بالمقارنة مع ليزرات الغاز الضخمة والليزر الليفي ، تتميز ليزر أشباه الموصلات بمزايا الحجم الصغير ، وكفاءة الطاقة العالية ، والتماسك العالي ، والقدرة العالية على التحكم. ومع ذلك ، فإن استخدام مواد أشباه الموصلات كمواد عاملة لإنتاج انبعاث متحمس لليزر ، ولكن له أيضًا عيوبه المتأصلة: خصائص درجة الحرارة السيئة ، وسهولة توليد الضوضاء ، وتشتت الضوء الناتج بشكل خطير. ومن عواقب هذه العيوب أنه - من الصعب تحقيق مستوى السطوع للقطع الصناعي للصلب السميك وما إلى ذلك.
ومع ذلك ، قد يُتوقع نتيجة بحث نُشرت الأسبوع الماضي في مجلة Nature أن تكسر هذا الموقف ، وهو تقدم رئيسي:
يُذكر أن مجموعة من الباحثين في جامعة كيوتو في اليابان ، بقيادة زميل IEEE سوسومو نودا ، قد خطوا خطوة كبيرة إلى الأمام في التغلب على قيود السطوع لأشعة الليزر شبه الموصلة عن طريق تغيير بنية الليزر الباعث لسطح الكريستال الفوتوني (PCSELs).
تتكون البلورات الضوئية من ثقوب منتظمة قابلة للنفخ على نطاق نانوي مثقوبة في لوح من أشباه الموصلات. الليزر البلوري الفوتوني هو أحد "اللاعبين المحتملين" في مجال الليزر عالي السطوع ، ولكن حتى الآن ، لم يتمكن المهندسون من طرحها لتوفير أشعة ساطعة بدرجة كافية لاستخدامها في قطع المعادن الفعلية ومعالجتها. يعمل الباحثون على تحسين أداء ليزر أشباه الموصلات ، بما في ذلك كفاءة تحويل الطاقة ، وطاقة الإخراج ، وجودة الحزمة ، ومستوى طاقة الليزر ، والخصائص الطيفية ، والحجم ، والمتانة للضوضاء غير المرغوب فيها والإدارة الحرارية ، والموثوقية ، وما إلى ذلك (ملاحظة: السطوع هو قياس قوة خرج الليزر وجودة الحزمة ، والتي تشمل درجة تركيز وتباعد شعاع من الضوء (تبلغ قيمة عتبة معالجة المعادن حوالي 1 جيجاوات / سم 2.)
اكتسب فريق البحث المذكور أعلاه بقيادة الأكاديمي سوسومو نودا أكثر من 20 عامًا من الخبرة البحثية في تطوير PCSEL. من حيث النتائج الملموسة: لقد تمكنوا من تطوير ليزر بقطر 3 مم ، وهو 10- زيادة في المساحة مقارنة بأجهزة PCSEL السابقة بقطر 1 مم. تبلغ الطاقة الناتجة لهذا الليزر المبتكر 50 وات ، وهي زيادة ملحوظة مقارنةً بقدرة الإخراج 5-10 وات التي تبلغ 1 مم. يبلغ سطوع هذا الليزر الجديد حوالي 1 جيجا واط / سم 2 / ستر ، وهو ما يكفي لمجموعة من التطبيقات التي يهيمن عليها حاليًا ليزر الغاز والألياف ، مثل التصنيع الذكي الدقيق في صناعات الإلكترونيات والسيارات. هذا المستوى العالي من السطوع كافٍ أيضًا لتطبيقات أكثر تحديدًا مثل اتصالات الأقمار الصناعية ودفع الأقمار الصناعية.
في زيادة حجم وسطوع الليزر البلوري الضوئي ، نواجه عددًا من التحديات. على وجه التحديد ، تواجه ليزر أشباه الموصلات اختناقات عندما يتم توسيع منطقة انبعاثها: تعني منطقة الليزر الأوسع أن هناك مجالًا للتذبذبات المستمرة للضوء في اتجاه الانبعاث وأفقياً ، وهذه التذبذبات الجانبية (المعروفة باسم أوضاع الترتيب الأعلى / أوضاع الترتيب الأعلى ) تدمير جودة الشعاع بدقة. بالإضافة إلى ذلك ، إذا خضع الليزر لعملية مستمرة ، فإن الحرارة داخل الليزر تغير معامل الانكسار للجهاز ، مما يؤدي إلى مزيد من التدهور في جودة الحزمة.
