Hacimli gaz lazerleri ve fiber lazerlerle karşılaştırıldığında, yarı iletken lazerler küçük boyut, yüksek enerji verimliliği, yüksek tutarlılık ve yüksek kontrol edilebilirlik avantajlarına sahiptir. Bununla birlikte, lazerin uyarılmış emisyonunu üretmek için çalışma malzemesi olarak yarı iletken malzemelerin kullanılması, aynı zamanda kendi doğal kusurlarına da sahiptir: zayıf sıcaklık özellikleri, gürültü oluşturması kolay, çıkış ışığı dağılımı ciddi. Bu kusurların sonuçlarından biri, - kalın çelik vb. endüstriyel sınıf kesim için parlaklık düzeyine ulaşmanın zor olmasıdır.
Ancak Nature dergisinde geçen hafta yayınlanan bir araştırma sonucunun bu durumu kırması beklenebilir, önemli bir gelişme::
IEEE Üyesi Susumu Noda liderliğindeki Japonya'daki Kyoto Üniversitesi'ndeki bir grup araştırmacının, fotonik kristal yüzey yayan lazerlerin (PCSEL'ler) yapısını değiştirerek yarı iletken lazerlerin parlaklık sınırlamalarını aşmak için büyük bir adım attığı bildiriliyor.
Fotonik kristaller, yarı iletken bir levhada delikli düzenli, nano ölçekli şişirilebilir deliklerden oluşur. Fotonik kristal lazerler, yüksek parlaklıktaki lazerler alanındaki "potansiyel oyunculardan" biridir, ancak şimdiye kadar mühendisler, gerçek metal kesme ve işleme için kullanılacak kadar parlak ışınlar sağlamak için bunları ortaya çıkaramadılar. Araştırmacılar, güç dönüştürme verimliliği, çıkış gücü, ışın kalitesi, lazer enerji seviyesi, spektral özellikler, boyut, istenmeyen gürültü ve termal yönetime karşı sağlamlık, güvenilirlik vb. dahil olmak üzere yarı iletken lazerlerin performansını optimize etmek için çalışıyorlar (Not: Parlaklık, bir bir ışık huzmesinin odak ve sapma derecesini kapsayan lazer çıkış gücü ve ışın kalitesinin ölçüsü (Metal işleme için eşik değer yaklaşık 1 gigawatt/cm2'dir.)
Akademisyen Susumu Noda liderliğindeki yukarıda belirtilen araştırma ekibi, PCSEL geliştirme konusunda 20 yıldan fazla araştırma deneyimi biriktirmiştir. Somut sonuçlar açısından: 3 mm çapında bir lazer geliştirebildiler; bu, 1 mm çapındaki önceki PCSEL cihazlarına göre 10- kat artış anlamına geliyor. Bu yenilikçi lazerin çıkış gücü, 1 mm PCSEL'lerin 5-10W çıkış gücüne kıyasla önemli bir artış olan 50 W'tır. Bu yeni lazerin parlaklığı yaklaşık 1GW/cm2/str'dir ve bu, elektronik ve otomotiv endüstrilerinde hassas akıllı üretim gibi şu anda gaz ve fiber lazerlerin hakim olduğu bir dizi uygulama için yeterlidir. Bu yüksek parlaklık seviyesi, uydu iletişimi ve uydu tahriki gibi daha spesifik uygulamalar için de yeterlidir.
Fotonik kristal lazerlerin boyutunu ve parlaklığını arttırmada bir takım zorluklarla karşılaşılmaktadır. Spesifik olarak, yarı iletken lazerler, emisyon alanları genişletildiğinde darboğazlarla karşılaşır: daha geniş bir lazer alanı, emisyon yönünde ve yanal olarak ışığın sürekli salınımlarına ve bu yanal salınımlara (Yüksek Dereceli Modlar/Yüksek Dereceli Modlar olarak bilinir) yer olduğu anlamına gelir. ) kirişin kalitesini kesin olarak yok eder. Ayrıca lazer sürekli çalışırsa lazerin içindeki ısı cihazın kırılma indisini değiştirerek ışın kalitesinin daha da bozulmasına yol açar.
