Laser ultra-mini dengan kecerahan sangat tinggi yang dapat melelehkan baja

Pengembangan laser semikonduktor berkecerahan sangat tinggi berbasis kristal fotonik

• Pada 2016, pemerintah Jepang mengumumkan datangnya 'masyarakat kelima', di mana produk sesuai pesanan, robot perawat, taksi, traktor, dan lainnya akan dimanfaatkan, dan salah satu teknologi kunci yang memungkinkan hal ini adalah laser.
• Laser yang dibutuhkan untuk Society 5.0 harus memenuhi syarat seperti miniaturisasi, biaya rendah, kemudahan manufaktur, efisiensi energi, dan kemudahan kontrol, namun laser semikonduktor konvensional memiliki keterbatasan karena kurangnya brightness.
• Tim peneliti Universitas Kyoto telah mengembangkan photonic-crystal surface-emitting laser (PCSEL) selama lebih dari 20 tahun terakhir. Laser ini menambahkan lapisan 'keju Swiss' yang terdiri dari susunan lubang berukuran nano di dalam lapisan aktif untuk mengendalikan perambatan cahaya, sehingga dapat mewujudkan daya tinggi dan berkas sempit secara bersamaan.
• PCSEL dapat menghasilkan kecerahan lebih dari 100 kali dibanding laser semikonduktor konvensional, sehingga diharapkan dapat menggantikan laser gas/serat optik dan membawa inovasi ke industri manufaktur dan otomotif.
• Baru-baru ini, telah dikembangkan PCSEL berdiameter 3 mm kelas 1 GW/cm2/sr yang mampu memotong baja, dan secara teoretis diperkirakan dapat mencapai kelas 10~100 GW/cm2/sr.
• Untuk aplikasi berdaya tinggi, efisiensi energi dan teknologi manajemen panas sedang ditingkatkan, dan PCSEL juga diterapkan pada sistem lidar ultra-mini untuk mobil otonom/robot.
• Dalam jangka panjang, ada rencana untuk mengembangkan PCSEL dengan output kelas 10 kW dan kecerahan ekstrem 1000 GW/cm2/sr, untuk dimanfaatkan di bidang seperti litografi EUV atau fusi nuklir, serta dicoba untuk aplikasi propulsi wahana antariksa.

Prinsip kristal fotonik

• Kristal fotonik adalah struktur yang mengendalikan aliran cahaya sebagaimana semikonduktor mengendalikan aliran elektron, dengan struktur kisi yang indeks biasnya berubah secara periodik pada skala panjang gelombang.
• Dalam kasus kristal fotonik 1 dimensi yang sederhana, pada struktur dengan kaca dan udara disusun bergantian, cahaya mengalami pembiasan dan pemantulan di setiap batas permukaan sehingga menimbulkan interferensi konstruktif/destruktif; pada panjang gelombang tertentu terbentuk gelombang berdiri sehingga tidak merambat.
• Pada PCSEL dengan struktur kisi persegi 2 dimensi, lubang-lubang membiaskan cahaya ke depan-belakang dan kiri-kanan untuk membentuk gelombang berdiri 2 dimensi, yang kemudian diperkuat di lapisan aktif untuk membentuk berkas laser dengan panjang gelombang tunggal.

Meningkatkan kecerahan melalui penekanan mode transversal orde tinggi

• Ketika area emisi PCSEL membesar, mode transversal orde tinggi mulai berosilasi, karena distribusi intensitas gelombang berdiri menjadi memiliki beberapa puncak.
• Pada tahap awal, penggunaan kisi tunggal memungkinkan penekanan mode orde tinggi hingga sekitar 200μm, tetapi jika ukurannya diperbesar melebihi itu, osilasi kembali muncul sebagai batasannya.
• Dengan memperkenalkan struktur kisi ganda untuk menginduksi interferensi destruktif cahaya di dalam kisi, puncak intensitas mode orde tinggi dapat dilemahkan sehingga apertur dapat diperbesar hingga 1 mm.
• Dengan menyesuaikan posisi cermin dan bentuk lubang kisi, serta menginduksi kopling antara gelombang berdiri dan gelombang pantul untuk sangat meningkatkan rugi-rugi mode orde tinggi, tim berhasil mewujudkan PCSEL ultra-terang kelas 3 mm.

