Laser ultrakecil dengan kecerahan sangat tinggi yang dapat melelehkan baja
(spectrum.ieee.org)- PCSEL dari tim Kyoto University adalah laser pemancar permukaan kristal fotonik yang melampaui batas kecerahan rendah laser semikonduktor, dan pada ukuran 3 mm mendemonstrasikan pemotongan baja dengan kecerahan setara laser gas dan fiber
- Inti performanya adalah lapisan kristal fotonik di dalam semikonduktor; susunan lubang nanometer mengikat cahaya sebagai gelombang berdiri dua dimensi dan hanya memperkuat mode dasar, menghasilkan berkas yang kuat dan sempit
- Pada 2023, PCSEL mencapai kecerahan 1 GW/cm²/sr, output kontinu 50 W, diameter emisi 3 mm, dan divergensi berkas 1/20 derajat, lalu memotong pelat logam setebal 100 μm
- Untuk pemrosesan industri seperti produksi komponen otomotif, dibutuhkan output kelas kilowatt, sehingga susunan sembilan PCSEL 3 mm atau perluasan area emisi menjadi 1 cm menjadi tantangan berikutnya
- PCSEL berkecerahan tinggi tidak hanya menargetkan manufaktur, tetapi juga lidar kecil, beam steering on-chip, litografi EUV, fusi nuklir, hingga penerbangan antariksa berpenggerak cahaya, meski masih membutuhkan output, efisiensi, dan manajemen panas yang lebih tinggi
Laser yang dibutuhkan Society 5.0
- Visi Society 5.0 yang diperkenalkan pemerintah Jepang pada 2016 mencakup teknologi seperti manufaktur sesuai pesanan, perawatan robotik, serta taksi dan traktor otonom
- Laser di lingkungan ini harus cukup kecil dan murah untuk masuk ke perangkat sehari-hari, mudah diproduksi, hemat energi, dan dapat dikendalikan secara presisi untuk kustomisasi massal
- Laser semikonduktor unggul dari sisi ukuran dan biaya, tetapi memiliki keterbatasan besar berupa kecerahan yang rendah
- Kecerahan laser didefinisikan sebagai daya optik per satuan area dan per satuan sudut ruang
- Pemrosesan material seperti pemotongan, pengelasan, dan pengeboran membutuhkan kira-kira tingkat 1 GW/cm²/sr
- Kecerahan laser semikonduktor komersial jauh lebih rendah dari tingkat ini
- Dalam lidar, kecerahan juga menentukan biaya dan performa
- Untuk pengukuran presisi pada jarak jauh atau kecepatan tinggi, berkas harus terkonsentrasi secara sempit
- Lidar kelas atas saat ini menggunakan lebih dari 100 laser semikonduktor dan konfigurasi lensa yang dipasang secara manual, sehingga biayanya tinggi
Laser konvensional dan bottleneck laser semikonduktor
- Laser CO₂ dan laser fiber dapat menghasilkan berkas berkecerahan sangat tinggi dalam aplikasi industri, tetapi lebih besar dan mahal daripada laser semikonduktor, kurang efisien energi, dan lebih sulit dikendalikan
- Laser CO₂ berdaya tinggi dapat membesar hingga seukuran kulkas
- Laser semikonduktor konvensional biasanya memperkuat cahaya di sepanjang stripe tipis pada lapisan aktif, dan berkas keluar dari tepi depan chip
- Untuk meningkatkan output, area emisi harus diperlebar, tetapi pada stripe yang melebar muncul mode transversal orde tinggi, ketika cahaya berosilasi dalam jalur zig-zag
- Mode orde tinggi membuat berkas berbintik dan melebar
- Kecerahan laser semikonduktor konvensional mencapai batas pada sekitar 100 MW/cm²/sr
Cara mempersempit berkas dengan kristal fotonik
- PCSEL memiliki lapisan aktif dan lapisan cladding seperti laser semikonduktor biasa, tetapi menambahkan lapisan kristal fotonik di dalamnya, dengan lubang nanometer tersusun dua dimensi
- Kristal fotonik mengendalikan aliran cahaya sebagaimana semikonduktor mengendalikan aliran elektron
- Struktur seperti lubang, kubus, dan pilar ditempatkan secara periodik pada skala panjang gelombang cahaya
