Σε σύγκριση με τα ογκώδη λέιζερ αερίου και λέιζερ ινών, τα λέιζερ ημιαγωγών έχουν τα πλεονεκτήματα του μικρού μεγέθους, της υψηλής ενεργειακής απόδοσης, της υψηλής συνοχής και της υψηλής δυνατότητας ελέγχου. Ωστόσο, η χρήση των υλικών ημιαγωγών ως υλικό εργασίας για την παραγωγή διεγερμένης εκπομπής του λέιζερ, αλλά έχει επίσης τα δικά της εγγενή ελαττώματα: κακά χαρακτηριστικά θερμοκρασίας, εύκολο να παραχθεί θόρυβος, η διασπορά του φωτός εξόδου είναι σοβαρή. Μία από τις συνέπειες αυτών των ελαττωμάτων είναι ότι - είναι δύσκολο να επιτευχθεί το επίπεδο φωτεινότητας για βιομηχανική κοπή χονδρού χάλυβα και ούτω καθεξής.
Ωστόσο, ένα ερευνητικό αποτέλεσμα που δημοσιεύτηκε την περασμένη εβδομάδα στο περιοδικό Nature μπορεί να αναμένεται να σπάσει αυτή την κατάσταση, μια βασική πρόοδος:
Αναφέρεται ότι μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο του Κιότο στην Ιαπωνία, με επικεφαλής τον IEEE Fellow Susumu Noda, έκανε ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός για να ξεπεράσει τους περιορισμούς φωτεινότητας των λέιζερ ημιαγωγών αλλάζοντας τη δομή των λέιζερ που εκπέμπουν επιφάνεια φωτονικών κρυστάλλων (PCSELs).
Οι φωτονικοί κρύσταλλοι αποτελούνται από κανονικές, νανοκλίμακας φουσκωτές οπές διάτρητες σε ένα φύλλο ημιαγωγού. Τα λέιζερ φωτονικών κρυστάλλων είναι ένας από τους «δυνητικούς παίκτες» στον τομέα των λέιζερ υψηλής φωτεινότητας, αλλά μέχρι τώρα, οι μηχανικοί δεν ήταν σε θέση να τα αναδείξουν ώστε να παρέχουν δέσμες αρκετά φωτεινές ώστε να χρησιμοποιηθούν για πραγματική κοπή και επεξεργασία μετάλλων. Οι ερευνητές εργάζονται για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης των λέιζερ ημιαγωγών, συμπεριλαμβανομένης της απόδοσης μετατροπής ισχύος, της ισχύος εξόδου, της ποιότητας δέσμης, του επιπέδου ενέργειας λέιζερ, των φασματικών χαρακτηριστικών, του μεγέθους, της ανθεκτικότητας σε ανεπιθύμητο θόρυβο και της θερμικής διαχείρισης, της αξιοπιστίας, κ.λπ. (Σημείωση: Η φωτεινότητα είναι μέτρο της ισχύος εξόδου λέιζερ και της ποιότητας της δέσμης, που περιλαμβάνει τον βαθμό εστίασης και απόκλισης μιας δέσμης φωτός. (Η τιμή κατωφλίου για την επεξεργασία μετάλλων είναι περίπου 1 gigawatt/cm2.)
Η προαναφερθείσα ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον ακαδημαϊκό Susumu Noda έχει συγκεντρώσει περισσότερα από 20 χρόνια ερευνητικής εμπειρίας στην ανάπτυξη PCSEL. Όσον αφορά τα συγκεκριμένα αποτελέσματα: μπόρεσαν να αναπτύξουν ένα λέιζερ με διάμετρο 3 mm, που είναι 10-πλάσια αύξηση της επιφάνειας σε σχέση με τις προηγούμενες συσκευές PCSEL με διάμετρο 1 mm. Η ισχύς εξόδου αυτού του καινοτόμου λέιζερ είναι 50 W, η οποία είναι σημαντική αύξηση σε σύγκριση με την ισχύ εξόδου 5-10W των PCSEL 1 mm. Η φωτεινότητα αυτού του νέου λέιζερ είναι περίπου 1GW/cm2/str, η οποία είναι επαρκής για μια σειρά εφαρμογών που επί του παρόντος κυριαρχούνται από λέιζερ αερίου και ινών, όπως η έξυπνη κατασκευή ακριβείας στις βιομηχανίες ηλεκτρονικών και αυτοκινήτων. Αυτό το υψηλό επίπεδο φωτεινότητας επαρκεί επίσης για πιο συγκεκριμένες εφαρμογές όπως δορυφορικές επικοινωνίες και δορυφορική πρόωση.
Στην αύξηση του μεγέθους και της φωτεινότητας των λέιζερ φωτονικών κρυστάλλων, συναντώνται μια σειρά από προκλήσεις. Συγκεκριμένα, τα λέιζερ ημιαγωγών αντιμετωπίζουν σημεία συμφόρησης όταν διευρύνεται η περιοχή εκπομπής τους: μια ευρύτερη περιοχή λέιζερ σημαίνει ότι υπάρχει χώρος για συνεχείς ταλαντώσεις φωτός στην κατεύθυνση εκπομπής και πλευρικά, και αυτές οι πλευρικές ταλαντώσεις (γνωστές ως Τρόποι λειτουργίας υψηλότερης τάξης/Λειτουργίες υψηλότερης τάξης ) καταστρέφουν ακριβώς την ποιότητα της δοκού. Επιπλέον, εάν το λέιζερ υποβάλλεται σε συνεχή λειτουργία, η θερμότητα στο εσωτερικό του λέιζερ αλλάζει τον δείκτη διάθλασης της συσκευής, οδηγώντας σε περαιτέρω υποβάθμιση της ποιότητας της δέσμης.
