیزرهای حالت جامد با پمپ دیودی (DPSSL) به طور چشمگیری اندازه و پیچیدگی سیستم‌های مدیریت حرارتی (عمدتاً خنک‌کننده‌های چرخه‌ای) و ماژول‌های بهره را کاهش می‌دهند، که از لحاظ تاریخی از لامپ‌های قوسی برای پمپاژ کریستال‌های لیزر حالت جامد استفاده می‌کردند.

طول موج لیزر نیمه‌رسانا بر اساس همپوشانی ویژگی‌های جذب طیفی با محیط بهره لیزر حالت جامد انتخاب می‌شود که می‌تواند بار حرارتی را در مقایسه با طیف انتشار پهن باند لامپ قوسی به طور قابل توجهی کاهش دهد. با توجه به محبوبیت لیزرهای آلاییده شده با نئودیمیوم که طول موج 1064 نانومتر ساطع می‌کنند، لیزر نیمه‌رسانای 808 نانومتری بیش از 20 سال است که به پربازده‌ترین محصول در تولید لیزر نیمه‌رسانا تبدیل شده است.

راندمان بهبود یافته پمپاژ دیودی نسل دوم با افزایش روشنایی لیزرهای نیمه‌هادی چند مدی و توانایی تثبیت پهنای خطوط انتشار باریک با استفاده از توری‌های براگ حجمی (VBGS) در اواسط دهه 2000 امکان‌پذیر شد. ویژگی‌های جذب طیفی ضعیف و باریک حدود 880 نانومتر، علاقه زیادی به دیودهای پمپ با روشنایی بالا و پایدار از نظر طیفی ایجاد کرده است. این لیزرهای با کارایی بالاتر، پمپاژ مستقیم نئودیمیم را در سطح لیزر بالای 4F3/2 امکان‌پذیر می‌کنند و کسری‌های کوانتومی را کاهش می‌دهند و در نتیجه استخراج مد اساسی را در توان متوسط ​​بالاتر بهبود می‌بخشند، که در غیر این صورت توسط لنزهای حرارتی محدود می‌شد.

در اوایل دهه دوم این قرن، شاهد افزایش قابل توجه توان در لیزرهای تک‌مدی عرضی 1064 نانومتر و همچنین لیزرهای تبدیل فرکانس آنها که در طول موج‌های مرئی و فرابنفش کار می‌کنند، بودیم. با توجه به طول عمر بالای انرژی Nd: YAG و Nd: YVO4، این عملیات Q-switched DPSSL انرژی پالس و توان پیک بالایی را فراهم می‌کنند که آنها را برای پردازش مواد سایشی و کاربردهای میکروماشین‌کاری با دقت بالا ایده‌آل می‌کند.