Çeliği eritebilen ultra küçük, ultra yüksek parlaklıklı lazer
(spectrum.ieee.org)- Kyoto University ekibinin PCSEL’i, yarı iletken lazerlerin düşük parlaklık sınırını aşan; 3 mm boyutta gaz ve fiber lazer düzeyinde parlaklıkla çelik kesmeyi dahi gösteren bir fotonik kristal yüzey yayımlı lazerdir
- Performansın merkezinde, yarı iletkenin içindeki fotonik kristal katmanı yer alır; nanometre ölçekli delik dizilimi ışığı iki boyutlu bir duran dalga hâlinde hapseder ve yalnızca temel modu yükselterek güçlü, dar bir ışın üretir
- 2023’te PCSEL, 1 GW/cm²/sr parlaklık, 50 W sürekli çıkış, 3 mm emisyon çapı ve 1/20 derece ışın sapmasıyla 100 μm kalınlığındaki metal levhayı kesti
- Otomotiv parçası üretimi gibi endüstriyel işleme için kilovat sınıfı çıkış gerektiğinden, 9 adet 3 mm PCSEL dizisi ya da emisyon alanını 1 cm’ye büyütmek sıradaki hedefler olarak duruyor
- Yüksek parlaklıklı PCSEL, üretimin yanı sıra kompakt lidar, çip üstü ışın yönlendirme, EUV litografi, nükleer füzyon ve ışık itişli uzay uçuşunu da hedefliyor; ancak daha yüksek çıkış, verimlilik ve ısı yönetimi gerekiyor
Society 5.0’ın gerektirdiği lazer
- Japonya hükümetinin 2016’da ortaya koyduğu Society 5.0 vizyonu, talebe göre üretim, robotik bakım, otonom taksi ve traktör gibi teknolojileri içerir
- Bu ortamdaki lazerlerin günlük cihazlara sığacak kadar küçük ve ucuz olması; üretiminin basit, enerji verimliliğinin yüksek ve kitlesel kişiselleştirmeye uygun biçimde hassas kontrol edilebilir olması gerekir
- Yarı iletken lazerler boyut ve maliyet açısından avantajlıdır, ancak parlaklıklarının düşük olması büyük bir sınırlamadır
- Lazer parlaklığı, birim alan ve birim katı açı başına optik çıkış olarak tanımlanır
- Kesme, kaynak ve delme gibi malzeme işleme uygulamaları için kabaca 1 GW/cm²/sr düzeyi gerekir
- Ticari yarı iletken lazerlerin parlaklığı bu düzeyin çok altındadır
- Lidar’da da parlaklık maliyeti ve performansı belirler
- Uzun menzilde veya yüksek hızda hassas ölçüm için ışının dar biçimde odaklanması gerekir
- Günümüzün üst düzey lidar sistemleri, 100’den fazla yarı iletken lazer ve elle yerleştirilen lens düzenekleri kullandığından maliyet yükselir
Mevcut lazerler ve yarı iletken lazerlerdeki darboğaz
- CO₂ lazerler ve fiber lazerler endüstriyel uygulamalarda ultra yüksek parlaklıklı ışınlar üretebilir, ancak yarı iletken lazerlerden daha büyük ve pahalıdır; enerji verimlilikleri daha düşüktür ve kontrolleri de daha zordur
- Yüksek güçlü CO₂ lazerler buzdolabı boyutuna kadar büyüyebilir
- Mevcut yarı iletken lazerler genellikle etkin katmanın ince bir şeridi boyunca ışığı yükseltir ve ışın çipin ön kenarından çıkar
- Çıkışı artırmak için emisyon alanını genişletmek gerekir, ancak genişleyen şeritte ışığın zikzak yollarla salındığı yüksek mertebeli enine modlar ortaya çıkar
- Yüksek mertebeli modlar ışını lekeli ve dağınık hâle getirir
- Mevcut yarı iletken lazerlerin parlaklığı kabaca 100 MW/cm²/sr düzeyinde sınıra ulaşır
Fotonik kristalle ışını daraltma yöntemi
- PCSEL, sıradan yarı iletken lazerler gibi etkin katmana ve kaplama katmanlarına sahiptir; ancak içine nanometre ölçekli deliklerin iki boyutlu dizildiği bir fotonik kristal katmanı ekler
- Fotonik kristal, yarı iletkenlerin elektron akışını kontrol etmesi gibi ışığın akışını kontrol eder