Το βασικό σημείο ανακάλυψης που έφερε η ερευνητική ομάδα του Susumu Noda είναι ότι έχουν ενσωματώσει φωτονικούς κρυστάλλους στο λέιζερ και τροποποίησαν το εσωτερικό στρώμα ανάκλασης για να επιτρέψουν την ταλάντωση ενός τρόπου λειτουργίας σε μια μεγαλύτερη περιοχή και να αντισταθμίσουν τη θερμική ζημιά. Αυτές οι δύο αλλαγές επιτρέπουν στο PCSEL να διατηρεί υψηλή ποιότητα δέσμης ακόμα και κατά τη συνεχή λειτουργία.
Για να ενσωματώσει τον φωτονικό κρύσταλλο, η ομάδα σχεδίασε ένα σχέδιο οπών στο στρώμα κρυστάλλου που εκτρέπει το φως με αποτελεσματικό τρόπο, με αποτέλεσμα μια δέσμη με πολύ μικρή απόκλιση. Χρησιμοποίησαν λιθογραφία νανοαποτυπώματος για την κατασκευή των φωτονικών κρυστάλλων, επιταχύνοντας έτσι την παραγωγή.
Σε ένα τυπικό λέιζερ φωτονικών κρυστάλλων, αυτές οι κοιλότητες, οι οποίες έχουν διαφορετικό δείκτη διάθλασης από τον περιβάλλοντα ημιαγωγό, εκτρέπουν το φως μέσα στο λέιζερ με ακριβή τρόπο. Και η ερευνητική ομάδα του Susumu Noda σχεδίασε το σχέδιο των οπών στον κρύσταλλο έτσι ώστε το φως να εκτρέπεται από ένα σύνολο κυκλικών και ελλειπτικών οπών που παραμένουν το ένα τέταρτο του μήκους κύματος λέιζερ μακριά η μία από την άλλη. Τελικά, αυτές οι παραμορφώσεις προκαλούν απώλειες στα σχέδια υψηλότερης τάξης, με αποτέλεσμα μια δέσμη υψηλής ποιότητας χωρίς σχεδόν καμία απόκλιση.
Αυτή η ιδέα είναι αρκετά καλή για ένα λέιζερ 1 mm, αλλά η επέκτασή της σε μια περιοχή 3 mm απαιτεί περαιτέρω καινοτομία. Για να επιτύχουν ταλάντωση μονής λειτουργίας σε μεγαλύτερη περιοχή, οι ερευνητές προσάρμοσαν τη θέση του ανακλαστήρα στο κάτω μέρος του λέιζερ, γεγονός που προκάλεσε μεγαλύτερη ανεπιθύμητη απώλεια λειτουργίας στην κατακόρυφη κατεύθυνση.
Τέλος, η ερευνητική ομάδα του Susumu Noda αντιμετώπισε επίσης το πρόβλημα της θερμότητας που αλλάζει τον δείκτη διάθλασης της συσκευής και προκαλεί την απόκλιση της δέσμης. Έλυσαν αυτό το πρόβλημα αλλάζοντας ελαφρά την περίοδο των οπών αερίου στον φωτονικό κρύσταλλο έτσι ώστε να βρίσκονται στη σωστή θέση όταν το λέιζερ είναι σε πλήρη ισχύ.
Η ομάδα του έχει ιδρύσει το Κέντρο Αριστείας για Λέιζερ Εκπομπής Επιφανειών Φωτονικών Κρυστάλλων στο Πανεπιστήμιο του Κιότο, το οποίο καλύπτει έκταση 1,000m2 και περισσότερες από 85 εταιρείες και ερευνητικά ιδρύματα συμμετέχουν στην ανάπτυξη της τεχνολογίας PCSEL. Η ομάδα βιομηχανοποιεί το σχέδιο PCSEL για μαζική παραγωγή.
Ως μέρος αυτής της διαδικασίας, ολοκλήρωσαν τη μετατροπή από λιθογραφία δέσμης ηλεκτρονίων για φωτονικούς κρυστάλλους σε λιθογραφία νανοαποτυπώματος για φωτονικούς κρυστάλλους. Η λιθογραφία με δέσμη ηλεκτρονίων είναι πολύ ακριβής, αλλά συνήθως πολύ αργή για μαζική παραγωγή. Η λιθογραφία νανοαποτύπωσης, η οποία βασικά αποτυπώνει ένα σχέδιο σε έναν ημιαγωγό, είναι πολύτιμη για τη γρήγορη δημιουργία πολύ κανονικών μοτίβων.
Ο Noda εξήγησε ότι στο μέλλον η ομάδα θα επεκτείνει περαιτέρω τη διάμετρο του λέιζερ από 3 mm σε 10 mm, μέγεθος που θα μπορούσε να παράγει 1 kW ισχύος εξόδου, αν και αυτός ο στόχος θα μπορούσε επίσης να επιτευχθεί με τη χρήση μιας συστοιχίας PCSEL 3 mm. Αναμένει ότι η ίδια τεχνολογία με τη συσκευή 3 mm θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για κλίμακα έως και 10 mm (η οποία αναμένεται να παράγει δέσμη 1 kW) και ότι η χρήση του ίδιου σχεδιασμού θα ήταν επαρκής.
