Léasair leathsheoltóra ardchumhachta san am atá caite agus sa todhchaí

De réir mar a leanann an éifeachtúlacht agus an chumhacht ag méadú, leanfaidh dé-óid léasair ag athsholáthar teicneolaíochtaí traidisiúnta, ag athrú an chaoi a láimhseáiltear rudaí, agus ag spreagadh breith rudaí nua.
Go traidisiúnta, creideann eacnamaithe gur próiseas céimiúil é dul chun cinn teicneolaíochta. Le déanaí, dhírigh an tionscal níos mó ar nuálaíocht shuaiteach a d'fhéadfadh neamhleanúnachas a chruthú. Is iad na nuálaíochtaí seo, ar a dtugtar teicneolaíochtaí cuspóir ginearálta (GPTanna), "smaointe nó teicneolaíochtaí nua domhain a bhféadfadh tionchar mór a bheith acu ar go leor gnéithe den gheilleagar." De ghnáth tógann sé blianta fada le forbairt a dhéanamh ar theicneolaíocht ghinearálta, agus níos faide fós beidh méadú ar tháirgiúlacht. Ar dtús, níor tuigeadh go maith iad. Fiú amháin tar éis an teicneolaíocht a thráchtálú, bhí aga moille fadtéarmach ann maidir le glacadh le táirgeadh. Is sampla maith iad ciorcaid chomhtháite. Tugadh isteach trasraitheoirí den chéad uair go luath sa 20ú haois, ach bhí siad in úsáid go forleathan go dtí go déanach sa tráthnóna.
Thuar duine de bhunaitheoirí Dlí Moore, Gordon Moore, i 1965 go bhforbróidh leathsheoltóirí ag ráta níos tapúla, "ag tabhairt tóir na leictreonaice agus ag brú na heolaíochta seo i go leor réimsí nua." In ainneoin a thuar dána agus gan choinne cruinn, tá feabhas leanúnach tagtha air le blianta fada sular bhain sé táirgiúlacht agus fás eacnamaíoch amach.
Ar an gcaoi chéanna, tá an tuiscint ar fhorbairt drámatúil léasair leathsheoltóra ardchumhachta teoranta. I 1962, léirigh an tionscal ar dtús tiontú leictreon ina léasair, agus ina dhiaidh sin tháinig roinnt dul chun cinn a d'eascair feabhsuithe suntasacha ar thiontú leictreon i bpróisis léasair ard-táirgeachta. Is féidir leis na feabhsuithe seo tacú le raon feidhmeanna tábhachtacha, lena n-áirítear stóráil optúil, líonrú optúil, agus raon leathan feidhmeanna tionsclaíochta.
Ag meabhrú dóibh na forbairtí seo agus na feabhsuithe iomadúla atá tugtha chun solais acu, cuireadh béim ar an bhféidearthacht go mbeidh tionchar níos mó agus níos forleithne ar go leor gnéithe den gheilleagar. Go deimhin, le feabhas leanúnach ar léasair leathsheoltóra ardchumhachta, méadóidh raon feidhme na n-iarratas tábhachtach agus beidh tionchar mór acu ar fhás eacnamaíoch.
Stair léasair leathsheoltóra ardchumhachta
Ar 16 Meán Fómhair, 1962, léirigh foireann faoi stiúir Robert Hall de chuid General Electric an t-astú infridhearg de leathsheoltóirí Gailliam Arsenide (GaAs), a bhfuil patrúin trasnaíochta "aisteach" acu, rud a chiallaíonn comhleanúnachas Laser - breith an chéad léasair leathsheoltóra. Chreid Hall ar dtús gur "lámhaigh fhada" a bhí sa léasair leathsheoltóra toisc go raibh na dé-óidí astaithe solais ag an am an-neamhéifeachtach. Ag an am céanna, bhí sé amhrasach faoi seo freisin toisc go dteastaíonn "scáthán fíneáil" ar an léasair a deimhníodh dhá bhliain ó shin agus atá ann cheana féin.
I samhradh na bliana 1962, dúirt Halle go raibh ionadh air ag na dé-óidí astaithe solais GaAs níos éifeachtaí a d'fhorbair Saotharlann MIT Lincoln. Ina dhiaidh sin, dúirt sé go raibh an t-ádh air a bheith in ann roinnt ábhar GaAs ardchaighdeáin a thástáil agus d’úsáid sé a thaithí mar réalteolaí amaitéarach chun bealach a fhorbairt le snas a chur ar imill sceallóga GaAs chun cuas a chruthú.
