Salīdzinot ar lielgabarīta gāzes lāzeriem un šķiedru lāzeriem, pusvadītāju lāzeriem ir maza izmēra priekšrocības, augsta energoefektivitāte, augsta saskaņotība un augsta vadāmība. Tomēr pusvadītāju materiālu izmantošanai kā darba materiālam, lai radītu ierosinātu lāzera emisiju, ir arī savi raksturīgi defekti: sliktas temperatūras īpašības, viegli ģenerējams troksnis, nopietna izejas gaismas izkliede. Viena no šo defektu sekām ir tā, ka - ir grūti sasniegt spilgtuma līmeni rūpnieciskai bieza tērauda griešanai utt.
Tomēr sagaidāms, ka pagājušajā nedēļā žurnālā Nature publicētais pētījuma rezultāts izjauks šo situāciju, kas ir galvenais progress:
Tiek ziņots, ka Japānas Kioto universitātes pētnieku grupa IEEE biedra Susumu Noda vadībā ir spērusi lielu soli uz priekšu pusvadītāju lāzeru spilgtuma ierobežojumu pārvarēšanā, mainot fotonisko kristālu virsmu izstarojošo lāzeru (PCSEL) struktūru.
Fotoniskie kristāli sastāv no regulāriem, nanomēroga piepūšamiem caurumiem, kas perforēti pusvadītāju loksnē. Fotonisko kristālu lāzeri ir viens no "potenciālajiem spēlētājiem" augsta spilgtuma lāzeru jomā, taču līdz šim inženieri nav spējuši tos audzināt, lai nodrošinātu pietiekami spilgtus starus, lai tos izmantotu faktiskai metāla griešanai un apstrādei. Pētnieki ir strādājuši, lai optimizētu pusvadītāju lāzeru veiktspēju, tostarp jaudas pārveidošanas efektivitāti, izejas jaudu, stara kvalitāti, lāzera enerģijas līmeni, spektrālās īpašības, izmēru, noturību pret nevēlamu troksni un siltuma pārvaldību, uzticamību utt. (Piezīme: spilgtums ir Lāzera izejas jaudas un staru kūļa kvalitātes mērs, kas ietver gaismas stara fokusa un novirzes pakāpi. (metālapstrādes sliekšņa vērtība ir aptuveni 1 gigavats/cm2.)
Iepriekš minētā pētnieku grupa akadēmiķa Susumu Noda vadībā ir uzkrājusi vairāk nekā 20 gadu ilgu pētniecības pieredzi PCSEL izstrādē. Runājot par konkrētiem rezultātiem: viņi spēja izstrādāt lāzeru ar diametru 3 mm, kas ir 10-kārtīgs laukuma pieaugums salīdzinājumā ar iepriekšējām PCSEL ierīcēm ar 1 mm diametru. Šī novatoriskā lāzera izejas jauda ir 50 W, kas ir ievērojams pieaugums salīdzinājumā ar 5-10W izejas jaudu 1 mm PCSEL. Šī jaunā lāzera spilgtums ir aptuveni 1GW/cm2/str, kas ir pietiekami daudzām lietojumprogrammām, kurās pašlaik dominē gāzes un šķiedru lāzeri, piemēram, precīzai viedajai ražošanai elektronikas un automobiļu rūpniecībā. Šis augstais spilgtuma līmenis ir pietiekams arī konkrētākiem lietojumiem, piemēram, satelītu sakariem un satelīta piedziņai.
Palielinot fotonisko kristālu lāzeru izmēru un spilgtumu, rodas vairākas problēmas. Konkrēti, pusvadītāju lāzeri saskaras ar vājajām vietām, kad tiek paplašināts to emisijas laukums: plašāks lāzera laukums nozīmē, ka ir vieta nepārtrauktām gaismas svārstībām emisijas virzienā un sāniski, kā arī šīm sānu svārstībām (pazīstamas kā augstākās kārtas režīmi/augstākas kārtas režīmi). ) iznīcina tieši stara kvalitāti. Turklāt, ja lāzeram tiek veikta nepārtraukta darbība, siltums lāzera iekšpusē maina ierīces refrakcijas indeksu, izraisot turpmāku staru kūļa kvalitātes pasliktināšanos.
