Im Vergleich zu voluminösen Gaslasern und Faserlasern bieten Halbleiterlaser die Vorteile einer geringen Größe, einer hohen Energieeffizienz, einer hohen Kohärenz und einer hohen Steuerbarkeit. Die Verwendung von Halbleitermaterialien als Arbeitsmaterial zur Erzeugung der angeregten Emission des Lasers hat jedoch auch ihre eigenen inhärenten Mängel: schlechte Temperatureigenschaften, leicht zu erzeugendes Rauschen, schwerwiegende Streuung des Ausgangslichts. Eine der Folgen dieser Mängel besteht darin, dass es schwierig ist, den Helligkeitsgrad zum industriellen Schneiden von dickem Stahl usw. zu erreichen.
Ein letzte Woche in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichtes Forschungsergebnis lässt jedoch erwarten, dass diese Situation durchbrochen wird, ein wichtiger Fortschritt:
Es wird berichtet, dass eine Forschergruppe an der Universität Kyoto in Japan unter der Leitung von IEEE Fellow Susumu Noda einen großen Schritt vorwärts bei der Überwindung der Helligkeitsbeschränkungen von Halbleiterlasern gemacht hat, indem sie die Struktur von photonischen kristalloberflächenemittierenden Lasern (PCSELs) geändert hat.
Photonische Kristalle bestehen aus regelmäßigen, aufblasbaren Löchern im Nanomaßstab, die in eine Halbleiterfolie perforiert sind. Photonische Kristalllaser gehören zu den „potenziellen Akteuren“ auf dem Gebiet der Laser mit hoher Helligkeit, aber bisher konnten Ingenieure sie nicht so entwickeln, dass sie Strahlen liefern, die hell genug sind, um für das tatsächliche Schneiden und Bearbeiten von Metall verwendet zu werden. Forscher haben daran gearbeitet, die Leistung von Halbleiterlasern zu optimieren, einschließlich Leistungsumwandlungseffizienz, Ausgangsleistung, Strahlqualität, Laserenergieniveau, spektrale Eigenschaften, Größe, Robustheit gegenüber unerwünschtem Rauschen und Wärmemanagement, Zuverlässigkeit usw. (Hinweis: Helligkeit ist ein Maß für die Laserleistung und Strahlqualität, das den Grad der Fokussierung und Divergenz eines Lichtstrahls umfasst. (Der Schwellenwert für die Metallbearbeitung liegt bei etwa 1 Gigawatt/cm2.)
Das oben genannte Forschungsteam unter der Leitung von Akademiker Susumu Noda verfügt über mehr als 20 Jahre Forschungserfahrung in der PCSEL-Entwicklung. Konkrete Ergebnisse: Sie konnten einen Laser mit einem Durchmesser von 3 mm entwickeln, was einer 10-fachen Flächenvergrößerung gegenüber den bisherigen PCSEL-Geräten mit einem Durchmesser von 1 mm entspricht. Die Ausgangsleistung dieses innovativen Lasers beträgt 50 W, was eine deutliche Steigerung im Vergleich zur 5-10W Ausgangsleistung von 1-mm-PCSELs darstellt. Die Helligkeit dieses neuen Lasers beträgt etwa 1 GW/cm2/str, was für eine Reihe von Anwendungen ausreichend ist, die derzeit von Gas- und Faserlasern dominiert werden, wie beispielsweise die intelligente Präzisionsfertigung in der Elektronik- und Automobilindustrie. Dieses hohe Helligkeitsniveau reicht auch für spezifischere Anwendungen wie Satellitenkommunikation und Satellitenantrieb aus.
Bei der Vergrößerung der Größe und Helligkeit photonischer Kristalllaser stößt man auf eine Reihe von Herausforderungen. Insbesondere Halbleiterlaser stoßen auf Engpässe, wenn ihre Emissionsfläche erweitert wird: Eine größere Laserfläche bedeutet, dass Platz für kontinuierliche Lichtschwingungen in Emissionsrichtung und seitlich vorhanden ist, und diese seitlichen Schwingungen (sogenannte Moden höherer Ordnung/Moden höherer Ordnung). ) zerstören gerade die Qualität des Strahls. Darüber hinaus verändert die Hitze im Laserinneren bei Dauerbetrieb des Lasers den Brechungsindex des Geräts, was zu einer weiteren Verschlechterung der Strahlqualität führt.
