Palyginti su didelių gabaritų dujų lazeriais ir skaiduliniais lazeriais, puslaidininkiniai lazeriai turi mažo dydžio, didelio energijos vartojimo efektyvumo, didelio darnumo ir didelio valdomumo pranašumus. Tačiau puslaidininkinių medžiagų naudojimas kaip darbo medžiaga sužadintai lazerio spinduliuotei gaminti, tačiau taip pat turi savų būdingų defektų: prastos temperatūros charakteristikos, lengvai sukuriamas triukšmas, rimta išėjimo šviesos sklaida. Viena iš šių defektų pasekmių yra ta, kad - sunku pasiekti ryškumo lygį pramoniniam storo plieno pjovimui ir pan.
Tačiau galima tikėtis, kad praėjusią savaitę žurnale „Nature“ paskelbtas tyrimo rezultatas sulaužys šią situaciją, o tai yra pagrindinė pažanga:
Pranešama, kad Japonijos Kioto universiteto mokslininkų grupė, vadovaujama IEEE kolegos Susumu Noda, žengė didelį žingsnį į priekį, įveikdama puslaidininkinių lazerių ryškumo apribojimus, pakeisdama fotoninių kristalų paviršių spinduliuojančių lazerių (PCSEL) struktūrą.
Fotoniniai kristalai sudaryti iš įprastų, nanomastelio pripučiamų skylių, perforuotų puslaidininkiniame lakšte. Fotoniniai kristaliniai lazeriai yra vieni iš „potencialių žaidėjų“ didelio ryškumo lazerių srityje, tačiau iki šiol inžinieriai nesugebėjo jų sukurti taip, kad būtų pakankamai ryškūs spinduliai, kuriuos būtų galima naudoti metalo pjaustymui ir apdirbimui. Tyrėjai stengėsi optimizuoti puslaidininkinių lazerių veikimą, įskaitant galios konvertavimo efektyvumą, išėjimo galią, pluošto kokybę, lazerio energijos lygį, spektrines charakteristikas, dydį, atsparumą nepageidaujamam triukšmui ir šilumos valdymui, patikimumą ir kt. (Pastaba: ryškumas yra lazerio išėjimo galios ir pluošto kokybės matas, apimantis šviesos pluošto židinio ir divergencijos laipsnį. (Slenkstinė metalo apdirbimo vertė yra apie 1 gigavatas/cm2.)
Minėta akademiko Susumu Noda vadovaujama tyrėjų komanda sukaupė daugiau nei 20 metų PCSEL kūrimo tyrimų patirtį. Kalbant apie konkrečius rezultatus: jie sugebėjo sukurti 3 mm skersmens lazerį, o tai yra 10-karto didesnis plotas, palyginti su ankstesniais PCSEL įrenginiais, kurių skersmuo 1 mm. Šio naujoviško lazerio išėjimo galia yra 50 W, o tai yra žymiai didesnis nei 5-10W 1 mm PCSEL išvesties galia. Šio naujo lazerio ryškumas yra maždaug 1GW/cm2/str, o to pakanka įvairioms reikmėms, kuriose šiuo metu dominuoja dujiniai ir šviesolaidiniai lazeriai, pavyzdžiui, tiksliajai išmaniajai gamybai elektronikos ir automobilių pramonėje. Šio didelio ryškumo lygio taip pat pakanka konkretesnėms reikmėms, pvz., palydoviniam ryšiui ir palydoviniam varymui.
Didinant fotoninių kristalų lazerių dydį ir ryškumą, susiduriama su daugybe iššūkių. Konkrečiai kalbant, puslaidininkiniai lazeriai susiduria su kliūtimis, kai plečiamas jų spinduliavimo plotas: platesnis lazerio plotas reiškia, kad yra vietos nuolatiniams šviesos virpesiams spinduliavimo kryptimi ir į šonus bei šiems šoniniams virpesiams (žinomiems kaip aukštesnės eilės režimai / aukštesnės eilės režimai). ) sugadinti būtent sijos kokybę. Be to, jei lazeris veikia nepertraukiamai, lazerio viduje esanti šiluma pakeičia įrenginio lūžio rodiklį, todėl spindulio kokybė dar labiau pablogėja.
