در مقایسه با لیزرهای گازی حجیم و لیزرهای فیبر، لیزرهای نیمه هادی دارای مزایای اندازه کوچک، راندمان انرژی بالا، انسجام بالا و قابلیت کنترل بالا هستند. با این حال، استفاده از مواد نیمه هادی به عنوان مواد کار برای تولید انتشار برانگیخته لیزر، بلکه دارای نقص های ذاتی خود است: ویژگی های دمای ضعیف، تولید آسان نویز، پراکندگی نور خروجی جدی است. یکی از پیامدهای این عیوب این است که - دستیابی به سطح روشنایی برای برش صنعتی فولاد ضخیم و غیره دشوار است.
با این حال، یک نتیجه تحقیقاتی که هفته گذشته در مجله Nature منتشر شد، ممکن است انتظار داشته باشد که این وضعیت را شکست دهد، یک پیشرفت کلیدی:
گزارش شده است که گروهی از محققان دانشگاه کیوتو در ژاپن به رهبری سوسومو نودا، عضو IEEE، با تغییر ساختار لیزرهای ساطع کننده سطح کریستال فوتونی (PCSEL) گام بزرگی در غلبه بر محدودیت های روشنایی لیزرهای نیمه هادی برداشته اند.
بلورهای فوتونیک از سوراخ‌های بادی منظم در مقیاس نانو تشکیل شده‌اند که در یک ورقه نیمه‌رسانا سوراخ شده‌اند. لیزرهای کریستال فوتونیک یکی از "بازیگران بالقوه" در زمینه لیزرهای با درخشندگی بالا هستند، اما تا به حال، مهندسان نتوانسته‌اند آنها را به گونه‌ای بیاورند که پرتوهای آنقدر روشن باشند که برای برش و پردازش واقعی فلز استفاده شود. محققان برای بهینه سازی عملکرد لیزرهای نیمه هادی از جمله راندمان تبدیل توان، توان خروجی، کیفیت پرتو، سطح انرژی لیزر، ویژگی های طیفی، اندازه، استحکام در برابر نویزهای نامطلوب و مدیریت حرارتی، قابلیت اطمینان و غیره تلاش کرده اند (نکته: روشنایی یک اندازه گیری توان خروجی لیزر و کیفیت پرتو، که درجه تمرکز و واگرایی یک پرتو نور را در بر می گیرد. (مقدار آستانه برای پردازش فلز حدود 1 گیگاوات بر سانتی متر مربع است.)
تیم تحقیقاتی فوق به رهبری آکادمیسین سوسومو نودا بیش از 20 سال تجربه تحقیقاتی در توسعه PCSEL انباشته است. از نظر نتایج بتن: آنها توانستند لیزری با قطر 3 میلی‌متر ایجاد کنند که نسبت به دستگاه‌های PCSEL قبلی با قطر 1 میلی‌متر، 10-برابر افزایش مساحت دارد. توان خروجی این لیزر نوآورانه 50 وات است که در مقایسه با توان خروجی 5-10W 1 میلی متر PCSEL افزایش قابل توجهی دارد. روشنایی این لیزر جدید تقریباً 1GW/cm2/str است که برای طیف وسیعی از کاربردهایی که در حال حاضر تحت سلطه لیزرهای گازی و فیبر هستند، مانند تولید هوشمند دقیق در صنایع الکترونیک و خودرو کافی است. این سطح روشنایی بالا برای کاربردهای خاص تری مانند ارتباطات ماهواره ای و پیشرانه ماهواره ای نیز کافی است.
در افزایش اندازه و روشنایی لیزرهای کریستال فوتونیک، تعدادی از چالش ها مواجه می شوند. به طور خاص، لیزرهای نیمه رسانا زمانی که ناحیه انتشارشان گسترش می‌یابد با گلوگاه‌ها مواجه می‌شوند: یک ناحیه لیزری وسیع‌تر به این معنی است که فضایی برای نوسانات مداوم نور در جهت انتشار و جانبی وجود دارد، و این نوسانات جانبی (معروف به حالت‌های مرتبه بالاتر/حالت‌های مرتبه بالاتر). ) دقیقاً کیفیت تیر را از بین می برد. علاوه بر این، اگر لیزر تحت کار مداوم قرار گیرد، گرمای داخل لیزر ضریب شکست دستگاه را تغییر می دهد و منجر به بدتر شدن بیشتر کیفیت پرتو می شود.