- Saat indeks bias berubah secara periodik, cahaya dengan panjang gelombang dan arah tertentu dipantulkan dan berinterferensi
- Kristal fotonik dasar pada PCSEL adalah kisi persegi dua dimensi
- Misalnya, laser gallium arsenide yang beroperasi pada 940 nm memiliki panjang gelombang internal sekitar 280 nm
- Pada PCSEL gallium arsenide dasar, jarak antarlubang disetel sekitar 280 nm
- Susunan lubang bertindak seperti cermin kecil yang membelokkan cahaya ke belakang dan ke samping, dan banyak difraksi bergabung membentuk gelombang berdiri dua dimensi
- Lapisan aktif memperkuat gelombang berdiri ini
- Sebagian cahaya terdifraksi ke atas dan ke bawah, lalu dipancarkan dari permukaan chip sebagai berkas satu panjang gelombang
- Berbeda dari laser edge-emitting konvensional, PCSEL memancarkan cahaya dari permukaan; area emisinya luas dan umumnya bulat, sehingga dapat menghasilkan berkas berkualitas tinggi dengan sudut divergensi rendah
Desain per generasi yang meningkatkan kecerahan
- Pada 1998, tim Kyoto University membuat PCSEL pertama, lalu terus menyempurnakan desain untuk operasi berkecerahan tinggi
- Pada 2014, mereka melaporkan PCSEL yang memakai kisi persegi dengan lubang segitiga
- Area emisi 200×200 μm
- Output sekitar 1 W dalam operasi kontinu
- Sudut divergensi berkas sekitar 2 derajat
- Jauh lebih sempit daripada divergensi umum laser semikonduktor konvensional yang 30 derajat atau lebih
- Desain kisi tunggal memunculkan mode transversal orde tinggi jika ukurannya melewati sekitar 200 μm
- Pada mode dasar, intensitas cahaya terpusat di tengah
- Pada mode orde tinggi, muncul dua, tiga, empat, atau lebih puncak intensitas
- Pada area emisi kecil, puncak mode orde tinggi berada di tepi sehingga cahaya bocor ke samping dan tidak berosilasi
- Ketika area emisi membesar, mode orde tinggi mendapat ruang untuk berosilasi
- Untuk mencegah hal ini, tim peneliti memperkenalkan kisi ganda
- Kisi persegi berisi lubang bundar digeser seperempat panjang gelombang dari kisi persegi kedua berisi lubang elips
- Sebagian cahaya terdifraksi mengalami interferensi destruktif, sehingga puncak intensitas mode orde tinggi melemah dan menyebar
- PCSEL berdiameter 1 mm yang dibuat dengan kisi ganda menghasilkan berkas 10 W dalam operasi kontinu
- Sudut divergensinya 0,1 derajat
- Kecerahannya lebih dari 3 kali lebih tinggi daripada yang dapat dicapai laser semikonduktor konvensional
- Berbeda dari laser konvensional berukuran sama, perangkat ini berosilasi dalam mode tunggal
Pemotongan baja dengan PCSEL 3 mm
- Pada diameter yang lebih besar, kisi ganda saja sulit menekan mode orde tinggi secara memadai
- Tim peneliti menyesuaikan reflektor belakang berdasarkan fakta bahwa mode orde tinggi keluar dari laser dengan sudut agak miring
- Pada generasi sebelumnya, reflektor belakang hanya berfungsi mengembalikan cahaya yang terdifraksi ke bawah menuju permukaan emisi atas
- Dengan menyesuaikan posisi reflektor serta jarak dan bentuk lubang kristal fotonik, cahaya yang keluar dibuat berinterferensi dengan gelombang berdiri dua dimensi di lapisan kristal fotonik
- Semakin miring gelombang yang keluar, semakin banyak energi yang hilang, sehingga mode orde tinggi terblokir secara selektif
- PCSEL yang dikembangkan pada 2023 mencapai kecerahan 1 GW/cm²/sr, setara laser gas dan fiber
- Diameter emisi 3 mm
- Output kontinu maksimum 50 W
- Sudut divergensi berkas 1/20 derajat
- Perangkat ini mendemonstrasikan pemotongan baja dengan memotong cakram dari pelat logam setebal 100 μm
