U usporedbi s glomaznim plinskim laserima i laserima s vlaknima, poluvodički laseri imaju prednosti male veličine, visoke energetske učinkovitosti, visoke koherencije i visoke mogućnosti upravljanja. Međutim, korištenje poluvodičkih materijala kao radnog materijala za proizvodnju pobuđene emisije lasera, ali također ima svoje inherentne nedostatke: loše temperaturne karakteristike, lako generiranje buke, izlazna svjetlosna disperzija ozbiljna. Jedna od posljedica ovih nedostataka je da je - teško postići razinu svjetline za industrijsko rezanje debelog čelika i tako dalje.
Međutim, može se očekivati da rezultati istraživanja objavljeni prošli tjedan u časopisu Nature razbiju ovu situaciju, što je ključni napredak:
Objavljeno je da je skupina istraživača sa Sveučilišta Kyoto u Japanu, predvođena suradnikom IEEE-a Susumuom Nodom, poduzela veliki korak naprijed u prevladavanju ograničenja svjetline poluvodičkih lasera promjenom strukture fotonskih kristalnih lasera koji emitiraju površinu (PCSEL).
Fotonski kristali sastoje se od pravilnih rupa na nanomjernoj razini perforiranih u poluvodičkom sloju. Laseri s fotonskim kristalima jedan su od "potencijalnih igrača" na polju lasera visoke svjetline, ali do sada ih inženjeri nisu uspjeli osmisliti da daju zrake dovoljno svijetle da se mogu koristiti za stvarno rezanje i obradu metala. Istraživači su radili na optimiziranju performansi poluvodičkih lasera, uključujući učinkovitost pretvorbe energije, izlaznu snagu, kvalitetu zrake, razinu energije lasera, spektralne karakteristike, veličinu, otpornost na neželjeni šum i toplinsko upravljanje, pouzdanost itd. (Napomena: Svjetlina je mjera izlazne snage lasera i kvalitete snopa, koja obuhvaća stupanj fokusa i divergencije snopa svjetlosti. (Granična vrijednost za obradu metala je oko 1 gigavat/cm2.)
Gore spomenuti istraživački tim predvođen akademikom Susumu Nodom prikupio je više od 20 godina istraživačkog iskustva u razvoju PCSEL-a. Što se tiče konkretnih rezultata: uspjeli su razviti laser promjera 3 mm, što je 10-struko povećanje površine u odnosu na prethodne PCSEL uređaje promjera 1 mm. Izlazna snaga ovog inovativnog lasera je 50 W, što je značajno povećanje u usporedbi s 5-10 W izlaznom snagom 1 mm PCSEL-a. Svjetlina ovog novog lasera je približno 1 GW/cm2/str, što je dovoljno za niz primjena kojima trenutno dominiraju plinski i vlaknasti laseri, kao što je precizna pametna proizvodnja u elektroničkoj i automobilskoj industriji. Ova visoka razina svjetline također je dovoljna za specifičnije primjene kao što su satelitske komunikacije i satelitski pogon.
Pri povećanju veličine i svjetline lasera s fotonskim kristalima nailazi se na brojne izazove. Konkretno, poluvodički laseri nailaze na uska grla kada se njihovo područje emisije proširi: šire područje lasera znači da postoji prostor za kontinuirane oscilacije svjetlosti u smjeru emisije i bočno, a te bočne oscilacije (poznate kao modovi višeg reda/modovi višeg reda ) uništavaju upravo kvalitetu grede. Osim toga, ako laser radi kontinuirano, toplina unutar lasera mijenja indeks loma uređaja, što dovodi do daljnjeg pogoršanja kvalitete zrake.
Ključno otkriće koje je donio istraživački tim Susumua Node je to što su ugradili fotonske kristale u laser i modificirali sloj unutarnje refleksije kako bi omogućili jednomodnu oscilaciju na većem području i kompenzirali toplinsku štetu. Ove dvije promjene omogućuju PCSEL-u da zadrži visoku kvalitetu snopa čak i tijekom neprekidnog rada.
Kako bi ugradili fotonski kristal, tim je dizajnirao uzorak rupa u kristalnom sloju koji odbija svjetlost na učinkovit način, što rezultira snopom s vrlo malom divergencijom. Koristili su nanoimprint litografiju za izradu fotonskih kristala, čime su ubrzali proizvodnju.
U tipičnom fotonskom kristalnom laseru, ove šupljine, koje imaju drugačiji indeks loma od okolnog poluvodiča, skreću svjetlost unutar lasera na precizan način. Istraživački tim Susumua Node dizajnirao je uzorak rupa u kristalu tako da svjetlost odbija skup kružnih i eliptičnih rupa koje ostaju jedna od druge udaljene jednu četvrtinu laserske valne duljine. Na kraju, ova otklona uzrokuju gubitke u uzorcima višeg reda, što rezultira visokokvalitetnim snopom gotovo bez divergencije.
Ovaj koncept je dovoljno dobar za laser od 1 mm, ali njegovo proširenje na područje od 3 mm zahtijeva daljnje inovacije. Kako bi se postigla jednomodna oscilacija na većem području, istraživači su prilagodili položaj reflektora na dnu lasera, što je uzrokovalo veći neželjeni gubitak moda u okomitom smjeru.
Konačno, istraživački tim Susumu Noda bavio se i problemom topline koja mijenja indeks loma uređaja i uzrokuje odstupanje zrake. Taj su problem riješili tako što su lagano promijenili period plinskih rupa u fotonskom kristalu tako da se nađu na pravom mjestu kada laser radi punom snagom.
Njegov tim osnovao je Centar izvrsnosti za fotonske kristalne površinske emitirajuće lasere na Sveučilištu u Kyotu, koji se prostire na površini od 1,000m2, a više od 85 tvrtki i istraživačkih instituta uključeno je u razvoj PCSEL tehnologije. Tim industrijalizira svoj PCSEL dizajn za masovnu proizvodnju.
Kao dio ovog procesa, dovršili su pretvorbu s 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 pravilnih uzoraka.
Noda je objasnio da će tim u budućnosti dodatno proširiti promjer lasera s 3 mm na 10 mm, veličine koja bi mogla proizvesti 1 kW izlazne snage, iako bi se ovaj cilj mogao postići i korištenjem niza od 3 mm PCSEL-a. On predviđa da bi se ista tehnologija kao uređaj od 3 mm mogla koristiti za skaliranje do 10 mm (za koji se očekuje da će proizvesti zraku od 1 kW), te da bi korištenje istog dizajna bilo dovoljno.