Pagrindinis „Susumu Noda“ tyrimo grupės proveržis yra tai, kad jie į lazerį įdėjo fotoninius kristalus ir modifikavo vidinį atspindžio sluoksnį, kad būtų galima vienmodžiai svyruoti didesniame plote ir kompensuoti šiluminę žalą. Šie du pakeitimai leidžia PCSEL išlaikyti aukštą šviesos kokybę net ir nepertraukiamo veikimo metu.
Norėdama įterpti fotoninį kristalą, komanda kristalų sluoksnyje sukūrė skylių modelį, kuris efektyviai nukreipia šviesą, todėl spindulys labai mažai skiriasi. Fotoniniams kristalams gaminti jie naudojo nanoimprinto litografiją ir taip pagreitino gamybą.
Tipiškame fotoniniame kristaliniame lazeryje šios ertmės, kurių lūžio rodiklis skiriasi nuo aplinkinio puslaidininkio, tiksliai nukreipia šviesą lazerio viduje. Susumu Noda tyrinėtojų komanda sukūrė kristalo skylių modelį taip, kad šviesą nukreiptų apskritos ir elipsės formos skylės, kurios viena nuo kitos lieka ketvirtadalio lazerio bangos ilgio atstumu. Galų gale dėl šių deformacijų aukštesnės eilės modeliai prarandami, todėl gaunamas aukštos kokybės spindulys, beveik nesiskiriantis.
Ši koncepcija yra pakankamai gera 1 mm lazeriui, tačiau norint ją išplėsti iki 3 mm ploto, reikia papildomų naujovių. Norėdami pasiekti vieno režimo virpesius didesniame plote, tyrėjai pakoregavo reflektoriaus padėtį lazerio apačioje, o tai sukėlė daugiau nepageidaujamo režimo praradimo vertikalia kryptimi.
Galiausiai „Susumu Noda“ tyrimų grupė taip pat sprendė problemą, kai šiluma keičia prietaiso lūžio rodiklį ir sukelia spindulio nukrypimą. Šią problemą jie išsprendė šiek tiek pakeitę fotoninio kristalo dujų skylių periodą, kad lazeriui veikiant visu pajėgumu jos būtų tinkamoje vietoje.
Jo komanda Kioto universitete įkūrė Fotoninių kristalų paviršių spinduliuojančių lazerių kompetencijos centrą, kurio plotas yra 1,000m2, o daugiau nei 85 įmonės ir tyrimų institutai dalyvauja kuriant PCSEL technologiją. Komanda industrializuoja savo PCSEL dizainą masinei gamybai.
Vykdydami šį procesą, jie baigė konvertuoti iš elektronų pluošto litografijos fotoniniams kristalams į nanoimprinto litografiją fotoniniams kristalams. Elektronų pluošto litografija yra labai tiksli, bet dažniausiai per lėta masinei gamybai. Nanoimprinto litografija, kuri iš esmės štampuoja raštą ant puslaidininkio, yra vertinga norint greitai sukurti labai įprastus raštus.
Noda paaiškino, kad ateityje komanda dar labiau padidins lazerio skersmenį nuo 3 mm iki 10 mm – tokio dydžio, kuris galėtų pagaminti 1 kW išėjimo galią, nors šį tikslą taip pat būtų galima pasiekti naudojant 3 mm PCSEL masyvą. Jis numato, kad ta pati technologija, kaip ir 3 mm prietaisas, galėtų būti naudojama iki 10 mm (tikimasi, kad būtų pagaminta 1 kW spindulys), ir pakaktų naudoti tą pačią konstrukciją.
