उच्च शक्ति अर्धचालक लेजर का अतीत और भविष्य

जैसे-जैसे दक्षता और शक्ति बढ़ती रहेगी, लेजर डायोड पारंपरिक प्रौद्योगिकियों को प्रतिस्थापित करना जारी रखेंगे, चीजों को संभालने के तरीके को बदल देंगे, और नई चीजों के जन्म को प्रोत्साहित करेंगे।
परंपरागत रूप से, अर्थशास्त्रियों का मानना ​​है कि तकनीकी प्रगति एक क्रमिक प्रक्रिया है। हाल ही में, उद्योग ने विघटनकारी नवाचार पर अधिक ध्यान केंद्रित किया है जो विघटन का कारण बन सकता है। ये नवाचार, जिन्हें सामान्य प्रयोजन प्रौद्योगिकियों (जीपीटी) के रूप में जाना जाता है, "गहरे नए विचार या प्रौद्योगिकियां हैं जो अर्थव्यवस्था के कई पहलुओं पर बड़ा प्रभाव डाल सकते हैं।" सामान्य प्रौद्योगिकी को विकसित होने में आमतौर पर कई दशक लगते हैं, और इससे भी अधिक समय उत्पादकता में वृद्धि लाएगा। पहले तो उन्हें ठीक से समझा नहीं गया। प्रौद्योगिकी के व्यावसायीकरण के बाद भी, उत्पादन अपनाने में दीर्घकालिक अंतराल था। इंटीग्रेटेड सर्किट इसका एक अच्छा उदाहरण है। ट्रांजिस्टर पहली बार 20वीं सदी की शुरुआत में पेश किए गए थे, लेकिन उनका व्यापक रूप से देर शाम तक उपयोग किया जाता था।
मूर के नियम के संस्थापकों में से एक, गॉर्डन मूर ने 1965 में भविष्यवाणी की थी कि अर्धचालक तेज गति से विकसित होंगे, "इलेक्ट्रॉनिक्स की लोकप्रियता लाएंगे और इस विज्ञान को कई नए क्षेत्रों में आगे बढ़ाएंगे।" अपनी साहसिक और अप्रत्याशित रूप से सटीक भविष्यवाणियों के बावजूद, उत्पादकता और आर्थिक विकास हासिल करने से पहले उन्होंने दशकों तक निरंतर सुधार किया है।
इसी प्रकार, उच्च शक्ति अर्धचालक लेजर के नाटकीय विकास की समझ सीमित है। 1962 में, उद्योग ने पहली बार इलेक्ट्रॉनों को लेजर में परिवर्तित करने का प्रदर्शन किया, इसके बाद कई प्रगति हुई जिससे इलेक्ट्रॉनों को उच्च-उपज वाली लेजर प्रक्रियाओं में परिवर्तित करने में महत्वपूर्ण सुधार हुए। ये सुधार कई महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों का समर्थन कर सकते हैं, जिनमें ऑप्टिकल स्टोरेज, ऑप्टिकल नेटवर्किंग और औद्योगिक अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला शामिल है।
इन विकासों और उनके द्वारा प्रकाश में लाए गए कई सुधारों को याद करते हुए अर्थव्यवस्था के कई पहलुओं पर अधिक और व्यापक प्रभाव पड़ने की संभावना पर प्रकाश डाला गया है। वास्तव में, उच्च शक्ति अर्धचालक लेजर के निरंतर सुधार के साथ, महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों का दायरा बढ़ेगा और आर्थिक विकास पर गहरा प्रभाव पड़ेगा।
उच्च शक्ति अर्धचालक लेजर इतिहास
16 सितंबर, 1962 को, जनरल इलेक्ट्रिक के रॉबर्ट हॉल के नेतृत्व में एक टीम ने गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) अर्धचालकों के अवरक्त उत्सर्जन का प्रदर्शन किया, जिसमें "अजीब" हस्तक्षेप पैटर्न हैं, जिसका अर्थ है सुसंगतता लेजर - पहले अर्धचालक लेजर का जन्म। हॉल का शुरू में मानना ​​था कि सेमीकंडक्टर लेजर एक "लॉन्ग शॉट" था क्योंकि उस समय प्रकाश उत्सर्जक डायोड बहुत अक्षम थे। साथ ही, उन्हें इस बात पर संदेह भी था क्योंकि जिस लेज़र की पुष्टि दो साल पहले हो चुकी थी और जो पहले से मौजूद है, उसके लिए एक "बढ़िया दर्पण" की आवश्यकता होती है।