Galvenais izrāviena punkts, ko radījusi Susumu Noda pētnieku grupa, ir tas, ka viņi lāzerā ir iestrādājuši fotoniskus kristālus un modificējuši iekšējo atstarošanas slāni, lai nodrošinātu viena režīma svārstības lielākā apgabalā un kompensētu termiskos bojājumus. Šīs divas izmaiņas ļauj PCSEL saglabāt augstu gaismas kvalitāti pat nepārtrauktas darbības laikā.
Lai iegultu fotonisko kristālu, komanda kristāla slānī izstrādāja caurumu modeli, kas efektīvi novirza gaismu, radot staru kūli ar ļoti nelielu novirzi. Viņi izmantoja nanoimprinta litogrāfiju, lai izgatavotu fotoniskos kristālus, tādējādi paātrinot ražošanu.
Tipiskā fotoniskā kristāla lāzerā šie dobumi, kuriem ir atšķirīgs laušanas koeficients nekā apkārtējam pusvadītājam, precīzi novirza gaismu lāzera iekšpusē. Un Susumu Noda pētnieku grupa izstrādāja kristāla caurumu modeli tā, lai gaismu novirzītu apļveida un eliptisku caurumu kopums, kas atrodas viens no otra ceturtdaļas lāzera viļņa garuma attālumā. Galu galā šīs novirzes rada zaudējumus augstākas pakāpes modeļos, kā rezultātā tiek iegūts augstas kvalitātes stars gandrīz bez novirzēm.
Šī koncepcija ir pietiekami laba 1 mm lāzeram, taču, lai to paplašinātu līdz 3 mm laukumam, nepieciešama turpmāka inovācija. Lai panāktu viena režīma svārstības lielākā apgabalā, pētnieki pielāgoja reflektora pozīciju lāzera apakšā, kas izraisīja vairāk nevēlamu režīma zudumu vertikālā virzienā.
Visbeidzot, Susumu Noda pētnieku grupa arī pievērsās problēmai, kas saistīta ar siltuma izmaiņām, kas maina ierīces refrakcijas indeksu un izraisa stara novirzi. Viņi šo problēmu atrisināja, nedaudz mainot fotoniskā kristāla gāzes caurumu periodu, lai tie būtu īstajā vietā, kad lāzers darbojas ar pilnu jaudu.
Viņa komanda Kioto Universitātē ir izveidojusi Fotonisko kristālu virsmas izstarojošo lāzeru izcilības centru, kura platība ir 1,000m2, un PCSEL tehnoloģijas izstrādē ir iesaistīti vairāk nekā 85 uzņēmumi un pētniecības institūti. Komanda industrializē savu PCSEL dizainu masveida ražošanai.
Šī procesa ietvaros viņi ir pabeiguši pāreju no elektronu staru litogrāfijas fotoniskajiem kristāliem uz nanoimprinta litogrāfiju fotoniskajiem kristāliem. Elektronu staru litogrāfija ir ļoti precīza, bet parasti pārāk lēna masveida ražošanai. Nanospieduma litogrāfija, kas pamatā uzspiež rakstu uz pusvadītāja, ir vērtīga, lai ātri izveidotu ļoti regulārus rakstus.
Noda paskaidroja, ka nākotnē komanda turpinās paplašināt lāzera diametru no 3 mm līdz 10 mm, kas varētu radīt 1 kW izejas jaudu, lai gan šo mērķi varētu sasniegt arī, izmantojot 3 mm PCSEL masīvu. Viņš paredz, ka to pašu tehnoloģiju kā 3 mm ierīci varētu izmantot, lai mērogotu līdz 10 mm (paredzams, ka tas radīs 1 kW staru kūli), un ar to pašu dizainu pietiktu.