- Delik, küp ve sütun gibi yapılar, ışığın dalga boyu ölçeğinde periyodik olarak yerleştirilir
- Kırılma indisi periyodik olarak değiştikçe belirli dalga boyu ve yöndeki ışık yansır ve girişim yapar
- PCSEL’in temel fotonik kristali iki boyutlu kare kafestir
- Örneğin 940 nm’de çalışan bir galyum arsenit lazerde iç dalga boyu yaklaşık 280 nm’dir
- Temel galyum arsenit PCSEL’de delik aralığı yaklaşık 280 nm’ye ayarlanır
- Delik dizilimi, küçük aynalar gibi ışığı geriye ve yanlara büker; çoklu kırınımlar birleşerek iki boyutlu duran dalga oluşturur
- Etkin katman bu duran dalgayı yükseltir
- Işığın bir bölümü yukarı ve aşağı kırınıma uğrayarak çip yüzeyinden tek dalga boylu bir ışın olarak yayılır
- PCSEL, geleneksel kenardan yayımlı lazerlerden farklı olarak ışığı yüzeyden yayar; emisyon alanı geniş ve genellikle yuvarlak olduğundan düşük sapma açılı, yüksek kaliteli bir ışın üretebilir
Parlaklığı artıran nesillere göre tasarımlar
- 1998’de Kyoto University ekibi ilk PCSEL’i yaptı ve sonrasında yüksek parlaklıkta çalışma için tasarımı sürekli iyileştirdi
- 2014’te üçgen deliklerden oluşan kare kafes kullanan bir PCSEL bildirdiler
- Emisyon alanı 200×200 μm
- Sürekli çalışmada yaklaşık 1 W çıkış
- Işın sapma açısı yaklaşık 2 derece
- Mevcut yarı iletken lazerlerin tipik 30 derece ve üzeri sapmasına göre çok daha dar
- Tek kafesli tasarım yaklaşık 200 μm’den büyük olduğunda yüksek mertebeli enine modlar görülür
- Temel modda ışık şiddeti merkeze yoğunlaşır
- Yüksek mertebeli modlarda iki, üç, dört veya daha fazla şiddet tepe noktası oluşur
- Küçük emisyon alanlarında yüksek mertebeli modların tepe noktaları kenarda yer alır; bu yüzden ışık yana sızar ve salınım yapmaz
- Emisyon alanı büyüdükçe yüksek mertebeli modların salınabileceği alan oluşur
- Araştırma ekibi bunu önlemek için çift kafes kullandı
- Dairesel deliklerden oluşan kare kafesi, eliptik deliklerden oluşan ikinci bir kare kafese göre 1/4 dalga boyu kadar kaydırdı
- Kırınıma uğrayan ışığın bir kısmı yıkıcı girişim yaparak yüksek mertebeli modların şiddet tepe noktalarını zayıflatıp dağıttı
- Çift kafesle üretilen 1 mm çaplı PCSEL, sürekli çalışmada 10 W ışın verdi
- Sapma açısı 0,1 derece
- Mevcut yarı iletken lazerlerin ulaşabildiği parlaklıktan 3 katın üzerinde daha parlak
- Aynı boyuttaki geleneksel lazerlerin aksine tek modda salınım yaptı
3 mm PCSEL ile çelik kesimi
- Daha büyük çaplarda yalnızca çift kafesle yüksek mertebeli modları yeterince bastırmak zordur
- Araştırma ekibi, yüksek mertebeli modların lazerden hafif eğimli bir açıyla çıktığı gerçeğine uygun olarak arka reflektörü ayarladı
- Önceki nesilde arka reflektör yalnızca aşağı doğru kırınıma uğrayan ışığı yukarıdaki emisyon yüzeyine geri döndürüyordu
- Reflektörün konumu ile fotonik kristal deliklerinin aralığı ve şeklini ayarlayarak, dışarı kaçan ışığın fotonik kristal katmanındaki iki boyutlu duran dalgayla girişim yapmasını sağladılar
- Daha eğimli çıkan dalgalar daha fazla enerji kaybettiğinden yüksek mertebeli modlar seçici olarak engellendi
- 2023’te geliştirilen PCSEL, gaz ve fiber lazerlerle karşılaştırılabilir 1 GW/cm²/sr parlaklığa ulaştı
- Emisyon çapı 3 mm
- Sürekli çıkış en fazla 50 W
- Işın sapma açısı 1/20 derece
- Bu aygıt, 100 μm kalınlığında bir metal levhadan disk keserek çelik kesimini gösterdi
Kilovat sınıfı endüstriyel uygulamalara giden zorluklar