1962 की गर्मियों में, हाले ने कहा कि वह एमआईटी लिंकन प्रयोगशाला द्वारा विकसित अधिक कुशल GaAs प्रकाश उत्सर्जक डायोड से हैरान थे। इसके बाद, उन्होंने कहा कि वह कुछ उच्च गुणवत्ता वाले GaAs सामग्रियों के साथ परीक्षण करने में सक्षम होने के लिए भाग्यशाली थे और एक गुहा बनाने के लिए GaAs चिप्स के किनारों को पॉलिश करने का एक तरीका विकसित करने के लिए एक शौकिया खगोलशास्त्री के रूप में अपने अनुभव का उपयोग किया।
हॉल का सफल प्रदर्शन ऊर्ध्वाधर उछाल के बजाय इंटरफ़ेस पर आगे और पीछे विकिरण उछाल के डिजाइन पर आधारित है। उन्होंने विनम्रतापूर्वक कहा कि कोई भी "इस विचार के साथ नहीं आया है।" वास्तव में, हॉल का डिज़ाइन अनिवार्य रूप से एक भाग्यशाली संयोग है कि वेवगाइड बनाने वाली अर्धचालक सामग्री में एक ही समय में द्विध्रुवी वाहक को सीमित करने की संपत्ति भी होती है। अन्यथा, सेमीकंडक्टर लेजर का एहसास करना असंभव है। असमान अर्धचालक सामग्रियों का उपयोग करके, वाहक के साथ फोटॉन को ओवरलैप करने के लिए एक स्लैब वेवगाइड बनाया जा सकता है।
जनरल इलेक्ट्रिक में ये प्रारंभिक प्रदर्शन एक बड़ी सफलता थे। हालाँकि, ये लेज़र व्यावहारिक उपकरणों से बहुत दूर हैं। उच्च-शक्ति अर्धचालक लेजर के जन्म को बढ़ावा देने के लिए, विभिन्न प्रौद्योगिकियों के संलयन को साकार किया जाना चाहिए। प्रमुख तकनीकी नवाचार प्रत्यक्ष बैंडगैप सेमीकंडक्टर सामग्री और क्रिस्टल विकास तकनीकों की समझ के साथ शुरू हुए।
बाद के विकासों में डबल हेटेरोजंक्शन लेजर का आविष्कार और उसके बाद क्वांटम वेल लेजर का विकास शामिल था। इन मुख्य प्रौद्योगिकियों को और बढ़ाने की कुंजी दक्षता में सुधार और कैविटी निष्क्रियता, गर्मी अपव्यय और पैकेजिंग प्रौद्योगिकी के विकास में निहित है।
चमक
पिछले कुछ दशकों में नवाचार ने रोमांचक सुधार लाए हैं। विशेष रूप से, चमक में सुधार उत्कृष्ट है। 1985 में, अत्याधुनिक उच्च शक्ति अर्धचालक लेजर 105 माइक्रोन कोर फाइबर में 105 मिलीवाट बिजली को जोड़ने में सक्षम था। सबसे उन्नत उच्च-शक्ति अर्धचालक लेजर अब एक तरंग दैर्ध्य के साथ 250 वाट से अधिक 105-माइक्रोन फाइबर का उत्पादन कर सकते हैं - हर आठ साल में 10 गुना वृद्धि।

मूर ने "एकीकृत सर्किट में अधिक घटकों को ठीक करने" की कल्पना की - फिर, प्रति चिप ट्रांजिस्टर की संख्या हर 7 साल में 10 गुना बढ़ गई। संयोग से, उच्च-शक्ति अर्धचालक लेज़र समान घातीय दरों पर फाइबर में अधिक फोटॉन शामिल करते हैं (चित्र 1 देखें)।

चित्र 1. उच्च-शक्ति अर्धचालक लेजर की चमक और मूर के नियम के साथ तुलना