نقطه پیشرفت کلیدی توسط تیم تحقیقاتی Susumu Noda این است که آنها کریستال‌های فوتونی را در لیزر جاسازی کرده‌اند و لایه بازتاب داخلی را اصلاح کرده‌اند تا نوسان تک حالته را در یک منطقه بزرگتر و برای جبران آسیب‌های حرارتی فراهم کند. این دو تغییر به PCSEL اجازه می دهد تا کیفیت پرتو بالا را حتی در حین کار مداوم حفظ کند.
برای جاسازی کریستال فوتونیک، تیم الگویی از سوراخ‌ها در لایه کریستالی طراحی کردند که نور را به روشی کارآمد منحرف می‌کند و در نتیجه پرتویی با واگرایی بسیار کم ایجاد می‌کند. آنها از لیتوگرافی نانوامپرینت برای ساخت بلورهای فوتونی استفاده کردند و در نتیجه سرعت تولید را افزایش دادند.
در لیزر کریستال فوتونیک معمولی، این حفره ها که دارای ضریب شکست متفاوتی نسبت به نیمه هادی اطراف هستند، نور داخل لیزر را به روشی دقیق منحرف می کنند. و تیم تحقیقاتی Susumu Noda الگوی سوراخ‌ها را در کریستال طراحی کردند تا نور توسط مجموعه‌ای از سوراخ‌های دایره‌ای و بیضی شکل که یک چهارم طول موج لیزر از یکدیگر فاصله دارند منحرف شود. در نهایت، این انحرافات باعث تلفات در الگوهای مرتبه بالاتر می شود و در نتیجه تیری با کیفیت بالا و تقریباً بدون واگرایی ایجاد می شود.
این مفهوم برای لیزر 1 میلی متری به اندازه کافی خوب است، اما گسترش آن به ناحیه 3 میلی متری نیاز به نوآوری بیشتری دارد. برای دستیابی به نوسان تک حالته در یک منطقه بزرگتر، محققان موقعیت بازتابنده را در پایین لیزر تنظیم کردند که باعث از دست دادن حالت ناخواسته بیشتر در جهت عمودی شد.
در نهایت، تیم تحقیقاتی Susumu Noda همچنین به مشکل تغییر گرما در ضریب شکست دستگاه و واگرایی پرتو پرداختند. آنها این مشکل را با کمی تغییر دوره سوراخ های گاز در کریستال فوتونی حل کردند تا زمانی که لیزر با قدرت کامل است در مکان مناسب قرار گیرند.
تیم او مرکز عالی لیزرهای ساطع کننده سطح کریستال فوتونیک را در دانشگاه کیوتو تأسیس کرده است که مساحتی معادل 1،000 متر مربع را پوشش می دهد و بیش از 85 شرکت و مؤسسه تحقیقاتی در توسعه فناوری PCSEL مشارکت دارند. این تیم در حال صنعتی کردن طرح PCSEL خود برای تولید انبوه است.
به عنوان بخشی از این فرآیند، آنها تبدیل از لیتوگرافی پرتو الکترونی برای بلورهای فوتونی به لیتوگرافی نانومنت برای بلورهای فوتونی را تکمیل کردند. لیتوگرافی پرتو الکترونی بسیار دقیق است، اما معمولا برای تولید انبوه بسیار کند است. لیتوگرافی Nanoimprint، که اساساً یک الگو را بر روی یک نیمه هادی مهر می کند، برای ایجاد سریع الگوهای بسیار منظم ارزشمند است.
نودا توضیح داد که در آینده این تیم قطر لیزر را از 3 میلی‌متر به 10 میلی‌متر افزایش خواهد داد، اندازه‌ای که می‌تواند 1 کیلووات توان خروجی تولید کند، اگرچه این هدف می‌تواند با استفاده از آرایه‌ای از PCSELهای 3 میلی‌متری نیز محقق شود. او پیش‌بینی می‌کند که می‌توان از فناوری مشابه دستگاه 3 میلی‌متری برای مقیاس‌بندی تا 10 میلی‌متر (که انتظار می‌رود یک پرتوی 1 کیلوواتی تولید کند) استفاده کرد و استفاده از همان طراحی کافی است.
