Konpare ak lazè gaz ankonbran ak lazè fib, lazè semi-conducteurs gen avantaj ki genyen nan ti gwosè, efikasite enèji segondè, koerans segondè, ak kontwòlabilite segondè. Sepandan, itilize materyèl semi-conducteurs kòm materyèl travay pou pwodwi eksitan emisyon lazè a, men tou gen pwòp défauts nannan: karakteristik tanperati pòv, fasil pou jenere bri, pèsistans yap ogmante jiska limyè dispèsyon grav. Youn nan konsekans domaj sa yo se ke - li difisil pou reyalize nivo klète pou koupe endistriyèl-klas asye epè ak sou sa.
Sepandan, yon rezilta rechèch ki te pibliye semèn pase a nan jounal Nature ka espere kraze sitiyasyon sa a, yon pwogrè kle:
Yo rapòte ke yon gwoup chèchè nan Kyoto University nan Japon, ki te dirije pa IEEE Fellow Susumu Noda, te fè yon gwo etap pi devan nan simonte limit yo klète nan lazè semi-conducteurs pa chanje estrikti nan lazè fotonik kristal sifas emèt (PCSELs).
Kristal fotonik yo konpoze de twou regilye nanokal enflatab detache nan yon fèy semiconductor. Lazè kristal fotonik yo se youn nan "jwè potansyèl yo" nan jaden an nan lazè gwo klète, men jiska kounye a, enjenyè yo pa te kapab pote yo bay travès klere ase yo dwe itilize pou koupe aktyèl metal ak pwosesis. Chèchè yo te travay pou optimize pèfòmans lazè semi-conducteurs, ki gen ladan efikasite konvèsyon pouvwa, pouvwa pwodiksyon, bon jan kalite gwo bout bwa, nivo enèji lazè, karakteristik espèk, gwosè, solidite nan bri endezirab ak jesyon tèmik, fyab, elatriye (Remak: Klate se yon mezi pouvwa pwodiksyon lazè ak bon jan kalite gwo bout bwa, ki anglobe degre nan konsantre ak divergence nan yon gwo bout bwa nan limyè. (Valè papòt la pou pwosesis metal se apeprè 1 gigawatt / cm2.)
Ekip rechèch ki endike anwo a ki te dirije pa Akademisyen Susumu Noda te akimile plis pase 20 ane eksperyans rechèch nan devlopman PCSEL. An tèm de rezilta konkrè: yo te kapab devlope yon lazè ak yon dyamèt 3 mm, ki se yon 10-pliye ogmantasyon nan zòn sou aparèy PCSEL anvan yo ak yon dyamèt 1 mm. Pouvwa pwodiksyon lazè inovatè sa a se 50W, ki se yon ogmantasyon siyifikatif konpare ak 5-10W pouvwa pwodiksyon 1mm PCSEL yo. Klere nan nouvo lazè sa a se apeprè 1GW/cm2/str, ki ase pou yon seri aplikasyon kounye a domine pa lazè gaz ak fib, tankou fabrikasyon presizyon entelijan nan endistri elektwonik ak otomobil. Nivo klète segondè sa a ase tou pou aplikasyon pou plis espesifik tankou kominikasyon satelit ak pwopilsyon satelit.
Nan ogmante gwosè a ak klète nan lazè kristal fotonik, yon kantite defi yo rankontre. Espesyalman, semi-conducteurs lazè rankontre anbouteyaj lè zòn emisyon yo elaji: yon zòn lazè pi laj vle di ke gen plas pou osilasyon kontinyèl nan limyè nan direksyon emisyon an ak lateralman, ak osilasyon lateral sa yo (ke yo rekonèt kòm mòd pi wo / mòd pi wo). ) detwi jisteman kalite gwo bout bwa a. Anplis de sa, si lazè a sibi operasyon kontinyèl, chalè a andedan lazè a chanje endèks refraktif aparèy la, ki mennen nan plis deteryorasyon nan bon jan kalite a gwo bout bwa.
Pwen dekouvèt kle ekip rechèch Susumu Noda te pote se ke yo te entegre kristal fotonik nan lazè a epi yo te modifye kouch refleksyon entèn la pou pèmèt yon sèl-mòd osilasyon sou yon zòn ki pi gwo ak konpanse pou domaj tèmik. De chanjman sa yo pèmèt PCSEL la kenbe bon jan kalite gwo bout bwa menm pandan operasyon kontinyèl.
Pou entegre kristal fotonik la, ekip la te fèt yon modèl twou nan kouch kristal la ki detounen limyè nan yon fason efikas, sa ki lakòz yon gwo bout bwa ki gen anpil ti divergens. Yo te itilize litografi nanoimprint pou fabrike kristal fotonik yo, kidonk akselere pwodiksyon an.
Nan yon tipik lazè kristal fotonik, kavite sa yo, ki gen yon endèks refraktif diferan pase semi-kondiktè ki antoure a, detounen limyè ki andedan lazè a nan yon fason egzak. Ak ekip rechèch Susumu Noda a te fèt modèl twou nan kristal la pou limyè a ta dwe devye pa yon seri twou sikilè ak eliptik ki rete yon ka nan yon longèdonn lazè lwen youn ak lòt. Evantyèlman, devyasyon sa yo lakòz pèt nan modèl ki pi wo yo, sa ki lakòz yon gwo bout bwa ki gen prèske pa gen okenn divèjans.
Konsèp sa a bon ase pou yon lazè 1 mm, men pwolonje li nan yon zòn 3 mm mande pou plis inovasyon. Pou reyalize yon sèl-mòd osilasyon sou yon zòn ki pi gwo, chèchè yo ajiste pozisyon reflektè a nan pati anba a nan lazè a, ki te lakòz plis pèt mòd vle nan direksyon vètikal la.
Finalman, ekip rechèch Susumu Noda a tou te adrese pwoblèm nan nan chalè chanje endèks la refraktif nan aparèy la ak sa ki lakòz gwo bout bwa a diverge. Yo rezoud pwoblèm sa a pa yon ti kras chanje peryòd la nan twou gaz yo nan kristal fotonik la pou yo nan plas la dwat lè lazè a se nan plen pouvwa.
Ekip li a te etabli Sant Ekselans pou Photonic Crystal Sifas Emisyon Lazè nan Kyoto University, ki kouvri yon zòn 1,000m2, ak plis pase 85 konpayi ak enstiti rechèch ki enplike nan devlopman nan teknoloji PCSEL. Ekip la ap endistriyalize konsepsyon PCSEL yo pou pwodiksyon an mas.
Kòm yon pati nan pwosesis sa a, yo te konplete konvèsyon nan litografi travès elèktron pou kristal fotonik nan litografi nanoimprint pou kristal fotonik. Litografi elektwon-gwo bout bwa trè presi, men anjeneral twò dousman pou pwodiksyon an mas. Nanoimprint litografi, ki fondamantalman tenm sou yon modèl sou yon semi-conducteurs, se valab pou kreye modèl trè regilye byen vit.
Noda te eksplike ke nan lavni ekip la pral plis elaji dyamèt lazè a soti nan 3 mm a 10 mm, yon gwosè ki ta ka pwodwi 1 kW nan pouvwa pwodiksyon, byenke objektif sa a ta ka reyalize tou lè l sèvi avèk yon etalaj de 3 mm PCSELs. Li prevwa ke menm teknoloji a ak aparèy 3 mm yo ta ka itilize pou echèl jiska 10 mm (ki espere pwodwi yon gwo bout bwa 1 kW), e ke itilize menm konsepsyon an ta sifi.