उच्च शक्ति अर्धचालक लेजर की चमक में सुधार ने विभिन्न अप्रत्याशित प्रौद्योगिकियों के विकास को बढ़ावा दिया है। हालाँकि इस प्रवृत्ति को जारी रखने के लिए और अधिक नवाचार की आवश्यकता है, लेकिन यह मानने का कारण है कि सेमीकंडक्टर लेजर तकनीक का नवाचार पूरा होने से बहुत दूर है। सुप्रसिद्ध भौतिकी निरंतर तकनीकी विकास के माध्यम से सेमीकंडक्टर लेजर के प्रदर्शन में और सुधार कर सकती है।
उदाहरण के लिए, क्वांटम डॉट गेन मीडिया वर्तमान क्वांटम वेल उपकरणों की तुलना में दक्षता में उल्लेखनीय वृद्धि कर सकता है। धीमी अक्ष चमक परिमाण सुधार क्षमता का एक और क्रम प्रदान करती है। बेहतर थर्मल और विस्तार मिलान के साथ नई पैकेजिंग सामग्री निरंतर बिजली समायोजन और सरलीकृत थर्मल प्रबंधन के लिए आवश्यक संवर्द्धन प्रदान करेगी। ये प्रमुख विकास आने वाले दशकों में उच्च शक्ति अर्धचालक लेजर के विकास के लिए एक रोडमैप प्रदान करेंगे।
डायोड-पंप ठोस-अवस्था और फाइबर लेजर
उच्च-शक्ति अर्धचालक लेजर में सुधार ने डाउनस्ट्रीम लेजर प्रौद्योगिकियों के विकास को संभव बना दिया है; डाउनस्ट्रीम लेजर प्रौद्योगिकियों में, सेमीकंडक्टर लेजर का उपयोग डोप्ड क्रिस्टल (डायोड-पंप सॉलिड-स्टेट लेजर) या डोप्ड फाइबर (फाइबर लेजर) को उत्तेजित (पंप) करने के लिए किया जाता है।
हालाँकि सेमीकंडक्टर लेज़र उच्च दक्षता, कम लागत वाली लेज़र ऊर्जा प्रदान करते हैं, लेकिन दो प्रमुख सीमाएँ हैं: वे ऊर्जा संग्रहीत नहीं करते हैं और उनकी चमक सीमित है। मूल रूप से इन दो लेज़रों को कई अनुप्रयोगों के लिए उपयोग करने की आवश्यकता होती है: एक बिजली को लेज़र उत्सर्जन में परिवर्तित करने के लिए और दूसरा लेज़र उत्सर्जन की चमक बढ़ाने के लिए।
डायोड-पंप ठोस-अवस्था लेजर। 1980 के दशक के उत्तरार्ध में, सॉलिड-स्टेट लेज़रों को पंप करने के लिए सेमीकंडक्टर लेज़रों के उपयोग ने व्यावसायिक अनुप्रयोगों में लोकप्रियता हासिल करना शुरू कर दिया। डायोड-पंप सॉलिड-स्टेट लेजर (डीपीएसएसएल) थर्मल प्रबंधन प्रणालियों (मुख्य रूप से रीसर्क्युलेटिंग कूलर) के आकार और जटिलता को काफी कम कर देते हैं और ऐसे मॉड्यूल प्राप्त करते हैं जिनमें सॉलिड-स्टेट लेजर क्रिस्टल को पंप करने के लिए ऐतिहासिक रूप से संयुक्त आर्क लैंप होते हैं।
सेमीकंडक्टर लेजर की तरंग दैर्ध्य का चयन ठोस-अवस्था लेजर लाभ माध्यम के वर्णक्रमीय अवशोषण गुणों के साथ उनके ओवरलैप के आधार पर किया जाता है; आर्क लैंप के वाइड-बैंड उत्सर्जन स्पेक्ट्रम की तुलना में ताप भार बहुत कम हो जाता है। 1064 एनएम जर्मेनियम-आधारित लेजर की लोकप्रियता के कारण, 808 एनएम पंप तरंग दैर्ध्य 20 से अधिक वर्षों के लिए अर्धचालक लेजर में सबसे बड़ी तरंग दैर्ध्य बन गया है।