- Çelik kesme gösterimi etkileyici olsa da endüstriyel pazarda rekabet edebilmek için daha yüksek çıkış gerekir
- Otomotiv parçası üretimi için kabaca kilovat sınıfı optik çıkış gerekir
- Kilovat sınıfı PCSEL’e iki yolla yaklaşılabilir
- 9 adet 3 mm PCSEL dizmek
- Mevcut aygıtın emisyon alanını 1 cm’ye genişletmek
- 1 cm boyutta yüksek mertebeli modlar yeniden ortaya çıkarak ışın kalitesini düşürebilir
- Buna rağmen yüksek güçlü gaz ve fiber lazerlere benzer parlaklık üretebildiğinden, daha büyük geleneksel lazerlerin bir kısmının yerini alabilir
- 1 cm PCSEL’in gerçek bir değişim yaratması için yüksek mertebeli modların bastırılması gerekir
- Araştırma ekibi, fotonik kristal yapısını ve reflektör konumunu ince ayarlamaya yönelik bir yöntem tasarladı
- Henüz laboratuvarda test edilmemiş olsa da teorik model 10~100 GW/cm²/sr parlaklık olasılığını gösteriyor
Verimlilik ve ısı yönetimi
- Yüksek güçlü uygulamalarda enerji verimliliği ve ısı yönetimi performans kadar önemlidir
- Optimizasyondan önce PCSEL’in wall-plug verimliliği zaten %30~40 düzeyindedir
- Bu, çoğu CO₂ lazer ve fiber lazerden yüksektir
- Araştırma ekibi verimliliği %60’a yükseltebilecek bir yol buldu
- Laboratuvarda kullanılan mevcut su soğutma teknolojisinin 1.000 W, 1 cm PCSEL için yeterli olacağı düşünülüyor
Lidar ve çip üstü ışın yönlendirme
- Yüksek parlaklıklı PCSEL, otonom araçlar ve robotlar için sensör sistemlerini daha küçük ve ucuz hâle getirmek için de kullanılabilir
- Yakın zamanda üretilen lidar sistemi 500 μm PCSEL kullanır
- Darbeli çalışmada yaklaşık 20 W ile sürülür
- 30 m mesafede bile nokta boyutu yalnızca 5 cm’dir
- Harici lensi olmayan kompakt bir lidar sistemi için sıra dışı bir çözünürlüktür
- Prototip yaklaşık bir web kamerası boyutundadır ve bir robot arabaya monte edilerek mühendislik binası içinde insanları ve birbirini takip edecek şekilde programlanmıştır
- Ayrı bir araştırmada PCSEL’in birden fazla ışın üretebildiği ve elektronik olarak farklı yönleri gösterecek şekilde kontrol edilebildiği gösterildi
- Fotonik kristal katmanındaki deliklerin konum ve boyutlarını değiştirerek çip üstü ışın yönlendirme uygulandı
- Nihayetinde lidar’daki mekanik ışın yönlendirmenin yerini alabilir
- Fotodedektörler de aynı çipe entegre edilirse tamamen elektronik navigasyon sistemleri çok küçük ve ucuz hâle getirilebilir
EUV, nükleer füzyon ve ışık itişine uzanan uzun vadeli hedefler
- Uzun vadede 3 cm’lik bir lazerde 10 kW üzeri çıkış ve en fazla 1.000 GW/cm²/sr parlaklık hedefleniyor
- Bu düzey, bugün var olan herhangi bir lazerden daha parlak bir seviyedir
- Aşırı yüksek parlaklıklı PCSEL, EUV litografi ekipmanlarında plazma darbeleri oluşturan büyük ve yüksek güçlü CO₂ lazerlerin yerini alarak çip üretim verimliliğini artırabilir
- Nükleer füzyonda da uygulama potansiyeli vardır
- Nükleer füzyon, bezelye büyüklüğündeki yakıt kapsüllerine trilyonlarca watt düzeyinde lazer çıkışı göndermeyi içeren bir süreçtir
- Işık itişli uzay uçuşu da potansiyel uygulama alanlarından biridir
- Işıkla hızlandırılan sondalar uzak yıldızlara binlerce yıl yerine birkaç on yılda ulaşabilir
1 yorum
Hacker News yorumları
Makale daha güçlü ve daha küçük lazerlerin endüstriyel etkisini iyi yakalamış, ama PCSEL’in küçük atölye pazarına kadar inmesini bekler oldum.