Tantangan menuju aplikasi industri kelas kilowatt
- Demonstrasi pemotongan baja memang impresif, tetapi untuk bersaing di pasar industri dibutuhkan output yang lebih tinggi
- Produksi komponen otomotif membutuhkan kira-kira output optik kelas kilowatt
- PCSEL kelas kilowatt dapat didekati dengan dua cara
- Menyusun sembilan PCSEL 3 mm dalam array
- Memperluas area emisi perangkat saat ini menjadi 1 cm
- Pada ukuran 1 cm, mode orde tinggi dapat muncul kembali dan menurunkan kualitas berkas
- Meski begitu, perangkat ini dapat menghasilkan kecerahan yang mirip dengan laser gas dan fiber berdaya tinggi, sehingga dapat menggantikan sebagian laser konvensional yang lebih besar
- Agar PCSEL 1 cm benar-benar membawa perubahan, mode orde tinggi perlu ditekan
- Tim peneliti merancang cara untuk menyetel halus struktur kristal fotonik dan posisi reflektor
- Belum diuji di laboratorium, tetapi model teoritis menunjukkan kemungkinan kecerahan 10–100 GW/cm²/sr
Efisiensi dan manajemen panas
- Dalam aplikasi berdaya tinggi, efisiensi energi dan manajemen panas sama pentingnya dengan performa
- Sebelum optimasi, efisiensi wall-plug PCSEL sudah 30–40%
- Ini lebih tinggi daripada sebagian besar laser CO₂ dan laser fiber
- Tim peneliti menemukan jalur untuk meningkatkan efisiensi hingga 60%
- Teknologi pendinginan air yang saat ini digunakan di laboratorium diperkirakan cukup untuk PCSEL 1.000 W, 1 cm
Lidar dan beam steering on-chip
- PCSEL berkecerahan tinggi juga dapat digunakan untuk membuat sistem sensor bagi mobil otonom dan robot menjadi lebih kecil dan murah
- Sistem lidar yang baru-baru ini dibuat menggunakan PCSEL 500 μm
- Digerakkan sekitar 20 W dalam operasi pulsa
- Bahkan pada jarak 30 m, ukuran spot hanya 5 cm
- Ini adalah resolusi yang tidak biasa untuk sistem lidar kecil tanpa lensa eksternal
- Prototipenya berukuran kira-kira sebesar webcam, dan dipasang pada gerobak robot yang diprogram untuk mengikuti orang dan satu sama lain di dalam gedung teknik
- Dalam studi terpisah, ditunjukkan bahwa PCSEL dapat menghasilkan beberapa berkas dan mengendalikannya secara elektronik agar menunjuk ke berbagai arah
- Beam steering on-chip diwujudkan dengan mengubah posisi dan ukuran lubang di lapisan kristal fotonik
- Pada akhirnya, ini dapat menggantikan beam steering mekanis pada lidar
- Jika fotodetektor juga diintegrasikan pada chip yang sama, sistem navigasi sepenuhnya elektronik dapat dibuat sangat kecil dan murah
Target jangka panjang hingga EUV, fusi nuklir, dan propulsi cahaya
- Dalam jangka panjang, targetnya adalah output di atas 10 kW dari laser 3 cm dan kecerahan hingga 1.000 GW/cm²/sr
- Tingkat ini lebih cerah daripada laser mana pun yang ada saat ini
- PCSEL berkecerahan ekstrem dapat meningkatkan efisiensi manufaktur chip dengan menggantikan laser CO₂ besar dan berdaya tinggi yang membuat pulsa plasma pada peralatan litografi EUV
- Ada juga potensi aplikasi pada fusi nuklir
- Fusi nuklir mencakup proses menembakkan output laser kelas triliunan watt ke kapsul bahan bakar seukuran kacang polong
- Penerbangan antariksa berpenggerak cahaya juga merupakan aplikasi potensial
- Wahana yang dipercepat oleh cahaya dapat mencapai bintang jauh dalam beberapa dekade, bukan ribuan tahun
1 komentar
Pendapat di Hacker News
Artikel ini dengan baik menyoroti dampak industri dari laser yang lebih kuat dan lebih kecil, tetapi membuat saya berharap PCSEL bisa turun hingga ke pasar bengkel skala kecil
