تعد أشعة الليزر شبه الموصلة ، على عكس أشعة الليزر الغازية الضخمة وليزر الألياف ، صغيرة للغاية وموفرة للطاقة ويمكن التحكم فيها بشكل كبير. الشيء الوحيد الذي لا يمكنهم فعله هو تقديم سطوع تقطيع الفولاذ الخاص بمنافسهم.
في النتائج المبلغ عنها الأسبوع الماضي في طبيعة، مجموعة من الباحثين في جامعة كيوتو ، بقيادة زميل IEEE سوسومو نودا ، اتخذت خطوة كبيرة في التغلب على قيود سطوع ليزر أشباه الموصلات من خلال تغيير بنية الليزر الباعث للسطح البلورية الضوئية (PCSELs). تتكون البلورة الضوئية من صفيحة شبه موصلة مثقوبة بثقوب عادية مملوءة بالهواء بمقياس نانومتر. الليزر البلوري الفوتوني مرشح جذاب لأشعة الليزر عالية السطوع ، ولكن حتى الآن لم يتمكن المهندسون من توسيع نطاقها لتقديم حزم ساطعة بما يكفي لقطع المعادن العملية ومعالجتها.
(السطوع هو رقم الجدارة الذي يشمل قوة خرج الليزر وجودة الشعاع ويلخص مدى جودة تركيز شعاع الضوء أو مدى ضآلة تباعده. تبلغ عتبة الأشغال المعدنية حوالي 1 جيجاوات لكل سنتيمتر مربع لكل ستيراديان.)
https://www.youtube.com/watch؟v=SFXmFNTviRIتقطيع الفولاذ المقاوم للصدأ مع PCSELموقع YouTube
تمكنت مجموعة Noda ، التي تعمل على PCSELs لأكثر من عقدين من الزمن ، من تطوير ليزر بقطر 3 ملليمترات ، قفزة مساوية 10 أضعاف من أجهزة PCSEL السابقة التي يبلغ قطرها 1 ملم. الليزر الجديد لديه قدرة خرج تبلغ 50 وات ، وهي زيادة مماثلة من 5 إلى 10 وات من خرج الطاقة من 1 مم PCSELs. يبلغ سطوع الليزر الجديد حوالي 1 جيجاوات / سم2/ str ، هي الآن عالية بما يكفي للتطبيقات التي يهيمن عليها حاليًا ليزر الغاز الضخم والليزر الليفي ، مثل التصنيع الذكي الدقيق في صناعات الإلكترونيات والسيارات. كما أنه مرتفع بما يكفي لمزيد من التطبيقات الغريبة مثل اتصالات الأقمار الصناعية والدفع.
لم تأت زيادة حجم الليزر البلوري الفوتوني وسطوعه دون تحديات. على وجه التحديد ، تواجه أشعة الليزر شبه الموصلة مشاكل عند توسيع منطقة انبعاثها. تعني مساحة الليزر الأكبر أن هناك مجالًا للضوء للتذبذب في اتجاه الانبعاث وكذلك بشكل جانبي.
يمكن لهذه التذبذبات الجانبية ، التي تسمى أنماط الترتيب الأعلى ، أن تدمر جودة الحزمة. علاوة على ذلك ، إذا كان الليزر يعمل بشكل مستمر ، فإن الحرارة داخل الليزر تغير معامل انكسار الجهاز ، مما يؤدي إلى تدهور جودة الحزمة بشكل أكبر. استخدمت مجموعة نودا بلورات ضوئية مدمجة في الليزر جنبًا إلى جنب مع تعديلات على عاكس داخلي للسماح بالتذبذب أحادي الوضع على مساحة أوسع وللتعويض عن الاضطراب الحراري. سمح هذان التغييران لـ PCSEL بالحفاظ على جودة شعاع عالية حتى أثناء التشغيل المستمر.
في ليزر بلوري ضوئي نموذجي ، تتسبب الثقوب – التي لها معامل انكسار مختلف عن أشباه الموصلات المحيطة – في انحراف الضوء داخل الليزر بطريقة دقيقة. صممت مجموعة نودا نمط الثقوب في البلورة بحيث ينحرف الضوء عن طريق مجموعة من الثقوب الدائرية والإهليلجية التي تتباعد بربع الطول الموجي لضوء الليزر. تسبب هذه الانحرافات خسائر في أوضاع الترتيب الأعلى ، مما يؤدي إلى شعاع عالي الجودة لا يكاد يتباعد.
