Çeliği eritebilen ultra kompakt, ultra yüksek parlaklıklı lazer

Fotonik kristal tabanlı ultra yüksek parlaklıklı yarı iletken lazer geliştirildi

• Japon hükümeti 2016'da "beşinci toplum"un gelişini duyurdu; bu toplumda isteğe göre üretilen ürünler, bakım robotları, taksiler ve traktörler kullanılacak ve bunu mümkün kılan temel teknolojilerden biri de lazer olacak.
• Society 5.0 için gereken lazerlerin küçüklük, düşük maliyet, üretim kolaylığı, enerji verimliliği ve kontrol kolaylığı gibi koşulları karşılaması gerekiyor; ancak mevcut yarı iletken lazerler parlaklık (brightness) yetersizliği nedeniyle sınırlı kalıyordu.
• Kyoto Üniversitesi araştırma ekibi son 20 yılı aşkın süredir fotonik kristal yüzey yayan lazeri (PCSEL) geliştiriyor. Bu yapı, aktif katmanın içine nano ölçekli delik dizilerinden oluşan bir "İsviçre peyniri" katmanı ekleyerek ışığın ilerleyişini kontrol ediyor ve böylece aynı anda hem yüksek güç hem de dar ışın elde ediyor.
• PCSEL, mevcut yarı iletken lazerlere kıyasla 100 kattan fazla parlaklık üretebildiği için gaz/fiber lazerlerin yerini alması ve üretim ile otomotiv sanayisinde yenilik yaratması bekleniyor.
• Son dönemde çeliği kesebilen, 1 GW/cm2/sr sınıfında 3 mm açıklıklı bir PCSEL geliştirildi; teorik olarak ise 10~100 GW/cm2/sr seviyelerine kadar çıkmanın mümkün olacağı öngörülüyor.
• Yüksek güçlü uygulamalar için enerji verimliliği ve ısı yönetimi teknolojileri iyileştiriliyor; ayrıca otonom araçlar ve robotlar için ultra kompakt LiDAR sistemlerinde de PCSEL uygulanıyor.
• Uzun vadede ise 10 kW sınıfı çıkış ve 1000 GW/cm2/sr düzeyinde aşırı parlaklık üreten bir PCSEL geliştirilerek EUV litografi, nükleer füzyon ve hatta uzay aracı itki sistemleri gibi alanlarda kullanılması planlanıyor.

Fotonik kristalin prensibi

• Fotonik kristal, yarı iletkenlerin elektron akışını kontrol etmesine benzer şekilde ışık akışını kontrol eden bir yapıdır; kırılma indisinin dalga boyu ölçeğinde periyodik olarak değiştiği bir kafes yapısına sahiptir.
• Basit bir 1 boyutlu fotonik kristalde, cam ve havanın dönüşümlü yerleştirildiği yapıda ışık her sınır yüzeyinde kırılma ve yansımaya uğrayarak yapıcı/yıkıcı girişim oluşturur; belirli dalga boylarında duran dalga oluşur ve ışık yayılmaz.
• 2 boyutlu kare kafes yapısına sahip PCSEL'de delikler ışığı ileri-geri ve sağa-sola kırarak 2 boyutlu duran dalgalar oluşturur; bunlar aktif katmanda yükseltilerek tek dalga boylu bir lazer ışını meydana getirir.

Yüksek dereceli enine modların bastırılmasıyla daha yüksek parlaklık

• PCSEL'in ışık yayan alanı büyüdükçe yüksek dereceli enine modlar osilasyona başlamaktadır; bunun nedeni duran dalganın şiddet dağılımının birden fazla tepeye sahip olmasıdır.
• İlk aşamada tek kafes kullanılarak yaklaşık 200μm'ye kadar yüksek dereceli mod bastırılabiliyordu, ancak bunun ötesinde yeniden osilasyon başlıyordu.
• Çift kafes yapısı uygulanarak kafes içindeki ışığın yıkıcı girişimi tetiklendi ve böylece yüksek dereceli modların şiddet tepeleri zayıflatılarak açıklık 1 mm'ye çıkarıldı.
• Aynaların konumu ve kafes deliklerinin şekli ayarlanarak duran dalga ile yansıyan dalga arasında bağlaşım oluşturuldu; bunun sonucunda yüksek dereceli modların kaybı büyük ölçüde artırıldı ve 3 mm sınıfında ultra yüksek parlaklıklı PCSEL'in gerçekleştirilmesinde başarı sağlandı.

