U poređenju sa glomaznim gasnim laserima i laserima sa vlaknima, poluprovodnički laseri imaju prednosti male veličine, visoke energetske efikasnosti, visoke koherentnosti i visoke kontrole. Međutim, upotreba poluvodičkih materijala kao radnog materijala za proizvodnju pobuđene emisije lasera, ali također ima svoje inherentne nedostatke: loše temperaturne karakteristike, lako stvaranje buke, ozbiljna disperzija izlaznog svjetla. Jedna od posljedica ovih nedostataka je da - teško je postići nivo svjetline za industrijsko sečenje debelog čelika i tako dalje.
Međutim, može se očekivati da će rezultat istraživanja objavljen prošle sedmice u časopisu Nature prekinuti ovu situaciju, što je ključni napredak:
Izvještava se da je grupa istraživača na Univerzitetu Kyoto u Japanu, predvođena IEEE saradnikom Susumuom Nodom, napravila veliki korak naprijed u prevazilaženju ograničenja svjetline poluvodičkih lasera promjenom strukture lasera koji emituju površinu fotonskih kristala (PCSEL).
Fotonski kristali se sastoje od pravilnih, nanorazmjernih rupa na naduvavanje perforiranih u poluvodičkom listu. Fotonski kristalni laseri su jedan od "potencijalnih igrača" u polju lasera velike svjetlosti, ali do sada, inženjeri nisu bili u mogućnosti da ih podignu da obezbijede dovoljno svijetle zrake da se koriste za stvarno rezanje i obradu metala. Istraživači su radili na optimizaciji performansi poluvodičkih lasera, uključujući efikasnost konverzije energije, izlaznu snagu, kvalitet snopa, nivo laserske energije, spektralne karakteristike, veličinu, robusnost na nepoželjnu buku i upravljanje toplotom, pouzdanost, itd. (Napomena: Svjetlina je mjera izlazne snage lasera i kvaliteta snopa, koja obuhvata stepen fokusa i divergencije snopa svjetlosti (Vrijednost praga za obradu metala je oko 1 gigavat/cm2.)
Gore pomenuti istraživački tim na čelu sa akademikom Susumu Nodom akumulirao je više od 20 godina istraživačkog iskustva u razvoju PCSEL-a. Što se tiče konkretnih rezultata: uspjeli su razviti laser prečnika 3 mm, što je 10-putostruko povećanje površine u odnosu na prethodne PCSEL uređaje prečnika 1 mm. Izlazna snaga ovog inovativnog lasera je 50W, što je značajno povećanje u poređenju sa 5-10W izlaznom snagom PCSEL-a od 1 mm. Svjetlina ovog novog lasera je približno 1GW/cm2/str, što je dovoljno za niz aplikacija u kojima trenutno dominiraju plinski laseri i laseri s vlaknima, kao što je precizna pametna proizvodnja u elektronskoj i automobilskoj industriji. Ovaj visoki nivo svjetline je također dovoljan za specifičnije primjene kao što su satelitske komunikacije i satelitski pogon.
U povećanju veličine i svjetline lasera s fotonskim kristalima nailazi se na niz izazova. Konkretno, poluvodički laseri nailaze na uska grla kada im se širi emisiono područje: šire područje lasera znači da postoji prostor za kontinuirane oscilacije svjetlosti u smjeru emisije i bočno, a te lateralne oscilacije (poznate kao modovi višeg reda/modovi višeg reda ) uništavaju upravo kvalitet zraka. Osim toga, ako laser radi kontinuirano, toplina unutar lasera mijenja indeks prelamanja uređaja, što dovodi do daljeg pogoršanja kvalitete zraka.
Ključna tačka proboja koju je doneo istraživački tim Susumu Noda je to što su ugradili fotonske kristale u laser i modifikovali unutrašnji reflektivni sloj kako bi omogućili jednomodnu oscilaciju na većoj površini i kompenzirali termička oštećenja. Ove dvije promjene omogućavaju PCSEL-u da održi visok kvalitet zraka čak i tokom kontinuiranog rada.
Da bi ugradio fotonski kristal, tim je dizajnirao uzorak rupa u sloju kristala koji odbija svjetlost na efikasan način, što rezultira snopom sa vrlo malo divergencije. Koristili su litografiju nanoimprinta za proizvodnju fotonskih kristala, čime su ubrzali proizvodnju.
U tipičnom laseru s fotonskim kristalima, ove šupljine, koje imaju drugačiji indeks loma od okolnog poluvodiča, odbijaju svjetlost unutar lasera na precizan način. Istraživački tim Susumu Node dizajnirao je uzorak rupa u kristalu tako da svjetlost bude odbijena nizom kružnih i eliptičnih rupa koje ostaju jedna četvrtina laserske talasne dužine udaljene jedna od druge. Na kraju, ova otklona uzrokuju gubitke u obrascima višeg reda, što rezultira visokokvalitetnim snopom bez gotovo nikakve divergencije.
Ovaj koncept je dovoljno dobar za laser od 1 mm, ali njegovo proširenje na područje od 3 mm zahtijeva daljnje inovacije. Da bi postigli jednomodnu oscilaciju na većoj površini, istraživači su podesili položaj reflektora na dnu lasera, što je uzrokovalo više neželjenih gubitaka moda u vertikalnom smjeru.
Konačno, istraživački tim Susumu Noda također se pozabavio problemom promjene indeksa prelamanja uređaja toplinom i izazivanja diverzije zraka. Ovaj problem su riješili tako što su malo promijenili period plinskih rupa u fotonskom kristalu tako da su na pravom mjestu kada je laser u punoj snazi.
Njegov tim je osnovao Centar izvrsnosti za lasere koji emituju površinu fotonskih kristala na Univerzitetu Kyoto, koji pokriva površinu od 1,000m2, a više od 85 kompanija i istraživačkih instituta je uključeno u razvoj PCSEL tehnologije. Tim industrijalizuje svoj PCSEL dizajn za masovnu proizvodnju.
Kao dio ovog procesa, oni su završili konverziju od litografije elektronskim snopom za fotonske kristale u nanoimprint litografiju za fotonske kristale. Litografija elektronskim snopom je vrlo precizna, ali obično prespora za masovnu proizvodnju. Nanoimprint litografija, koja u osnovi utiskuje uzorak na poluvodič, vrijedna je za brzo stvaranje vrlo pravilnih uzoraka.
Noda je objasnio da će tim u budućnosti dodatno proširiti prečnik lasera sa 3 mm na 10 mm, veličinu koja bi mogla proizvesti 1 kW izlazne snage, iako bi se ovaj cilj mogao postići i korištenjem niza PCSEL-a od 3 mm. On predviđa da bi se ista tehnologija kao i uređaj od 3 mm mogla koristiti za skaliranje do 10 mm (što se očekuje da proizvede snop od 1 kW), te da bi korištenje istog dizajna bilo dovoljno.