Tá léiriú rathúil Hall bunaithe ar dhearadh preabanna radaíochta anonn is anall ag an gcomhéadan seachas preab ingearach. Dúirt sé go measartha "nár tharla aon duine teacht suas leis an smaoineamh seo." Go deimhin, is comhtharlú ádh é dearadh Hall go bunúsach go bhfuil an mhaoin ag an ábhar leathsheoltóra atá mar threoir tonn teorannú a dhéanamh ar iompróirí dépholach ag an am céanna. Seachas sin, tá sé dodhéanta léasair leathsheoltóra a bhaint amach. Trí úsáid a bhaint as ábhair leathsheoltóra neamhionanna, is féidir treo-thonn leac a fhoirmiú chun fótóin a fhorluí le hiompróirí.
Ba mhór an dul chun cinn iad na réamhléirithe seo ag General Electric. Mar sin féin, tá na léasair seo i bhfad ó fheistí praiticiúla. D'fhonn breith léasair leathsheoltóra ard-chumhachta a chur chun cinn, ní mór comhleá teicneolaíochtaí éagsúla a bhaint amach. Thosaigh príomh-nuálaíochtaí teicneolaíochta le tuiscint ar ábhair leathsheoltóra bandgap díreach agus teicnící fáis criostail.
I measc na bhforbairtí níos déanaí bhí aireagáin léasair heitreajunction dúbailte agus forbairt léasair tobair chandamach ina dhiaidh sin. Is í an eochair chun na croítheicneolaíochtaí seo a fheabhsú tuilleadh ná feabhas a chur ar éifeachtúlacht agus forbairt na teicneolaíochta pasivation cuas, diomailt teasa, agus pacáistiú.
Gile
Tá feabhsuithe spreagúla cruthaithe ag nuálaíocht le scór bliain anuas. Go háirithe, tá an feabhsú gile den scoth. I 1985, bhí an léasair leathsheoltóra ardchumhachta úrscothach in ann 105 milliwatts cumhachta a chúpláil i snáithín croí 105 miocrón. Is féidir leis na léasair leathsheoltóra ardchumhachta is airde chun cinn anois níos mó ná 250 vata de shnáithín 105-micron a tháirgeadh le tonnfhad amháin - méadú 10-huaire gach ocht mbliana.

Ceapadh Moore ar "níos mó comhpháirteanna a shocrú ar an gciorcad iomlánaithe" - ansin, tháinig méadú 10 n-uaire ar líon na dtrasraitheoirí in aghaidh an tslis gach 7 mbliana. Go teagmhasach, ionchorpraíonn léasair leathsheoltóra ardchumhachta níos mó fótón isteach sa snáithín ag rátaí easpónantúla comhchosúla (féach Fíor 1).

Fíor 1. Gile na léasair leathsheoltóra ard-chumhachta agus comparáid le dlí Moore
Chuir feabhas ar ghile léasair leathsheoltóra ardchumhachta forbairt teicneolaíochtaí éagsúla gan choinne chun cinn. Cé go dteastaíonn níos mó nuálaíochta le leanúint leis an treocht seo, tá cúis ann a chreidiúint go bhfuil nuálaíocht teicneolaíochta léasair leathsheoltóra i bhfad ó bheith críochnaithe. Is féidir leis an bhfisic aitheanta feabhas breise a chur ar fheidhmíocht léasair leathsheoltóra trí fhorbairt leanúnach teicneolaíochta.
Mar shampla, is féidir le meáin ghnóthachan ponc chandamach éifeachtúlacht a mhéadú go suntasach i gcomparáid le feistí tobair chandamach reatha. Cuireann gile ais mhall acmhainneacht feabhsaithe méide eile ar fáil. Soláthróidh ábhair phacáistithe nua le meaitseáil feabhsaithe teirmeach agus leathnaithe na feabhsuithe is gá le haghaidh coigeartú cumhachta leanúnach agus bainistíocht teirmeach simplithe. Soláthróidh na príomhfhorbairtí seo treochlár d’fhorbairt léasair leathsheoltóra ardchumhachta sna blianta amach romhainn.