GN⁺ görüşü

• Mevcut yarı iletken lazerlere kıyasla parlaklığın 100 kattan fazla artırılabilmesi, üretim başta olmak üzere sanayi için büyük bir dönüşüm potansiyeli taşıyor gibi görünüyor. Ancak teknoloji hâlâ laboratuvar aşamasında ve ticarileşmesi zaman alacak gibi duruyor.
• Yüksek güçlü uygulamalar için %60'ın üzerinde yüksek elektro-optik dönüşüm verimliliği ve kW sınıfı çıkışlarda ısı yönetimi teknolojisinin sağlanması zorunlu olacaktır. Isı sorunu çözülebilirse mevcut CO2/fiber lazerlerin yerini rahatlıkla alabilir gibi görünüyor.
• Ultra kompakt LiDAR sistemleri daha hızlı ticarileşecek gibi görünüyor; mekanik ışın yönlendirme bölümünün kaldırılması ve entegrasyon sağlanması durumunda maliyet ciddi biçimde düşebilir. Ancak sensör performansı açısından mevcut yöntemlerle karşılaştırmalı doğrulamaya ihtiyaç var gibi görünüyor.
• EUV litografi veya lazerle nükleer füzyon gibi ultra yüksek parlaklıklı lazer gerektiren alanlarda mevcut dev lazerlerin yerini alabilirse büyük maliyet tasarrufu sağlayabilir. Ancak araştırma henüz erken aşamada olduğu için uygulanabilirliği belirsiz.
• Uzay aracı itki alanı ilgi çekici olsa da hayata geçirilmesine daha uzun bir yol var gibi görünüyor. Öncelikle onlarca kW sınıfında lazerlerin geliştirilmesi gerekecek; teknik ve maliyet engellerinin yüksek olması bekleniyor. Güneş ışınım basıncını kullanan solar sail yaklaşımı daha gerçekçi bir alternatif olabilir.

[GN⁺]

Hacker News görüşü

Özet:

• PCSEL'ler (Photonic Crystal Surface Emitting Lasers), kelimenin tam anlamıyla bir güç alanı olmasa da, havada neredeyse anında herhangi bir şeyi durdurabilme yeteneği açısından buna benziyor.
• Ev/küçük atölyelerde metali kesebilen ucuz lazer teknolojisi umut veriyor. Ancak tehlikeli de olabileceğine dikkat etmek gerekiyor.
• Hidrojen-bor (aneutronic) füzyonuyla birleştirildiğinde, ısıl santral olmadan elektriği doğrudan üretme olasılığı gösteriyor. Buna daha birkaç yıl var, ama umut verici.
• Bu, ASML makinelerinin temiz ve küçük 2D desenler oluşturmak için UV lazeri (açı) ve kırınım ızgaralarını ayarlamasına benziyor.
• Bu ölçekte ışığın etkileşimini modellemenin ne kadar zor olduğu merak ediliyor. Olasılıksal çözümlerin mümkün olup olmadığı da gündeme geliyor.
• Soğutma sorunu, yüksek güçlü LED aydınlatmada olduğu gibi kilit konu olacak. Hâlâ epeyce donanım gerekiyor.
• Neden buna doğrudan "ışın kılıcı" denmediği sorgulanıyor. Sanki bir fırsat kaçırılmış.
• Bu tür yüzeyden yayım özellikleri nedeniyle, birden çok çipi faz kilitli hale getirmek daha kolay olabilir. Bu da uzun mesafelerde büyük açıklık ve güç iletimi için faydalı olabilir.
• Yüksek verimli büyük açıklıklı lazerlerin bir uygulama alanı, yer üssünden veya uzay lazer üslerinden uzun menzilli uçaklara güç sağlamak olabilir. Hiç yakıt kullanılmaması fikri cazip.
• Ucuz ev tipi lazer kesiciler, ahşap, deri ve plastiğin yanı sıra metali de kesebilir hale gelecek mi?
• Bu makale, PCSEL'i edge-emitting lazerlerle karşılaştırırken kafa karıştırıyor; ancak bu daha çok VCSEL'e getirilen yeni bir iyileştirme gibi görünüyor ve VCSEL'ler 2000 yılı civarından beri yüksek çıkış yoğunluğu sağlıyor.
• Görünüşe göre lazer tabancası çağının eşiğine gelmiş durumdayız.