En comparació amb els làsers de gas voluminosos i els làsers de fibra, els làsers de semiconductors tenen els avantatges de mida petita, alta eficiència energètica, alta coherència i alta controlabilitat. Tanmateix, l'ús de materials semiconductors com a material de treball per produir l'emissió excitada del làser, però també té els seus propis defectes inherents: característiques de temperatura pobres, fàcil de generar soroll, la dispersió de la llum de sortida greu. Una de les conseqüències d'aquests defectes és que és difícil aconseguir el nivell de brillantor per al tall de grau industrial d'acer gruixut, etc.
Tanmateix, es pot esperar que un resultat de la investigació publicat la setmana passada a la revista Nature trenca aquesta situació, un progrés clau:
S'ha informat que un grup d'investigadors de la Universitat de Kyoto al Japó, liderat pel becari de l'IEEE Susumu Noda, ha fet un gran pas endavant en la superació de les limitacions de brillantor dels làsers semiconductors canviant l'estructura dels làsers d'emissió de superfície de cristall fotònic (PCSEL).
Els cristalls fotònics estan formats per forats inflables regulars a nanoescala perforats en una làmina semiconductora. Els làsers de cristall fotònic són un dels "actors potencials" en el camp dels làsers d'alta brillantor, però fins ara, els enginyers no han estat capaços d'aixecar-los per proporcionar feixos prou brillants per ser utilitzats per al tall i processament de metalls reals. Els investigadors han estat treballant per optimitzar el rendiment dels làsers de semiconductors, inclosa l'eficiència de conversió de potència, la potència de sortida, la qualitat del feix, el nivell d'energia del làser, les característiques espectrals, la mida, la robustesa davant el soroll no desitjat i la gestió tèrmica, la fiabilitat, etc. (Nota: la brillantor és un mesura de la potència de sortida del làser i la qualitat del feix, que inclou el grau d'enfocament i la divergència d'un feix de llum. (El valor llindar per al processament de metalls és d'aproximadament 1 gigawatt/cm2).
L'esmentat equip de recerca dirigit per l'acadèmic Susumu Noda ha acumulat més de 20 anys d'experiència en recerca en desenvolupament de PCSEL. Pel que fa als resultats concrets: van ser capaços de desenvolupar un làser amb un diàmetre de 3 mm, que és un 10-augment d'àrea respecte als dispositius PCSEL anteriors amb un diàmetre d'1 mm. La potència de sortida d'aquest làser innovador és de 50 W, la qual cosa suposa un augment significatiu en comparació amb la potència de sortida de 5-10W dels PCSEL d'1 mm. La brillantor d'aquest nou làser és d'aproximadament 1 GW/cm2/str, la qual cosa és suficient per a una sèrie d'aplicacions actualment dominades pels làsers de gas i fibra, com ara la fabricació intel·ligent de precisió a les indústries d'electrònica i automoció. Aquest alt nivell de brillantor també és suficient per a aplicacions més específiques com les comunicacions per satèl·lit i la propulsió per satèl·lit.
En augmentar la mida i la brillantor dels làsers de cristall fotònic, es troben diversos reptes. Concretament, els làsers de semiconductors es troben amb colls d'ampolla quan s'amplia la seva àrea d'emissió: una àrea làser més àmplia significa que hi ha espai per a oscil·lacions contínues de la llum en la direcció d'emissió i lateralment, i aquestes oscil·lacions laterals (conegudes com a modes d'ordre superior/modes d'ordre superior). ) destrueixen precisament la qualitat del feix. A més, si el làser funciona contínuament, la calor a l'interior del làser canvia l'índex de refracció del dispositiu, provocant un major deteriorament de la qualitat del feix.
El punt d'avenç clau aportat per l'equip d'investigació de Susumu Noda és que han incrustat cristalls fotònics al làser i han modificat la capa de reflexió interna per permetre l'oscil·lació en mode únic sobre una àrea més gran i per compensar els danys tèrmics. Aquests dos canvis permeten que el PCSEL mantingui una alta qualitat del feix fins i tot durant el funcionament continu.
Per incrustar el cristall fotònic, l'equip va dissenyar un patró de forats a la capa de cristall que desvia la llum d'una manera eficient, donant lloc a un feix amb molt poca divergència. Van utilitzar litografia de nanoempremta per fabricar els cristalls fotònics, accelerant així la producció.
En un làser de cristall fotònic típic, aquestes cavitats, que tenen un índex de refracció diferent del del semiconductor circumdant, desvien la llum dins del làser d'una manera precisa. I l'equip d'investigació de Susumu Noda va dissenyar el patró de forats al cristall perquè la llum fos desviada per un conjunt de forats circulars i el·líptics que es mantenen a una quarta part de la longitud d'ona làser els uns dels altres. Finalment, aquestes desviacions causen pèrdues en els patrons d'ordre superior, donant lloc a un feix d'alta qualitat gairebé sense divergència.
Aquest concepte és prou bo per a un làser d'1 mm, però estendre'l a una àrea de 3 mm requereix més innovació. Per aconseguir una oscil·lació monomode sobre una àrea més gran, els investigadors van ajustar la posició del reflector a la part inferior del làser, cosa que va provocar una pèrdua de mode més no desitjada en la direcció vertical.
Finalment, l'equip d'investigació de Susumu Noda també va abordar el problema de la calor que canviava l'índex de refracció del dispositiu i feia que el feix divergís. Van resoldre aquest problema canviant lleugerament el període dels forats de gas al cristall fotònic perquè estiguessin al lloc correcte quan el làser estigui a plena potència.
El seu equip ha establert el Centre d'Excel·lència per a làsers d'emissió de superfícies de cristall fotònic a la Universitat de Kyoto, que cobreix una àrea d'1,000m2, i més de 85 empreses i instituts de recerca participen en el desenvolupament de la tecnologia PCSEL. L'equip està industrialitzant el seu disseny PCSEL per a la producció en massa.
Com a part d'aquest procés, han completat la conversió de la litografia de feix d'electrons per a cristalls fotònics a la litografia de nanoempremta per a cristalls fotònics. La litografia amb feix d'electrons és molt precisa, però normalment massa lenta per a la producció en massa. La litografia de nanoimpressió, que bàsicament estampa un patró en un semiconductor, és valuosa per crear patrons molt regulars ràpidament.
Noda va explicar que en el futur l'equip ampliarà encara més el diàmetre del làser de 3 mm a 10 mm, una mida que podria produir 1 kW de potència de sortida, tot i que aquest objectiu també es podria aconseguir utilitzant una matriu de PCSEL de 3 mm. Preveu que es podria utilitzar la mateixa tecnologia que el dispositiu de 3 mm per escalar fins a 10 mm (que s'espera que produeixi un feix d'1 kW) i que amb el mateix disseny seria suficient.