Susumu Noda'nın araştırma ekibinin getirdiği önemli atılım noktası, lazere fotonik kristaller yerleştirmeleri ve daha geniş bir alan üzerinde tek modlu salınımı mümkün kılmak ve termal hasarı telafi etmek için dahili yansıma katmanını değiştirmeleridir. Bu iki değişiklik, PCSEL'in sürekli çalışma sırasında bile yüksek ışın kalitesini korumasına izin verir.
Fotonik kristali gömmek için ekip, kristal katmanda ışığı verimli bir şekilde saptıran ve çok az sapmaya sahip bir ışınla sonuçlanan bir delik modeli tasarladı. Fotonik kristalleri imal etmek için nanoimprint litografi kullandılar, böylece üretimi hızlandırdılar.
Tipik bir fotonik kristal lazerde, çevreleyen yarı iletkenden farklı bir kırılma indeksine sahip olan bu boşluklar, lazerin içindeki ışığı hassas bir şekilde saptırır. Ve Susumu Noda'nın araştırma ekibi kristaldeki deliklerin modelini tasarladı, böylece ışık birbirinden bir lazer dalga boyunun dörtte biri kadar uzakta kalan bir dizi dairesel ve eliptik delik tarafından saptırılacaktı. Sonunda, bu sapmalar, yüksek dereceli modellerde kayıplara neden olarak, neredeyse hiç sapma olmayan yüksek kaliteli bir kirişle sonuçlanır.
Bu konsept 1 mm'lik bir lazer için yeterince iyidir, ancak onu 3 mm'lik bir alana genişletmek daha fazla yenilik gerektirir. Araştırmacılar, daha geniş bir alanda tek modlu salınım elde etmek için lazerin altındaki reflektörün konumunu ayarlayarak dikey yönde daha fazla istenmeyen mod kaybına neden oldu.
Son olarak, Susumu Noda araştırma ekibi, cihazın kırılma indisini değiştiren ve ışının sapmasına neden olan ısı sorununu da ele aldı. Lazer tam güçteyken doğru yerde olmaları için fotonik kristaldeki gaz deliklerinin periyodunu biraz değiştirerek bu sorunu çözdüler.
Ekibi, Kyoto Üniversitesi'nde 1,{1}}m2'lik bir alanı kapsayan Fotonik Kristal Yüzey Yayan Lazerler Mükemmeliyet Merkezi'ni kurmuştur ve PCSEL teknolojisinin geliştirilmesinde 85'ten fazla şirket ve araştırma enstitüsü yer almaktadır. Ekip, PCSEL tasarımını seri üretim için endüstriyelleştiriyor.
Bu sürecin bir parçası olarak, fotonik kristaller için elektron ışını litografisinden fotonik kristaller için nanoimprint litografiye dönüşümü tamamladılar. Elektron ışını litografi çok hassastır, ancak genellikle seri üretim için çok yavaştır. Temel olarak bir yarı iletken üzerine bir desen damgalayan nanoimprint litografi, hızlı bir şekilde çok düzenli desenler oluşturmak için değerlidir.
Noda, gelecekte ekibin lazerin çapını 3 mm'den 10 mm'ye çıkaracağını, bu boyutun 1 kW çıkış gücü üretebileceğini, ancak bu amaca 3 mm'lik bir PCSEL dizisi kullanılarak da ulaşılabileceğini açıkladı. 3 mm cihazla aynı teknolojinin 10 mm'ye kadar ölçeklendirmek için kullanılabileceğini (1 kW ışın üretmesi bekleniyor) ve aynı tasarımı kullanmanın yeterli olacağını tahmin ediyor.