2000 के मध्य में मल्टीमोड सेमीकंडक्टर लेजर की चमक में वृद्धि और वॉल्यूम ब्रैग ग्रेटिंग (वीबीजी) के साथ संकीर्ण एमिटर लाइन चौड़ाई को स्थिर करने की क्षमता के साथ, बेहतर डायोड पंपिंग दक्षता की दूसरी पीढ़ी हासिल की गई थी। 880 एनएम के आसपास कमजोर और वर्णक्रमीय रूप से संकीर्ण अवशोषण विशेषताएं उच्च चमक पंप डायोड के लिए हॉट स्पॉट बन गई हैं। ये डायोड वर्णक्रमीय स्थिरता प्राप्त कर सकते हैं। ये उच्च-प्रदर्शन वाले लेज़र सीधे सिलिकॉन में लेज़र के ऊपरी स्तर 4F3/2 को उत्तेजित कर सकते हैं, क्वांटम दोषों को कम कर सकते हैं, जिससे उच्च-औसत मौलिक मोड के निष्कर्षण में सुधार हो सकता है जो अन्यथा थर्मल लेंस द्वारा सीमित होंगे।
2010 की शुरुआत तक, हमने सिंगल-क्रॉस-मोड 1064 एनएम लेजर और दृश्य और पराबैंगनी बैंड में संचालित आवृत्ति रूपांतरण लेजर की संबंधित श्रृंखला की उच्च-शक्ति स्केलिंग प्रवृत्ति देखी है। एनडी:वाईएजी और एनडी:वाईवीओ4 के लंबे उच्च ऊर्जा अवस्था जीवनकाल के कारण, ये डीपीएसएसएल क्यू स्विचिंग ऑपरेशन उच्च पल्स ऊर्जा और चरम शक्ति प्रदान करते हैं, जो उन्हें एब्लेटिव सामग्री प्रसंस्करण और उच्च परिशुद्धता माइक्रोमशीनिंग अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाते हैं।
फाइबर ऑप्टिक लेजर. फ़ाइबर लेज़र उच्च शक्ति अर्धचालक लेज़रों की चमक को परिवर्तित करने का अधिक कुशल तरीका प्रदान करते हैं। यद्यपि तरंग दैर्ध्य-मल्टीप्लेक्स ऑप्टिक्स अपेक्षाकृत कम-चमकदार अर्धचालक लेजर को एक उज्ज्वल अर्धचालक लेजर में परिवर्तित कर सकता है, यह बढ़ी हुई वर्णक्रमीय चौड़ाई और ऑप्टोमैकेनिकल जटिलता की कीमत पर है। फ़ाइबर लेज़रों को फोटोमेट्रिक रूपांतरण में विशेष रूप से प्रभावी दिखाया गया है।
1990 के दशक में पेश किए गए डबल-क्लैड फाइबर मल्टीमोड क्लैडिंग से घिरे सिंगल-मोड फाइबर का उपयोग करते हैं, जिससे उच्च-शक्ति, कम लागत वाले मल्टीमोड सेमीकंडक्टर-पंप लेजर को फाइबर में कुशलतापूर्वक इंजेक्ट किया जा सकता है, जिससे एक अधिक किफायती तरीका बनता है। उच्च शक्ति अर्धचालक लेजर को उज्जवल लेजर में बदलना। यटरबियम (वाईबी) डोप्ड फाइबर के लिए, पंप 915 एनएम पर केंद्रित एक व्यापक अवशोषण या 976 एनएम के आसपास एक संकीर्ण बैंड सुविधा को उत्तेजित करता है। जैसे-जैसे पंप तरंग दैर्ध्य फाइबर लेजर की लेज़िंग तरंग दैर्ध्य के करीब पहुंचता है, तथाकथित क्वांटम दोष कम हो जाते हैं, जिससे दक्षता अधिकतम हो जाती है और गर्मी अपव्यय की मात्रा कम हो जाती है।
फ़ाइबर लेज़र और डायोड-पंप सॉलिड-स्टेट लेज़र दोनों डायोड लेज़र चमक में सुधार पर निर्भर करते हैं। सामान्य तौर पर, जैसे-जैसे डायोड लेजर की चमक में सुधार जारी है, उनके द्वारा पंप की जाने वाली लेजर शक्ति का अनुपात भी बढ़ रहा है। सेमीकंडक्टर लेजर की बढ़ी हुई चमक अधिक कुशल चमक रूपांतरण की सुविधा प्रदान करती है।
जैसा कि हम उम्मीद करेंगे, भविष्य की प्रणालियों के लिए स्थानिक और वर्णक्रमीय चमक आवश्यक होगी, जो ठोस-अवस्था वाले लेजर में संकीर्ण अवशोषण विशेषताओं के साथ कम क्वांटम दोष पंपिंग और प्रत्यक्ष अर्धचालक लेजर अनुप्रयोगों के लिए घने तरंग दैर्ध्य मल्टीप्लेक्सिंग को सक्षम करेगी। योजना संभव हो जाती है.
