En comparación con los láseres de gas voluminosos y los láseres de fibra, los láseres semiconductores tienen las ventajas de un tamaño pequeño, alta eficiencia energética, alta coherencia y alta capacidad de control. Sin embargo, el uso de materiales semiconductores como material de trabajo para producir la emisión excitada del láser, pero también tiene sus propios defectos inherentes: malas características de temperatura, fácil de generar ruido, la dispersión de la luz de salida es grave. Una de las consecuencias de estos defectos es que es difícil lograr el nivel de brillo para el corte industrial de acero grueso, etc.
Sin embargo, se espera que un resultado de investigación publicado la semana pasada en la revista Nature rompa esta situación, un avance clave:
Se informa que un grupo de investigadores de la Universidad de Kyoto en Japón, dirigido por el miembro del IEEE Susumu Noda, ha dado un gran paso adelante para superar las limitaciones de brillo de los láseres semiconductores al cambiar la estructura de los láseres emisores de superficie de cristal fotónico (PCSEL).
Los cristales fotónicos están compuestos por agujeros inflables regulares a nanoescala perforados en una lámina semiconductora. Los láseres de cristal fotónico son uno de los "jugadores potenciales" en el campo de los láseres de alto brillo, pero hasta ahora, los ingenieros no han podido desarrollarlos para proporcionar haces lo suficientemente brillantes como para ser utilizados para el corte y procesamiento de metales reales. Los investigadores han estado trabajando para optimizar el rendimiento de los láseres semiconductores, incluida la eficiencia de conversión de energía, la potencia de salida, la calidad del haz, el nivel de energía del láser, las características espectrales, el tamaño, la solidez frente al ruido no deseado y la gestión térmica, la confiabilidad, etc. (Nota: el brillo es un medida de la potencia de salida del láser y la calidad del haz, que abarca el grado de enfoque y divergencia de un haz de luz (el valor umbral para el procesamiento de metales es de aproximadamente 1 gigavatio/cm2).
El equipo de investigación mencionado anteriormente dirigido por el académico Susumu Noda ha acumulado más de 20 años de experiencia en investigación en el desarrollo de PCSEL. En términos de resultados concretos: pudieron desarrollar un láser con un diámetro de 3 mm, que es un área 10-veces mayor que los dispositivos PCSEL anteriores con un diámetro de 1 mm. La potencia de salida de este innovador láser es de 50 W, lo que representa un aumento significativo en comparación con la potencia de salida de 5-10 W de los PCSEL de 1 mm. El brillo de este nuevo láser es de aproximadamente 1 GW/cm2/str, que es suficiente para una gama de aplicaciones actualmente dominadas por láseres de gas y fibra, como la fabricación inteligente de precisión en las industrias electrónica y automotriz. Este alto nivel de brillo también es suficiente para aplicaciones más específicas, como las comunicaciones por satélite y la propulsión de satélites.
Al aumentar el tamaño y el brillo de los láseres de cristal fotónico, se encuentran varios desafíos. Específicamente, los láseres semiconductores encuentran cuellos de botella cuando se expande su área de emisión: un área de láser más amplia significa que hay espacio para oscilaciones continuas de luz en la dirección de emisión y lateralmente, y estas oscilaciones laterales (conocidas como Modos de orden superior/Modos de orden superior ) destruyen precisamente la calidad del haz. Además, si el láser se somete a un funcionamiento continuo, el calor dentro del láser cambia el índice de refracción del dispositivo, lo que provoca un mayor deterioro de la calidad del haz.
El punto de avance clave presentado por el equipo de investigación de Susumu Noda es que incrustaron cristales fotónicos en el láser y modificaron la capa de reflexión interna para permitir la oscilación monomodo en un área más grande y compensar el daño térmico. Estos dos cambios permiten que el PCSEL mantenga una alta calidad de haz incluso durante el funcionamiento continuo.
Para incrustar el cristal fotónico, el equipo diseñó un patrón de agujeros en la capa de cristal que desvía la luz de manera eficiente, lo que da como resultado un haz con muy poca divergencia. Utilizaron litografía de nanoimpresión para fabricar los cristales fotónicos, acelerando así la producción.
En un láser de cristal fotónico típico, estas cavidades, que tienen un índice de refracción diferente al del semiconductor circundante, desvían la luz dentro del láser de manera precisa. Y el equipo de investigación de Susumu Noda diseñó el patrón de agujeros en el cristal para que la luz fuera desviada por un conjunto de agujeros circulares y elípticos que permanecen a un cuarto de longitud de onda láser de distancia entre sí. Eventualmente, estas desviaciones causan pérdidas en los patrones de orden superior, lo que da como resultado un haz de alta calidad casi sin divergencia.
Este concepto es lo suficientemente bueno para un láser de 1 mm, pero extenderlo a un área de 3 mm requiere más innovación. Para lograr una oscilación monomodo en un área más grande, los investigadores ajustaron la posición del reflector en la parte inferior del láser, lo que provocó una mayor pérdida de modo no deseada en la dirección vertical.
Finalmente, el equipo de investigación de Susumu Noda también abordó el problema del calor que cambia el índice de refracción del dispositivo y hace que el haz diverja. Resolvieron este problema cambiando ligeramente el período de los agujeros de gas en el cristal fotónico para que estén en el lugar correcto cuando el láser está a plena potencia.
Su equipo ha establecido el Centro de Excelencia para Láseres Emisores de Superficie de Cristal Fotónico en la Universidad de Kyoto, que cubre un área de 1,000m2, y más de 85 empresas e institutos de investigación están involucrados en el desarrollo de la tecnología PCSEL. El equipo está industrializando su diseño PCSEL para la producción en masa.
Como parte de este proceso, han completado la conversión de litografía de haz de electrones para cristales fotónicos a litografía de nanoimpresión para cristales fotónicos. La litografía por haz de electrones es muy precisa, pero suele ser demasiado lenta para la producción en masa. La litografía de nanoimpresión, que básicamente estampa un patrón en un semiconductor, es valiosa para crear rápidamente patrones muy regulares.
Noda explicó que en el futuro el equipo ampliará aún más el diámetro del láser de 3 mm a 10 mm, un tamaño que podría producir 1 kW de potencia de salida, aunque este objetivo también podría lograrse mediante el uso de una matriz de PCSEL de 3 mm. Anticipa que la misma tecnología que el dispositivo de 3 mm podría usarse para escalar hasta 10 mm (que se espera que produzca un haz de 1 kW), y que usar el mismo diseño sería suficiente.