Evde ya da küçük bir atölyede metal kesebilen ucuz bir lazer gerçekten çok işe yarar gibi. Elbette lazer olduğu için sinsi biçimde tehlikeli de olur.
Lazer metali yalnızca eritir; kesim aralığından dışarı çıkarmaz. Bazı metaller de normal havada reaksiyona girip çıkış optiklerine doğru geri sıçrayabilir. Bu yüzden kesim bölgesine basınçlı gaz üfleyerek malzemeyi uzaklaştırmak gerekir.
İnce malzemeler veya bazı metaller için çok miktarda çok temiz ve kuru basınçlı hava üflemek yeterli olabilir; başka durumlarda ise belirli reaktif/reaktif olmayan gazlar ya da gaz karışımları gerekir. Plazma kesim genelde kesim bölgesini havayla savurur; oksijen kesiminde ise fazla oksijenle reaksiyona sokup uzaklaştırma yapılır.
Lazerin kesim genişliği son derece dar olduğu için bu daha da zorludur; bu yüzden sarf malzeme maliyeti beklenenden yüksek olabilir. Daha güçlü lazerlerde optik düzeneğin zayıf vakum altında çalıştırılması da gerekebilir; çünkü toz ve havanın kendisinin oluşturduğu plazma pahalı parçaları aşındırır.
Yan ürünler de sorun. Organik maddeler, solunması ya da komşuların yakınında zemine salınması iyi olmayan her tür organik benzeri maddeye ayrışır. Metal kesim yan ürünleri yeterince sık temizlenmezse ince toz kritik kütleye ulaşıp epey tehlikeli hale gelebilir. Demir veya alüminyum yangınları lazeri mahveder; demir ve alüminyum birlikte yanarsa yalnızca lazeri değil, taşıyıcı tablasını ve altındaki betonu bile mahvedebilir.
Bence bu tür ekipman doğrudan bakılarak değil, yalnızca kamera ile kullanılmalı.
Bunu hidrojen-bor aneutronik füzyon ile birleştirirseniz, belki de ısı makinesi olmadan doğrudan elektrik üretmek mümkün olabilir.
Buna daha birkaç yıl var, ama ileriye doğru bir yol gösteriyor.
Makale 10 kW, yani 10^4 W planlandığını söylüyor; petawatt ise 10^15 W, dolayısıyla hesapta 11 sıfır daha gerekiyor. Biraz zaman alacak gibi.
Bu yaz füzyondan elektriğe cihazını çalıştıracağını söyleyen Helion buna önce ulaşabilir gibi görünüyor.
“Society 5.0’da talep üzerine üretim ürünleri mümkün hale gelir” kısmı The Peripheral hayranlarını akla getiriyor.
Şakayı bir yana bırakırsak, bu fikrin darboğazı yüksek güçlü LED aydınlatmada olduğu gibi soğutma. Bir şeyi soğutmak için hâlâ epey büyük donanım gerekiyor.
Makale PCSEL’i kenardan yayımlı lazerlerle karşılaştırarak kafa karıştırıyor.
Aslında yüzyıl dönümünden bu yana yüksek güç yoğunluğu sunan VCSEL’lerin yeni bir iyileştirilmiş türü gibi görünüyor.