Léasair soladstaide agus snáithíní dé-óide
Mar gheall ar fheabhsuithe ar léasair leathsheoltóra ardchumhachta is féidir forbairt teicneolaíochtaí léasair iartheachtacha; sna teicneolaíochtaí léasair iartheachtacha, úsáidtear léasair leathsheoltóra chun criostail dópáilte (caidéil) (léasair soladstaide dé-phumpáilte) nó snáithíní dópáilte (léasair snáithíní) a ghríosadh.
Cé go soláthraíonn léasair leathsheoltóra fuinneamh léasair ard-éifeachtúlachta, ar chostas íseal, tá dhá phríomhtheorainn ann: ní stórálann siad fuinneamh agus tá a gile teoranta. Go bunúsach is gá an dá léasair seo a úsáid le haghaidh go leor feidhmchlár: ceann amháin chun leictreachas a thiontú ina astaíochtaí léasair agus an ceann eile chun gile an astaithe léasair a fheabhsú.
Léasair soladstaide pumpáilte le dé-óid. Go déanach sna 1980í, thosaigh úsáid léasair leathsheoltóra chun léasair soladach-stáit a chaidéil ag éirí níos coitianta in iarratais tráchtála. Léasair soladstaide pumpáilte dé-óid (DPSSL) a laghdú go mór ar an méid agus castacht na gcóras bainistíochta teirmeach (go príomha fuaraitheoirí athfhillteach) agus a fháil modúil a bhfuil go stairiúil lampaí stua comhcheangailte go stairiúil le caidéalú criostail léasair soladach-stáit.
Roghnaítear tonnfhaid na léasair leathsheoltóra bunaithe ar a bhforluí le hairíonna ionsú speictreach an mheáin ghnóthachan léasair soladach-stáit; laghdaítear an t-ualach teasa go mór i gcomparáid le speictream astaíochta leathanbhanda an lampa stua. Mar gheall ar an tóir a bhí ar léasair 1064 nm gearmáiniam-bhunaithe, tá an tonnfhad caidéil 808 nm tar éis éirí mar an tonnfhad is mó i léasair leathsheoltóra ar feadh níos mó ná 20 bliain.
Leis an méadú ar ghile na léasair leathsheoltóra ilmhód agus an cumas an leithead líne astaithe caol a chobhsú le rátáil toirte Bragg (VBGanna) i lár na bliana 2000, baineadh amach an dara glúin d'éifeachtúlacht caidéalaithe dé-óid feabhsaithe. Tá na gnéithe ionsú níos laige agus caol speictreach timpeall 880 nm tar éis éirí ina spotaí te le haghaidh dé-óid caidéil ard-ghile. Is féidir leis na dé-óid seo cobhsaíocht speictreach a bhaint amach. Is féidir leis na léasair ardfheidhmíochta seo leibhéal uachtarach an léasair 4F3/2 i sileacain a ghríosadh go díreach, ag laghdú lochtanna candamacha, agus ar an gcaoi sin feabhas a chur ar eastóscadh modhanna bunúsacha meán-ard a bheadh ​​teoranta ag lionsaí teirmeacha murach sin.
Faoi thús na bliana 2010, tá treocht scálaithe ardchumhachta feicthe againn ar an léasair aon-mhód 1064nm agus ar shraith ghaolmhar léasair comhshó minicíochta atá ag feidhmiú sna bannaí infheicthe agus ultraivialait. Mar gheall ar shaolréanna stáit ardfhuinnimh níos faide Nd:YAG agus Nd:YVO4, soláthraíonn na hoibríochtaí lasctha DPSSL Q seo fuinneamh cuisle ard agus buaicchumhacht, rud a fhágann go bhfuil siad iontach do phróiseáil ábhar ablative agus feidhmchláir micrea-mheaisínithe ardchruinneas.
léasair snáthoptaice. Soláthraíonn léasair snáithíní bealach níos éifeachtaí chun gile léasair leathsheoltóra ardchumhachta a thiontú. Cé gur féidir le snáthoptaice tonnfhad-ilphléacsaithe léasair leathsheoltóra sách íseal-luminance a thiontú ina léasair leathsheoltóra níos gile, tá sé seo ar chostas leithead speictreach méadaithe agus castacht optomeicniúil. Tá sé léirithe go bhfuil léasair snáithíní éifeachtach go háirithe maidir le comhshó fótaiméadrach.