Akan sangat berguna jika ada laser murah yang bisa memotong logam di rumah atau bengkel kecil. Tentu saja, seperti laser pada umumnya, ini juga diam-diam berbahaya
Laser hanya melelehkan logam, tetapi tidak mengeluarkannya dari celah potongan, dan beberapa logam dapat bereaksi di udara biasa lalu memercik kembali ke arah optik emisi. Karena itu, gas bertekanan harus ditiupkan ke area potong untuk menyingkirkannya
Untuk material tipis atau sebagian logam, meniupkan banyak udara terkompresi yang sangat bersih dan kering saja sudah cukup, tetapi dalam kasus lain diperlukan gas reaktif/nonreaktif tertentu atau campuran gas. Pemotongan plasma biasanya meniup area potong dengan udara, sedangkan pemotongan oksigen membuatnya bereaksi dengan oksigen berlebih lalu meniupnya keluar
Laser lebih rumit karena lebar potongannya sangat sempit, sehingga biaya bahan habis pakai bisa menjadi cukup besar tanpa disangka. Laser yang lebih kuat kadang juga harus menjalankan perangkat optiknya dalam vakum lemah, karena debu dan plasma yang dihasilkan oleh udara itu sendiri dapat mengikis komponen mahal
Produk sampingan juga menjadi masalah. Bahan organik terurai menjadi berbagai zat mirip organik yang tidak baik dihirup atau dibuang ke permukaan tanah dekat tetangga, dan jika produk sampingan pemotongan logam tidak dibersihkan cukup sering, serbuk halusnya dapat mencapai massa kritis dan menjadi cukup berbahaya. Kebakaran besi atau aluminium akan merusak laser, dan jika besi serta aluminium terbakar bersama, bukan hanya laser yang bisa rusak, melainkan juga alas dan beton di bawahnya
Menurut saya, peralatan seperti ini sebaiknya ditangani hanya dengan kamera, bukan dilihat langsung
Jika ini digabungkan dengan fusi aneutronik hidrogen-boron, mungkin listrik bisa dibuat langsung tanpa mesin kalor
Masih beberapa tahun lagi, tetapi ini menunjukkan salah satu jalur untuk maju
Artikel ini mengatakan mereka merencanakan 10 kW, yaitu 10^4 W, sedangkan petawatt adalah 10^15 W, jadi secara hitungan perlu 11 nol lagi. Sepertinya masih butuh waktu
Helion, yang mengatakan akan menyalakan perangkat fusi-listrik musim panas ini, mungkin bisa sampai lebih dulu
Bagian “di Society 5.0, produk sesuai pesanan menjadi memungkinkan” mengingatkan saya pada para penggemar The Peripheral
Selain bercanda, hambatan dari konsep ini adalah pendinginan, sama seperti lampu LED berdaya tinggi. Untuk mendinginkan sesuatu, tetap dibutuhkan perangkat keras yang cukup besar
Artikel ini membuat bingung karena membandingkan PCSEL dengan laser emisi tepi
Sebenarnya ini tampak seperti peningkatan baru dari VCSEL, yang sudah menghasilkan densitas daya tinggi sejak sekitar pergantian abad
Saya penasaran apakah karakteristik emisi permukaan seperti ini membuat beberapa chip lebih mudah dikunci fasenya
Ini bisa sangat berguna untuk aperture besar dan transmisi daya jarak jauh
Salah satu aplikasi laser beraperture besar dan berefisiensi tinggi adalah memasok daya ke pesawat jarak jauh. Jika daya dikirim melalui berkas dari stasiun darat di sepanjang rute atau pangkalan laser di luar angkasa, bahan bakar bisa dihilangkan sepenuhnya, sehingga secara potensial memungkinkan jangkauan terbang tanpa batas
Jika dibuat array emiter terkunci fase berskala wafer, lalu masing-masing emiter bisa dilemahkan atau digeser fasenya secara bertumpuk, itu akan menjadi display holografik monokrom yang lumayan. Dengan asumsi sudut divergensi tiap emiternya besar
Jadi apakah laser cutter rumahan murah akan bisa memotong logam juga, bukan hanya kayu, kulit, dan plastik?