Bu yüzeyden yayım özelliğinin birden çok çipi faz kilitlemeyi kolaylaştırıp kolaylaştırmadığını merak ediyorum.
Büyük açıklıklar ve uzun mesafe güç iletimi için çok yararlı olabilir.
Yüksek verimli, geniş açıklıklı lazerin bir uygulaması da uzun menzilli uçaklara güç sağlamak. Güzergâh üzerindeki yer istasyonlarından ya da uzay lazer üslerinden ışınla güç gönderilirse yakıt tamamen ortadan kalkabilir; bu da potansiyel olarak sınırsız menzil sağlar.
Gofret ölçeğinde faz kilitli yayıcı dizisi yapıp, her yayıcının zayıflatılabildiği veya fazının kaydırılabildiği şekilde üst üste bindirirseniz makul bir tek renkli holografik ekran elde edersiniz. Her yayıcının ıraksama açısının büyük olduğu varsayımıyla.
O zaman ucuz ev tipi lazer kesiciler ahşap, deri ve plastiğin yanı sıra metali de kesebilir hale mi gelecek?
En yeni ASML ekipmanlarının ultraviyole lazerin açısını ve kırınım ızgarasını ayarlayarak temiz, küçük 2B desenler oluşturması aklıma geliyor.
Bu ölçekte ışık etkileşimini modellemenin ne kadar zor olduğunu merak ediyorum. Yazarların ölçekleme probleminin modelleme çözümünü bulması için ne gerekir? Bir fotofizik doktoralı kişiyle yapılabilecek bir iş mi, yoksa şirketlerin ve insanların onlarca yıl boyunca ekipler halinde uzmanlık biriktirmesi gereken bir şey mi?
ASML sanki yalnızca maskeyle tek bir dalganın kırınım etkileşimini çözmek zorundaymış gibi görünüyor; ama duran dalgaları ve yüksek dereceli modları modellemek çok daha fazla matematik gerektirir gibi. Her etkileşimin çözümü olasılıksal ise bunun mümkün olup olmadığı da ayrı bir soru.
Gerçek çözümün, üretilebilen yarı iletken yapılarla, örneğin delik gibi özellik türleriyle büyük ölçüde sınırlanıp sınırlanmadığını da merak ediyorum.
Bu 3D baskı için kullanılabilir mi?
Lazer dizisindeki her lazerin bir piksel gibi davrandığı ve toz katmanını hareket ettirerek 3D oluşturduğu bir yöntemden söz ediyorum. Bu yapı mevcut 3D yazıcılardan daha hızlı olabilir mi?
İkincisi, renklendirici eklendiğinde tam renkli 3D plastik çıktı da verebiliyor.
Arama terimi “Laser powder bed fusion”. Aşağıda işaret edilen ticari ad “Direct Metal Laser Sintering” ile karıştırılmamalı.
https://www.3dsourced.com/guides/direct-metal-laser-sinterin...
Ancak ışık kaynağının hızı ne kadar etkileyebileceğini veya iyileştirebileceğini pek bilmiyorum.
Birinin böyle bir lazerle insanı ikiye biçmesi de mümkün hale mi gelecek?
Odak endüstriyel kullanımlarda olsa da çift kullanımlı teknoloji gibi görünüyor; bu yüzden düzenleme gerekli gibi.
Society 5.0 hakkındaki bu yazıda lazer geçmiyor. Aşırı yüksek güçlü lazerlerin bu gelecek planı için neden özellikle önemli olduğunu bilen var mı?
https://www8.cao.go.jp/cstp/english/society5_0/index.html
https://www8.cao.go.jp/cstp/kihonkeikaku/5basicplan_en.pdf
O belgede bu planın öncelikleri olarak robotik, sensörler, aktüatörler, biyoteknoloji, insan arayüzleri, malzeme ve nanoteknoloji, ışık ve kuantum teknolojileri gibi alanlar listeleniyor. Biraz hayal gücüyle ucuz, güçlü ve küçük lazerlerin bunların her birine nasıl yardımcı olabileceği düşünülebilir.
Daha sıradan açıklama ise, araştırmacıların fonlarını gerekçelendirmek için sonuçlarını o dönemin siyasi önceliklerine bağlamaya çalışması olabilir.