बाज़ार और अनुप्रयोग
उच्च शक्ति अर्धचालक लेजर के विकास ने कई महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों को संभव बना दिया है। इन लेज़रों ने कई पारंपरिक प्रौद्योगिकियों को प्रतिस्थापित कर दिया है और नई उत्पाद श्रेणियां लागू की हैं।
प्रति दशक लागत और प्रदर्शन में 10 गुना वृद्धि के साथ, उच्च-शक्ति अर्धचालक लेजर अप्रत्याशित तरीकों से बाजार के सामान्य संचालन को बाधित करते हैं। यद्यपि भविष्य के अनुप्रयोगों की सटीक भविष्यवाणी करना मुश्किल है, लेकिन पिछले तीन दशकों के विकास इतिहास की समीक्षा करना और अगले दशक के विकास के लिए रूपरेखा संभावनाएं प्रदान करना बहुत महत्वपूर्ण है (चित्र 2 देखें)।

चित्र 2. उच्च शक्ति अर्धचालक लेजर चमक ईंधन अनुप्रयोग (मानकीकरण लागत प्रति वाट चमक)
1980 का दशक: ऑप्टिकल स्टोरेज और प्रारंभिक विशिष्ट अनुप्रयोग। ऑप्टिकल स्टोरेज सेमीकंडक्टर लेजर उद्योग में पहला बड़े पैमाने पर अनुप्रयोग है। हॉल द्वारा पहली बार इन्फ्रारेड सेमीकंडक्टर लेजर दिखाने के कुछ ही समय बाद, जनरल इलेक्ट्रिक्स निक होलोनीक ने पहला दृश्यमान लाल सेमीकंडक्टर लेजर भी दिखाया। बीस साल बाद, कॉम्पैक्ट डिस्क (सीडी) को बाजार में पेश किया गया, उसके बाद ऑप्टिकल स्टोरेज बाजार में लाया गया।
सेमीकंडक्टर लेजर तकनीक के निरंतर नवाचार ने डिजिटल वर्सेटाइल डिस्क (डीवीडी) और ब्लू-रे डिस्क (बीडी) जैसी ऑप्टिकल स्टोरेज प्रौद्योगिकियों के विकास को जन्म दिया है। सेमीकंडक्टर लेजर के लिए यह पहला बड़ा बाजार है, लेकिन आम तौर पर मामूली बिजली का स्तर अन्य अनुप्रयोगों को अपेक्षाकृत छोटे आला बाजारों जैसे थर्मल प्रिंटिंग, चिकित्सा अनुप्रयोगों और चयनित एयरोस्पेस और रक्षा अनुप्रयोगों तक सीमित कर देता है।
1990 का दशक: ऑप्टिकल नेटवर्क प्रचलित हैं। 1990 के दशक में, सेमीकंडक्टर लेजर संचार नेटवर्क की कुंजी बन गए। सेमीकंडक्टर लेजर का उपयोग फाइबर ऑप्टिक नेटवर्क पर सिग्नल प्रसारित करने के लिए किया जाता है, लेकिन ऑप्टिकल एम्पलीफायरों के लिए उच्च शक्ति वाले सिंगल मोड पंप लेजर ऑप्टिकल नेटवर्क के पैमाने को प्राप्त करने और वास्तव में इंटरनेट डेटा के विकास का समर्थन करने के लिए महत्वपूर्ण हैं।
इसके द्वारा लाया गया दूरसंचार उद्योग में उछाल दूरगामी है, उदाहरण के तौर पर उच्च शक्ति सेमीकंडक्टर लेजर उद्योग में पहले अग्रदूतों में से एक, स्पेक्ट्रा डायोड लैब्स (एसडीएल) को लेते हैं। 