Ini mengingatkan saya pada mesin ASML terbaru yang menyetel sudut laser ultraviolet dan kisi difraksi untuk membuat pola 2D yang bersih dan kecil
Saya penasaran seberapa sulit memodelkan interaksi cahaya pada skala ini. Apa yang dibutuhkan para penulis untuk menemukan solusi pemodelan bagi masalah penskalaan? Apakah satu doktor fotofisika cukup, ataukah ini sesuatu yang menuntut perusahaan dan banyak orang membangun keahlian secara tim selama puluhan tahun?
ASML tampaknya hanya perlu menyelesaikan interaksi difraksi gelombang tunggal dengan mask, tetapi untuk memodelkan gelombang berdiri dan mode orde tinggi, sepertinya dibutuhkan matematika yang jauh lebih banyak. Jika solusi tiap interaksi bersifat probabilistik, saya juga bertanya-tanya apakah ini mungkin dilakukan
Saya juga penasaran apakah solusi praktisnya sebagian besar dibatasi oleh struktur semikonduktor yang bisa dibuat, misalnya jenis fitur seperti lubang
Bisakah ini dipakai untuk 3D printing?
Maksudnya, setiap laser dalam array bertindak seperti piksel, lalu lapisan serbuk digerakkan untuk membuat 3D. Apakah struktur ini bisa lebih cepat daripada printer 3D saat ini?
Yang kedua bahkan bisa menghasilkan cetakan plastik 3D full-color jika ditambahkan pewarna
Kata kunci pencariannya adalah “Laser powder bed fusion”. Ini berbeda dari nama dagang “Direct Metal Laser Sintering” yang disebutkan di bawah
https://www.3dsourced.com/guides/direct-metal-laser-sinterin...
Namun saya tidak yakin seberapa besar sumber cahaya memengaruhi atau dapat meningkatkan kecepatannya
Apakah nanti seseorang bisa membawa laser seperti ini dan memotong orang menjadi dua?
Fokusnya memang pada aplikasi industri, tetapi ini terlihat seperti teknologi dwiguna, jadi rasanya perlu regulasi
Artikel tentang Society 5.0 ini tidak menyebut laser. Apakah ada yang tahu kenapa laser berdaya sangat tinggi begitu penting bagi rencana masa depan ini?
https://www8.cao.go.jp/cstp/english/society5_0/index.html
https://www8.cao.go.jp/cstp/kihonkeikaku/5basicplan_en.pdf
Dokumen itu mencantumkan robotika, sensor, aktuator, bioteknologi, antarmuka manusia, material dan nanoteknologi, serta teknologi cahaya dan kuantum sebagai prioritas rencana ini. Dengan sedikit imajinasi, kita bisa membayangkan bagaimana laser yang murah, kuat, dan kecil dapat membantu masing-masing bidang itu
Lebih biasa lagi, kemungkinan besar para peneliti hanya berusaha mengaitkan hasil mereka dengan prioritas politik saat itu untuk membenarkan pendanaan riset