Der entscheidende Durchbruch des Forschungsteams von Susumu Noda besteht darin, dass sie photonische Kristalle in den Laser eingebettet und die interne Reflexionsschicht modifiziert haben, um eine Single-Mode-Oszillation über einen größeren Bereich zu ermöglichen und thermische Schäden zu kompensieren. Diese beiden Änderungen ermöglichen es dem PCSEL, auch im Dauerbetrieb eine hohe Strahlqualität beizubehalten.
Um den photonischen Kristall einzubetten, entwarf das Team ein Lochmuster in der Kristallschicht, das das Licht effizient ablenkt, was zu einem Strahl mit sehr geringer Divergenz führt. Zur Herstellung der photonischen Kristalle nutzten sie die Nanoimprint-Lithographie und beschleunigten so die Produktion.
In einem typischen photonischen Kristalllaser lenken diese Hohlräume, die einen anderen Brechungsindex als der umgebende Halbleiter haben, das Licht im Inneren des Lasers präzise ab. Und das Forschungsteam von Susumu Noda entwarf das Lochmuster im Kristall so, dass das Licht durch eine Reihe kreisförmiger und elliptischer Löcher abgelenkt wird, die jeweils ein Viertel einer Laserwellenlänge voneinander entfernt sind. Letztendlich führen diese Ablenkungen zu Verlusten in den Mustern höherer Ordnung, was zu einem qualitativ hochwertigen Strahl mit nahezu keiner Divergenz führt.
Dieses Konzept ist gut genug für einen 1-mm-Laser, aber die Erweiterung auf einen 3-mm-Bereich erfordert weitere Innovationen. Um eine Einzelmode-Oszillation über einen größeren Bereich zu erreichen, passten die Forscher die Position des Reflektors an der Unterseite des Lasers an, was zu mehr unerwünschten Modenverlusten in vertikaler Richtung führte.
Schließlich befasste sich das Forschungsteam von Susumu Noda auch mit dem Problem, dass Hitze den Brechungsindex des Geräts verändert und dazu führt, dass der Strahl divergiert. Sie lösten dieses Problem, indem sie die Periode der Gaslöcher im photonischen Kristall leicht veränderten, sodass sie sich bei voller Laserleistung an der richtigen Stelle befinden.
Sein Team hat an der Universität Kyoto das Center of Excellence for Photonic Crystal Surface Emitting Lasers eingerichtet, das eine Fläche von 1.000m2 umfasst. Mehr als 85 Unternehmen und Forschungsinstitute sind an der Entwicklung der PCSEL-Technologie beteiligt. Das Team industrialisiert sein PCSEL-Design für die Massenproduktion.
Im Rahmen dieses Prozesses haben sie die Umstellung von der Elektronenstrahllithographie für photonische Kristalle auf die Nanoimprint-Lithographie für photonische Kristalle abgeschlossen. Die Elektronenstrahllithographie ist sehr präzise, für die Massenproduktion jedoch meist zu langsam. Die Nanoimprint-Lithographie, bei der im Wesentlichen ein Muster auf einen Halbleiter geprägt wird, eignet sich für die schnelle Erstellung sehr regelmäßiger Muster.
Noda erklärte, dass das Team in Zukunft den Durchmesser des Lasers weiter von 3 mm auf 10 mm erweitern wird, eine Größe, die eine Ausgangsleistung von 1 kW erzeugen könnte, obwohl dieses Ziel auch durch die Verwendung einer Reihe von 3 mm PCSELs erreicht werden könnte. Er geht davon aus, dass die gleiche Technologie wie beim 3-mm-Gerät für eine Skalierung auf 10 mm verwendet werden könnte (was voraussichtlich einen 1-kW-Strahl erzeugen würde) und dass die Verwendung des gleichen Designs ausreichen würde.
