A nagyméretű gázlézerekkel és a szálas lézerekkel összehasonlítva a félvezető lézerek előnye a kis méret, a nagy energiahatékonyság, a nagy koherencia és a nagy vezérelhetőség. Azonban a félvezető anyagok, mint a munkaanyag, hogy készítsen gerjesztett emissziót a lézer, hanem megvannak a saját eredendő hibái: rossz hőmérsékleti jellemzők, könnyen generál zajt, a kimeneti fény diszperziója komoly. Ezeknek a hibáknak az egyik következménye, hogy - nehéz elérni a fényerőt vastag acél ipari minőségű vágásához stb.
A Nature folyóiratban múlt héten közzétett kutatási eredmény azonban várhatóan megtöri ezt a helyzetet, ami kulcsfontosságú előrelépés:
A jelentések szerint a japán Kiotói Egyetem kutatóinak csoportja, az IEEE munkatársa, Susumu Noda vezetésével, jelentős lépést tett előre a félvezető lézerek fényerősségének korlátainak leküzdésében a fotonikus kristályfelületet kibocsátó lézerek (PCSEL) szerkezetének megváltoztatásával.
A fotonikus kristályok szabályos, nanoméretű felfújható lyukakból állnak, amelyek egy félvezető lapon vannak perforálva. A fotonikus kristálylézerek az egyik „potenciális szereplők” a nagy fényerejű lézerek területén, de a mérnökök mindeddig nem tudták úgy felnevelni őket, hogy elég fényes nyalábokat biztosítsanak ahhoz, hogy tényleges fémvágásra és -feldolgozásra lehessen használni. A kutatók azon dolgoznak, hogy optimalizálják a félvezető lézerek teljesítményét, ideértve az energiaátalakítási hatékonyságot, a kimeneti teljesítményt, a sugár minőségét, a lézer energiaszintjét, a spektrális jellemzőket, a méretet, a nemkívánatos zaj- és hőkezeléssel szembeni robusztusságot, a megbízhatóságot stb. (Megjegyzés: A fényerő egy a lézer kimeneti teljesítményének és a sugár minőségének mértéke, amely magában foglalja a fénysugár fókuszának és divergenciájának mértékét. (A fémfeldolgozás küszöbértéke körülbelül 1 gigawatt/cm2.)
A fent említett, Susumu Noda akadémikus által vezetett kutatócsoport több mint 20 éves kutatási tapasztalatot halmozott fel a PCSEL fejlesztés terén. Ami a konkrét eredményeket illeti: 3 mm átmérőjű lézert tudtak kifejleszteni, ami 10-szeres területnövekedés a korábbi 1 mm átmérőjű PCSEL készülékekhez képest. Ennek az innovatív lézernek a kimeneti teljesítménye 50 W, ami jelentős növekedés az 1 mm-es PCSEL-ek 5-10W kimeneti teljesítményéhez képest. Ennek az új lézernek a fényereje hozzávetőlegesen 1 GW/cm2/str, ami elegendő számos olyan alkalmazáshoz, amelyet jelenleg a gáz- és szálas lézerek uralnak, mint például a precíziós intelligens gyártás az elektronikai és az autóiparban. Ez a magas fényerőszint elegendő speciálisabb alkalmazásokhoz is, mint például a műholdas kommunikáció és a műholdhajtás.
A fotonikus kristálylézerek méretének és fényerejének növelése során számos kihívással kell szembenézni. Pontosabban, a félvezető lézerek szűk keresztmetszetekbe ütköznek, amikor kibővítik a kibocsátási területüket: a szélesebb lézerterület azt jelenti, hogy van hely a fény folyamatos oszcillációinak a kibocsátási irányban és oldalirányban, valamint ezeknek az oldalirányú oszcillációknak (magasabb rendű módoknak/magasabb rendű módoknak is nevezik). ) pontosan a sugár minőségét rombolja le. Ezenkívül, ha a lézer folyamatosan működik, a lézer belsejében lévő hő megváltoztatja az eszköz törésmutatóját, ami a sugár minőségének további romlásához vezet.
A Susumu Noda kutatócsoportja által a legfontosabb áttörési pont az, hogy fotonikus kristályokat ágyaztak be a lézerbe, és módosították a belső reflexiós réteget, hogy lehetővé tegyék az egymódusú oszcillációt nagyobb területen, és kompenzálják a hőkárosodást. Ez a két változtatás lehetővé teszi a PCSEL számára, hogy folyamatos működés közben is megőrizze a magas sugárminőséget.
A fotonikus kristály beágyazásához a csapat lyukakból álló mintát tervezett a kristályrétegben, amely hatékonyan eltéríti a fényt, és nagyon kis eltérésű sugárnyalábot eredményezett. Nanoimprint litográfiát alkalmaztak a fotonikus kristályok előállításához, ezáltal felgyorsítva a termelést.
Egy tipikus fotonikus kristálylézerben ezek az üregek, amelyek törésmutatója különbözik a környező félvezetőtől, pontosan eltérítik a fényt a lézer belsejében. A Susumu Noda kutatócsoportja pedig úgy tervezte meg a kristályon lévő lyukak mintáját, hogy a fényt körkörös és elliptikus lyukak eltérítsék, amelyek egynegyed lézerhullámhossznyi távolságra maradnak egymástól. Végül ezek az elhajlások veszteségeket okoznak a magasabb rendű mintákban, ami jó minőségű nyalábot eredményez, szinte eltérés nélkül.
Ez a koncepció elég jó egy 1 mm-es lézerhez, de 3 mm-es területre való kiterjesztése további innovációt igényel. A nagyobb területen történő egymódusú oszcilláció elérése érdekében a kutatók beállították a lézer alján lévő reflektor helyzetét, ami függőleges irányban több nem kívánt módvesztést okozott.
Végül a Susumu Noda kutatócsoport azzal a problémával is foglalkozott, hogy a hő megváltoztatja az eszköz törésmutatóját, és a nyaláb szétválását okozza. Ezt a problémát úgy oldották meg, hogy kissé megváltoztatták a fotonikus kristályban lévő gázlyukak periódusát, hogy a lézer teljes teljesítménye mellett a megfelelő helyen legyenek.
Csapata létrehozta a Kiotói Egyetemen a Fotonikus Kristály Felületet Kibocsátó Lézerek Kiválósági Központját, amely 1,000m2 területen vesz részt, és több mint 85 vállalat és kutatóintézet vesz részt a PCSEL technológia fejlesztésében. A csapat iparosítja PCSEL tervezését tömeggyártásra.
Ennek a folyamatnak a részeként befejezték az átalakítást a fotonikus kristályok elektronsugaras litográfiájáról a fotonikus kristályok nanoimprint litográfiájára. Az elektronsugaras litográfia nagyon precíz, de általában túl lassú a tömeggyártáshoz. A nanoimprint litográfia, amely alapvetően egy mintát bélyeg egy félvezetőre, értékes a nagyon szabályos minták gyors létrehozásához.
Noda kifejtette, hogy a jövőben a csapat tovább bővíti a lézer átmérőjét 3 mm-ről 10 mm-re, amely méret 1 kW kimeneti teljesítményt tud produkálni, bár ez a cél egy 3 mm-es PCSEL-tömb használatával is elérhető. Arra számít, hogy a 3 mm-es készülékkel azonos technológiával akár 10 mm-re is méretezhető (ami várhatóan 1 kW-os nyalábot produkál), és elegendő lenne ugyanazt a konstrukciót használni.