Úsáideann na snáithíní clúdaithe dúbailte a tugadh isteach sna 1990idí snáithíní aon-mhód timpeallaithe ag cumhdach ilmhód, rud a chuireann ar chumas léasair leathsheoltóra-phumpáilte ilmhód ard-chumhachta, ar chostas níos ísle a instealladh go héifeachtach isteach sa snáithín, rud a chruthaíonn bealach níos eacnamaí a thiontú a. léasair leathsheoltóra ardchumhachta isteach i léasair níos gile. Maidir le snáithíní dópáilte ytterbium (Yb), spreagann an caidéal ionsú leathan dírithe ar 915 nm nó gné banna caol timpeall 976 nm. De réir mar a bhíonn tonnfhad an chaidéil ag druidim le tonnfhad léasair an léasair snáithín, laghdaítear lochtanna candamacha mar a thugtar orthu, rud a fhágann go n-uasmhéadaítear éifeachtúlacht agus laghdaítear an méid diomailt teasa.
Braitheann léasair snáithíní agus léasair dé-óid-phumpáilte ar staid sholadaigh ar fheabhsuithe i gile léasair dé-óid. Go ginearálta, de réir mar a leanann gile na léasair dé-óid ag feabhsú, tá an cion de chumhacht léasair a chaidéil siad ag méadú freisin. Éascaíonn gile méadaithe na léasair leathsheoltóra comhshó gile níos éifeachtaí.
Mar a bheimis ag súil leis, beidh gá le gile spásúlachta agus speictreach do chórais amach anseo, rud a chuirfidh ar chumas caidéalaithe lochta íseal chandamach le tréithe cúnga ionsúcháin i léasair soladach-stáit agus ilphléacsáil thonnfhad dlúth le haghaidh feidhmchláir léasair leathsheoltóra díreach. Éiríonn an plean indéanta.
Margadh agus Feidhmchlár
Le forbairt léasair leathsheoltóra ardchumhachta tá go leor iarratais thábhachtacha indéanta. Tá na léasair seo tar éis go leor teicneolaíochtaí traidisiúnta a athsholáthar agus tá catagóirí táirgí nua curtha i bhfeidhm acu.
Le méadú 10-huaire ar chostas agus ar fheidhmíocht in aghaidh na deich mbliana, cuireann léasair leathsheoltóra ard-chumhachta isteach ar ghnáthghníomhú an mhargaidh ar bhealaí nach féidir a thuar. Cé go bhfuil sé deacair iarratais sa todhchaí a thuar go cruinn, tá sé an-suntasach athbhreithniú a dhéanamh ar stair forbartha na dtrí scór bliain a chuaigh thart agus féidearthachtaí creata a sholáthar d’fhorbairt na ndeich mbliana atá romhainn (féach Fíor 2).

Fíor 2. Feidhm breosla gile léasair leathsheoltóra ard-chumhachta (costas caighdeánaithe in aghaidh an ghile vata)
1980í: Stóráil optúil agus feidhmchláir tosaigh nideoige. Is é stóráil optúil an chéad iarratas ar scála mór sa tionscal léasair leathsheoltóra. Go gairid tar éis Halla an léasair leathsheoltóra infridhearg a thaispeáint ar dtús, léirigh General Electrics Nick Holonyak an chéad léasair leathsheoltóra dearg infheicthe freisin. Fiche bliain ina dhiaidh sin, tugadh dlúthdhioscaí (CDanna) isteach ar an margadh, agus an margadh stórála optúla ina dhiaidh sin.
Mar thoradh ar nuálaíocht leanúnach na teicneolaíochta léasair leathsheoltóra tá forbairt teicneolaíochtaí stórála optúla cosúil le diosca ildánach digiteach (DVD) agus Diosca Blu-ray (BD). Is é seo an chéad mhargadh mór do léasair leathsheoltóra, ach go ginearálta cuireann leibhéil chumhachta measartha teorainn le hiarratais eile ar mhargaí nideoige sách beag, mar shampla priontáil theirmeach, iarratais leighis, agus iarratais roghnaithe aeraspáis agus cosanta.
