Dibandingkan dengan laser gas besar dan laser serat, laser semikonduktor memiliki keunggulan ukuran kecil, efisiensi energi tinggi, koherensi tinggi, dan kontrol yang tinggi. Namun, penggunaan bahan semikonduktor sebagai bahan kerja untuk menghasilkan emisi laser yang bersemangat, tetapi juga memiliki cacat bawaannya sendiri: karakteristik suhu yang buruk, kebisingan yang mudah dihasilkan, dispersi cahaya keluaran yang serius. Salah satu konsekuensi dari cacat ini adalah - sulit untuk mencapai tingkat kecerahan untuk pemotongan baja tebal kelas industri dan sebagainya.
Namun, hasil penelitian yang diterbitkan minggu lalu di jurnal Nature diharapkan dapat memecahkan situasi ini, kemajuan utama ::
Dilaporkan bahwa sekelompok peneliti di Universitas Kyoto di Jepang, dipimpin oleh IEEE Fellow Susumu Noda, telah mengambil langkah maju yang besar dalam mengatasi keterbatasan kecerahan laser semikonduktor dengan mengubah struktur laser pemancar permukaan kristal fotonik (PCSELs).
Kristal fotonik terdiri dari lubang tiup skala nano biasa yang dilubangi dalam lembaran semikonduktor. Laser kristal fotonik adalah salah satu "pemain potensial" di bidang laser dengan kecerahan tinggi, tetapi hingga saat ini, para insinyur belum dapat memunculkannya untuk memberikan sinar yang cukup terang untuk digunakan pada pemotongan dan pemrosesan logam yang sebenarnya. Para peneliti telah bekerja untuk mengoptimalkan kinerja laser semikonduktor, termasuk efisiensi konversi daya, daya keluaran, kualitas pancaran, tingkat energi laser, karakteristik spektral, ukuran, ketahanan terhadap kebisingan yang tidak diinginkan dan manajemen termal, keandalan, dll. (Catatan: Kecerahan adalah a ukuran daya output laser dan kualitas pancaran, yang mencakup tingkat fokus dan divergensi seberkas cahaya (Nilai ambang untuk pemrosesan logam adalah sekitar 1 gigawatt/cm2.)
Tim peneliti yang disebutkan di atas dipimpin oleh Akademisi Susumu Noda telah mengumpulkan lebih dari 20 tahun pengalaman penelitian dalam pengembangan PCSEL. Dalam hal hasil nyata: mereka mampu mengembangkan laser dengan diameter 3 mm, yang merupakan peningkatan luas 10-kali lipat dibandingkan perangkat PCSEL sebelumnya dengan diameter 1 mm. Daya keluaran laser inovatif ini adalah 50W, yang merupakan peningkatan signifikan dibandingkan dengan 5-10W daya keluaran PCSEL 1 mm. Kecerahan laser baru ini kira-kira 1GW/cm2/str, yang cukup untuk berbagai aplikasi yang saat ini didominasi oleh laser gas dan serat, seperti pembuatan cerdas presisi di industri elektronik dan otomotif. Tingkat kecerahan yang tinggi ini juga cukup untuk aplikasi yang lebih spesifik seperti komunikasi satelit dan propulsi satelit.
Dalam meningkatkan ukuran dan kecerahan laser kristal fotonik, sejumlah tantangan dihadapi. Secara khusus, laser semikonduktor mengalami hambatan ketika area pancarannya diperluas: area laser yang lebih luas berarti ada ruang untuk osilasi cahaya yang berkelanjutan dalam arah pancaran dan secara lateral, dan osilasi lateral ini (dikenal sebagai Mode Orde Tinggi/Mode Orde Tinggi ) menghancurkan justru kualitas balok. Selain itu, jika laser terus beroperasi, panas di dalam laser mengubah indeks bias perangkat, yang menyebabkan penurunan kualitas sinar lebih lanjut.
Titik terobosan utama yang dibawa oleh tim peneliti Susumu Noda adalah bahwa mereka telah menanamkan kristal fotonik dalam laser dan memodifikasi lapisan refleksi internal untuk mengaktifkan osilasi mode tunggal di area yang lebih luas dan untuk mengkompensasi kerusakan termal. Kedua perubahan ini memungkinkan PCSEL mempertahankan kualitas sinar yang tinggi bahkan selama pengoperasian terus-menerus.
Untuk menyematkan kristal fotonik, tim merancang pola lubang di lapisan kristal yang membelokkan cahaya dengan cara yang efisien, menghasilkan sinar dengan sedikit divergensi. Mereka menggunakan litografi nanoimprint untuk membuat kristal fotonik, sehingga mempercepat produksi.
Dalam laser kristal fotonik tipikal, rongga ini, yang memiliki indeks bias berbeda dari semikonduktor di sekitarnya, membelokkan cahaya di dalam laser dengan tepat. Dan tim peneliti Susumu Noda merancang pola lubang di kristal sehingga cahaya akan dibelokkan oleh serangkaian lubang melingkar dan elips yang berjarak seperempat panjang gelombang laser dari satu sama lain. Akhirnya, defleksi ini menyebabkan kerugian pada pola orde tinggi, menghasilkan sinar berkualitas tinggi dengan hampir tidak ada divergensi.
Konsep ini cukup bagus untuk laser 1 mm, tetapi memperluasnya ke area 3 mm memerlukan inovasi lebih lanjut. Untuk mencapai osilasi mode tunggal di area yang lebih luas, para peneliti menyesuaikan posisi reflektor di bagian bawah laser, yang menyebabkan lebih banyak kehilangan mode yang tidak diinginkan pada arah vertikal.
Terakhir, tim peneliti Susumu Noda juga membahas masalah panas yang mengubah indeks bias perangkat dan menyebabkan pancaran menyimpang. Mereka memecahkan masalah ini dengan sedikit mengubah periode lubang gas di kristal fotonik sehingga berada di tempat yang tepat saat laser dengan kekuatan penuh.
Timnya telah mendirikan Pusat Keunggulan untuk Laser Pemancar Permukaan Kristal Fotonik di Universitas Kyoto, yang meliputi area seluas 1,000m2, dan lebih dari 85 perusahaan dan lembaga penelitian terlibat dalam pengembangan teknologi PCSEL. Tim sedang melakukan industrialisasi desain PCSEL mereka untuk produksi massal.
Sebagai bagian dari proses ini, mereka telah menyelesaikan konversi dari litografi berkas elektron untuk kristal fotonik menjadi litografi nanoimprint untuk kristal fotonik. Litografi berkas elektron sangat presisi, tetapi biasanya terlalu lambat untuk produksi massal. Litografi nanoimprint, yang pada dasarnya mencap pola ke semikonduktor, sangat berharga untuk membuat pola yang sangat teratur dengan cepat.
Noda menjelaskan bahwa di masa depan tim akan memperluas diameter laser dari 3 mm menjadi 10 mm, ukuran yang dapat menghasilkan daya output 1 kW, meskipun tujuan ini juga dapat dicapai dengan menggunakan rangkaian PCSEL 3 mm. Dia mengantisipasi bahwa teknologi yang sama dengan perangkat 3 mm dapat digunakan untuk skala hingga 10 mm (yang diharapkan menghasilkan sinar 1 kW), dan menggunakan desain yang sama sudah cukup.