Opini GN⁺

• Fakta bahwa kecerahannya dapat ditingkatkan lebih dari 100 kali dibanding laser semikonduktor konvensional menunjukkan potensi besar untuk membawa inovasi besar ke industri seperti manufaktur. Namun, ini masih pada tahap laboratorium dan tampaknya masih butuh waktu sebelum komersialisasi.
• Untuk aplikasi berdaya tinggi, sangat penting untuk memperoleh efisiensi konversi elektro-optik tinggi di atas 60% serta teknologi manajemen panas pada output kelas kW. Jika masalah panas dapat diatasi, tampaknya laser ini cukup mampu menggantikan laser CO2/serat optik yang ada saat ini.
• Sistem lidar ultra-mini tampaknya akan lebih cepat dikomersialisasikan; jika bagian pengarah berkas mekanis dapat dihilangkan dan diintegrasikan, harga dapat turun secara signifikan. Namun, dari sisi kinerja sensor, tampaknya tetap diperlukan verifikasi perbandingan dengan metode yang ada.
• Jika di bidang yang membutuhkan laser berkecerahan sangat tinggi seperti litografi EUV atau fusi laser, laser raksasa yang ada dapat digantikan, hal ini akan memberi efek penghematan biaya yang besar. Namun, karena ini masih tahap awal penelitian, kelayakan realisasinya masih belum pasti.
• Bidang propulsi wahana antariksa memang menarik, tetapi tampaknya jalan menuju realisasi masih panjang. Pertama-tama dibutuhkan pengembangan laser kelas puluhan kW, dan hambatan teknis maupun biaya diperkirakan tinggi. Metode solar sail yang memanfaatkan tekanan cahaya matahari mungkin bisa menjadi alternatif yang lebih realistis.

[GN⁺]

Opini Hacker News

Ringkasan:

• PCSELs (Photonic Crystal Surface Emitting Lasers) secara harfiah bukan medan gaya, tetapi mirip dalam hal kemampuannya untuk menghentikan hampir apa pun di udara nyaris seketika.
• Diharapkan hadir teknologi laser murah yang dapat memotong logam di rumah/bengkel skala kecil. Namun, perlu diwaspadai karena juga bisa berbahaya.
• Jika digabungkan dengan fusi nuklir hidrogen-boron (aneutronik), ini menunjukkan kemungkinan menghasilkan listrik secara langsung tanpa pembangkit listrik termal. Masih perlu beberapa tahun lagi, tetapi menjanjikan.
• Ini mirip dengan cara mesin ASML membuat pola 2D yang bersih dan kecil dengan menyesuaikan laser UV (sudut) dan kisi difraksi.
• Menarik untuk mengetahui betapa sulitnya memodelkan interaksi cahaya pada skala ini. Kemungkinan solusi probabilistik juga disebutkan.
• Masalah pendinginan kemungkinan akan menjadi kunci, seperti pada pencahayaan LED berdaya tinggi. Masih memerlukan perangkat keras yang cukup besar.
• Ada yang bertanya mengapa tidak langsung disebut saja "lightsaber". Rasanya seperti melewatkan peluang.
• Karakteristik emisi permukaan seperti ini dapat mempermudah penguncian fase beberapa chip. Ini bisa berguna untuk aperture besar dan penyaluran daya jarak jauh.
• Salah satu aplikasi laser aperture besar berdaya tinggi dan efisien adalah memasok daya ke pesawat jarak jauh dari pangkalan darat atau pangkalan laser di luar angkasa. Daya tariknya adalah tidak perlu menggunakan bahan bakar sama sekali.
• Apakah laser cutter rumahan murah nantinya bisa memotong logam selain kayu, kulit, dan plastik?
• Artikel ini membingungkan karena membandingkan PCSEL dengan laser edge-emitting, tetapi tampaknya ini adalah peningkatan baru pada VCSEL, dan VCSEL sudah memiliki kerapatan keluaran tinggi sejak sekitar tahun 2000.
• Tampaknya kita sedang mendekati akhir penantian menuju era pistol laser.