Na 1990idí: Tá líonraí optúla i réim. Sna 1990í, tháinig léasair leathsheoltóra an eochair do líonraí cumarsáide. Úsáidtear léasair leathsheoltóra chun comharthaí a tharchur thar líonraí snáthoptaice, ach tá léasair caidéil modh aonair cumhachta níos airde le haghaidh aimplitheoirí optúla ríthábhachtach chun scála líonraí optúla a bhaint amach agus chun tacú go fírinneach le fás sonraí Idirlín.
Is mór an borradh faoin tionscal teileachumarsáide a thug sé, ag glacadh le Spectra Diode Labs (SDL), ceann de na chéad cheannródaithe sa tionscal léasair leathsheoltóra ardchumhachta mar shampla. Bunaithe i 1983, is comhfhiontar é SDL idir na brandaí léasair Spectra-Physics agus Xerox de chuid Ghrúpa Newport. Seoladh é i 1995 le caipitliú margaidh de thart ar $100 milliún. Cúig bliana ina dhiaidh sin, díoladh SDL le JDSU ar níos mó ná $40 billiún le linn bhuaic an tionscail teileachumarsáide, ceann de na héadálacha teicneolaíochta is mó sa stair. Go luath ina dhiaidh sin, phléasc an mboilgeog teileachumarsáide agus scrios na trilliún dollar caipitil, a fheictear anois mar an mboilgeog is mó sa stair.
2000í: Tháinig léasair chun bheith ina uirlis. Cé go bhfuil pléasctha na mboilgeog sa mhargadh teileachumarsáide thar a bheith millteach, tá an infheistíocht mhór i léasair leathsheoltóra ard-chumhachta tar éis bunús a leagan le haghaidh uchtaithe níos leithne. De réir mar a mhéadaíonn feidhmíocht agus costais, tá na léasair seo ag tosú ag athsholáthar léasair gáis traidisiúnta nó foinsí comhshó fuinnimh eile i bpróisis éagsúla.
Uirlis a úsáidtear go forleathan anois léasair leathsheoltóra. Réimsíonn feidhmchláir thionsclaíocha ó phróisis déantúsaíochta traidisiúnta ar nós gearradh agus sádráil go hardteicneolaíochtaí déantúsaíochta nua cosúil le déantúsaíocht bhreiseán páirteanna miotail phriontáilte 3D. Tá iarratais micrea-déantúsaíochta níos éagsúla, toisc go ndearnadh tráchtálú ar tháirgí tábhachtacha cosúil le fóin chliste leis na léasair seo. Tá raon leathan d’fheidhmchláir atá ríthábhachtach do mhisin i gceist le feidhmchláir aeraspáis agus cosanta agus is dócha go n-áireofar leo córais fuinnimh treo na chéad ghlúine eile amach anseo.
chun achoimre 
Níos mó ná 50 bliain ó shin, níor mhol Moore dlí bunúsach nua fisice, ach rinne sé feabhsuithe móra ar na ciorcaid chomhtháite a ndearnadh staidéar orthu den chéad uair deich mbliana ó shin. Mhair a chuid tairngreachta ar feadh na mblianta agus thug sé leis sraith de nuálaíochtaí suaiteacha nach bhféadfaí a shamhlú i 1965.
Nuair a léirigh Hall léasair leathsheoltóra níos mó ná 50 bliain ó shin, spreag sé réabhlóid teicneolaíochta. Mar atá le Dlí Moore, ní féidir le duine ar bith an fhorbairt ardluais a thuar a dhéanfar léasair leathsheoltóra ard-déine a bhaintear amach le líon mór nuálaíochtaí ina dhiaidh sin.
Níl aon riail bhunúsach san fhisic chun na feabhsuithe teicneolaíochta seo a rialú, ach d'fhéadfadh dul chun cinn leanúnach teicneolaíochta an léasair a chur chun cinn i dtéarmaí gile. Leanfaidh an treocht seo ag cur in ionad na dteicneolaíochtaí traidisiúnta, rud a athróidh an bealach a ndéantar rudaí a fhorbairt tuilleadh. Níos tábhachtaí d'fhás eacnamaíoch, cuirfidh léasair leathsheoltóra ard-chumhachta chun cinn breith rudaí nua freisin.