أشعة الليزر الباعثة للسطح البلوري الفوتوني (PCSELs) تنبعث منها الضوء من الأعلى. تعزز البلورة الضوئية سطوعها.سوسومو نودا
نجح هذا المفهوم جيدًا بما يكفي لليزر 1 مم ، لكن توسيعه إلى 3 مم يتطلب مزيدًا من البراعة. للسماح بالتشغيل أحادي الوضع على مساحة كبيرة ، تم تعديل موضع عاكس الليزر السفلي لإحداث المزيد من فقدان الأوضاع غير المرغوب فيها في الاتجاه العمودي. أخيرًا ، تعاملت مجموعة نودا مع مشكلة تغير الحرارة في معامل الانكسار للجهاز وتسبب في تباعد الحزمة. كان حل هذه المشكلة هو إجراء تعديل طفيف لفترة ثقوب الهواء في البلورة الضوئية ، بحيث تكون في الموضع الصحيح للقيام بعملها عندما يكون الليزر بكامل طاقته.
يتسبب شكل ودرجة فتحات الهواء في البلورة الضوئية في أن تنكسر أوضاع الليزر غير المرغوب فيها وتتداخل مع بعضها البعض [left]. لِيزر 3 مليمتر [right] كان لابد من التعامل مع مصدر إضافي للأنماط غير المرغوب فيها باستخدام مرآة الليزر السفلية [not shown].سوسومو نودا
أسس نودا ومجموعته مركز التميز على مساحة 1000 متر مربع لليزر الباعث للأسطح الكريستالية الضوئية في جامعة كيوتو ، حيث تشارك أكثر من 85 شركة ومعهدًا في تطوير تقنية PCSEL. الفريق بصدد تصنيع تصميم PCSEL للتصنيع بالجملة.
كجزء من هذه العملية ، قاموا بالتبديل من تصنيع البلورة الضوئية باستخدام الطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون إلى صنعها باستخدام الطباعة الحجرية النانوية. تعد الطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون دقيقة ، ولكنها عادة ما تكون بطيئة جدًا بالنسبة للتصنيع بالجملة. تُعد الطباعة الحجرية بتقنية الطباعة النانوية ، التي تختم أساسًا نمطًا في أشباه الموصلات ، مفيدة في إنشاء أنماط منتظمة جدًا بسرعة.
يوضح نودا أن الخطوات التالية هي الاستمرار في زيادة قطر الليزر من ثلاثة ملليمترات إلى 10 ملليمترات ، وهو حجم يمكن أن ينتج كيلو واط واحد من طاقة الخرج – على الرغم من أنه يمكن أيضًا الوصول إلى الهدف باستخدام مصفوفة من 3 مم PCSELs. ويتوقع أن نفس التقنية التي أدت إلى الأجهزة التي يبلغ قطرها 3 مم يمكن استخدامها لتوسيع نطاق يصل إلى 10 ملم. يقول نودا: “يكفي التصميم نفسه”.
يستغرق الأمر 110 أمبير لإيصال الليزر إلى الطاقة الكاملة ، الأمر الذي يتطلب العديد من الأقطاب الكهربائية.سوسوما نودا
يقول Weidong Zhou ، الباحث في PCSEL في جامعة تكساس في أرلينغتون ، إنه متحمس بشأن أحدث التطورات ويدرك أيضًا تحديات توسيع الجهاز بشكل أكبر. يقول: “ستظل هناك تحديات في كل من التصميم والنظرية”. ومع ذلك ، فهو واثق من قدرة فريق نودا على التغلب على هذه التحديات. “أعتقد أنه بناءً على ما أنجزوه يمكن القيام به. إن القياس من ملليمتر واحد إلى ثلاثة ملليمترات يعد بالفعل إنجازًا كبيرًا جدًا “.
من مقالات موقعك
مقالات ذات صلة حول الويب
اكتشاف المزيد من عرب نيوز للتقنية
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