نقطة الاختراق الرئيسية التي قدمها فريق بحث Susumu Noda هي أنهم قاموا بتضمين بلورات فوتونية في الليزر وقاموا بتعديل طبقة الانعكاس الداخلي لتمكين التذبذب أحادي الوضع على مساحة أكبر وللتعويض عن الضرر الحراري. يسمح هذان التغييران لـ PCSEL بالحفاظ على جودة شعاع عالية حتى أثناء التشغيل المستمر.
لتضمين البلورة الضوئية ، صمم الفريق نمطًا من الثقوب في الطبقة البلورية التي تعمل على تحويل الضوء بطريقة فعالة ، مما ينتج عنه شعاع مع اختلاف ضئيل للغاية. استخدموا الطباعة الحجرية بتقنية الطباعة النانوية لتصنيع البلورات الضوئية ، وبالتالي تسريع الإنتاج.
في ليزر بلوري ضوئي نموذجي ، هذه التجاويف ، التي لها معامل انكسار مختلف عن أشباه الموصلات المحيطة ، تعمل على تحويل الضوء داخل الليزر بطريقة دقيقة. وقد صمم فريق البحث التابع لسوسومو نودا نمط الثقوب في البلورة بحيث ينحرف الضوء عن طريق مجموعة من الثقوب الدائرية والإهليلجية التي تبقى ربع طول موجة الليزر بعيدًا عن بعضها البعض. في النهاية ، تتسبب هذه الانحرافات في خسائر في أنماط الرتبة الأعلى ، مما يؤدي إلى شعاع عالي الجودة مع عدم وجود تباعد تقريبًا.
يعد هذا المفهوم جيدًا بما يكفي لجهاز ليزر بحجم 1 مم ، ولكن توسيعه إلى مساحة 3 مم يتطلب مزيدًا من الابتكار. لتحقيق تذبذب أحادي النمط على مساحة أكبر ، قام الباحثون بتعديل موضع العاكس في الجزء السفلي من الليزر ، مما تسبب في المزيد من فقدان النمط غير المرغوب فيه في الاتجاه العمودي.
أخيرًا ، عالج فريق البحث Susumu Noda أيضًا مشكلة تغيير الحرارة لمعامل الانكسار للجهاز وتسبب في تباعد الحزمة. لقد قاموا بحل هذه المشكلة عن طريق تغيير فترة ثقوب الغاز في البلورة الضوئية قليلاً بحيث تكون في المكان المناسب عندما يكون الليزر بكامل طاقته.
أنشأ فريقه مركز التميز لليزر الباعث للأسطح الكريستالية الضوئية بجامعة كيوتو ، والذي يغطي مساحة تبلغ 1 ، 000 متر مربع ، وتشارك أكثر من 85 شركة ومعهد أبحاث في تطوير تقنية PCSEL. يقوم الفريق بتصنيع تصميم PCSEL للإنتاج بالجملة.
كجزء من هذه العملية ، أكملوا التحويل من الطباعة الحجرية لشعاع الإلكترون للبلورات الضوئية إلى الطباعة الحجرية النانوية للبلورات الضوئية. تعتبر الطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية دقيقة للغاية ، ولكنها عادة ما تكون بطيئة جدًا بالنسبة للإنتاج الضخم. تعد الطباعة الحجرية بتقنية Nanoimprint ، التي تقوم بشكل أساسي بختم نمط على أشباه الموصلات ، ذات قيمة لإنشاء أنماط منتظمة جدًا بسرعة.
أوضح نودا أنه في المستقبل سيقوم الفريق بتوسيع قطر الليزر من 3 مم إلى 10 مم ، وهو حجم يمكن أن ينتج 1 كيلو وات من طاقة الخرج ، على الرغم من أنه يمكن تحقيق هذا الهدف أيضًا باستخدام مجموعة من 3 مم PCSELs. ويتوقع أنه يمكن استخدام نفس تقنية الجهاز 3 مم لتوسيع نطاق يصل إلى 10 مم (والذي من المتوقع أن ينتج شعاع 1 كيلو وات) ، وأن استخدام نفس التصميم سيكون كافياً.