1983 में स्थापित, एसडीएल न्यूपोर्ट ग्रुप के लेजर ब्रांड स्पेक्ट्रा-फिजिक्स और ज़ेरॉक्स के बीच एक संयुक्त उद्यम है। इसे 1995 में लगभग 100 मिलियन डॉलर के बाजार पूंजीकरण के साथ लॉन्च किया गया था। पांच साल बाद, दूरसंचार उद्योग के चरम के दौरान एसडीएल को जेडीएसयू को $40 बिलियन से अधिक में बेच दिया गया, जो इतिहास में सबसे बड़े प्रौद्योगिकी अधिग्रहणों में से एक था। इसके तुरंत बाद, दूरसंचार बुलबुला फूट गया और खरबों डॉलर की पूंजी नष्ट हो गई, जिसे अब इतिहास के सबसे बड़े बुलबुले के रूप में देखा जाता है।
2000 का दशक: लेजर एक उपकरण बन गया। यद्यपि दूरसंचार बाजार के बुलबुले का फूटना बेहद विनाशकारी है, उच्च-शक्ति अर्धचालक लेजर में भारी निवेश ने व्यापक रूप से अपनाने की नींव रखी है। जैसे-जैसे प्रदर्शन और लागत में वृद्धि होती है, ये लेज़र विभिन्न प्रक्रियाओं में पारंपरिक गैस लेज़रों या अन्य ऊर्जा रूपांतरण स्रोतों को प्रतिस्थापित करने लगे हैं।
सेमीकंडक्टर लेजर एक व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला उपकरण बन गया है। औद्योगिक अनुप्रयोगों में पारंपरिक विनिर्माण प्रक्रियाओं जैसे कि कटिंग और सोल्डरिंग से लेकर नई उन्नत विनिर्माण प्रौद्योगिकियों जैसे 3 डी मुद्रित धातु भागों के एडिटिव विनिर्माण तक शामिल हैं। सूक्ष्म-विनिर्माण अनुप्रयोग अधिक विविध हैं, क्योंकि स्मार्टफ़ोन जैसे प्रमुख उत्पादों का इन लेज़रों के साथ व्यावसायीकरण किया गया है। एयरोस्पेस और रक्षा अनुप्रयोगों में मिशन-महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला शामिल है और भविष्य में संभवतः अगली पीढ़ी की दिशात्मक ऊर्जा प्रणालियाँ शामिल होंगी।
सारांश में 
50 से अधिक वर्ष पहले, मूर ने भौतिकी का कोई नया बुनियादी नियम प्रस्तावित नहीं किया था, लेकिन उन एकीकृत सर्किटों में महान सुधार किए जिनका पहली बार दस साल पहले अध्ययन किया गया था। उनकी भविष्यवाणी दशकों तक चली और अपने साथ विघटनकारी नवाचारों की एक श्रृंखला लेकर आई जो 1965 में अकल्पनीय थी।
जब हॉल ने 50 साल से भी पहले सेमीकंडक्टर लेजर का प्रदर्शन किया, तो इससे एक तकनीकी क्रांति शुरू हो गई। मूर के नियम की तरह, कोई भी उस उच्च गति के विकास की भविष्यवाणी नहीं कर सकता है जो बड़ी संख्या में नवाचारों द्वारा हासिल किए गए उच्च-तीव्रता वाले अर्धचालक लेजर बाद में करेंगे।
इन तकनीकी सुधारों को नियंत्रित करने के लिए भौतिकी में कोई मौलिक नियम नहीं है, लेकिन निरंतर तकनीकी प्रगति लेजर को चमक के मामले में आगे बढ़ा सकती है। यह प्रवृत्ति पारंपरिक प्रौद्योगिकियों का स्थान लेती रहेगी, जिससे चीजों के विकास के तरीके में और बदलाव आएगा। आर्थिक विकास के लिए अधिक महत्वपूर्ण, उच्च-शक्ति अर्धचालक लेजर नई चीजों के जन्म को भी बढ़ावा देंगे।