Berbanding dengan laser gas besar dan laser gentian, laser semikonduktor mempunyai kelebihan saiz kecil, kecekapan tenaga yang tinggi, koheren yang tinggi, dan kebolehkawalan yang tinggi. Walau bagaimanapun, penggunaan bahan semikonduktor sebagai bahan kerja untuk menghasilkan pelepasan teruja laser, tetapi juga mempunyai kecacatan sendiri: ciri-ciri suhu yang lemah, mudah untuk menjana bunyi bising, penyebaran cahaya keluaran yang serius. Salah satu akibat daripada kecacatan ini ialah - sukar untuk mencapai tahap kecerahan untuk pemotongan gred industri keluli tebal dan sebagainya.
Walau bagaimanapun, hasil penyelidikan yang diterbitkan minggu lepas dalam jurnal Nature mungkin dijangka memecahkan keadaan ini, satu kemajuan utama::
Dilaporkan bahawa sekumpulan penyelidik di Universiti Kyoto di Jepun, yang diketuai oleh Fellow IEEE Susumu Noda, telah mengambil langkah besar ke hadapan dalam mengatasi had kecerahan laser semikonduktor dengan mengubah struktur laser pemancar permukaan kristal fotonik (PCSEL).
Hablur fotonik terdiri daripada lubang kembung berskala nano biasa yang berlubang dalam kepingan semikonduktor. Laser kristal fotonik adalah salah satu daripada "pemain berpotensi" dalam bidang laser kecerahan tinggi, tetapi sehingga kini, jurutera tidak dapat membawanya untuk menyediakan rasuk yang cukup terang untuk digunakan untuk pemotongan dan pemprosesan logam sebenar. Penyelidik telah berusaha untuk mengoptimumkan prestasi laser semikonduktor, termasuk kecekapan penukaran kuasa, kuasa keluaran, kualiti pancaran, tahap tenaga laser, ciri spektrum, saiz, keteguhan kepada bunyi yang tidak diingini dan pengurusan haba, kebolehpercayaan, dll. (Nota: Kecerahan ialah ukuran kuasa keluaran laser dan kualiti pancaran, yang merangkumi tahap fokus dan perbezaan pancaran cahaya. (Nilai ambang untuk pemprosesan logam ialah kira-kira 1 gigawatt/cm2.)
Pasukan penyelidik yang disebut di atas diketuai oleh Ahli Akademik Susumu Noda telah mengumpul lebih daripada 20 tahun pengalaman penyelidikan dalam pembangunan PCSEL. Dari segi keputusan konkrit: mereka dapat membangunkan laser dengan diameter 3 mm, iaitu 10-peningkatan kali ganda dalam kawasan berbanding peranti PCSEL sebelumnya dengan diameter 1 mm. Kuasa keluaran laser inovatif ini ialah 50W, iaitu peningkatan yang ketara berbanding kuasa keluaran 5-10W PCSEL 1mm. Kecerahan laser baharu ini adalah kira-kira 1GW/cm2/str, yang mencukupi untuk pelbagai aplikasi yang kini dikuasai oleh laser gas dan gentian, seperti pembuatan pintar ketepatan dalam industri elektronik dan automotif. Tahap kecerahan tinggi ini juga mencukupi untuk aplikasi yang lebih khusus seperti komunikasi satelit dan pendorongan satelit.
Dalam meningkatkan saiz dan kecerahan laser kristal fotonik, beberapa cabaran dihadapi. Khususnya, laser semikonduktor menghadapi kesesakan apabila kawasan pelepasannya diperluaskan: kawasan laser yang lebih luas bermakna terdapat ruang untuk ayunan berterusan cahaya dalam arah pelepasan dan sisi, dan ayunan sisi ini (dikenali sebagai Mod Tertib Tinggi/Mod Tertib Tinggi ) memusnahkan dengan tepat kualiti rasuk. Di samping itu, jika laser menjalani operasi berterusan, haba di dalam laser mengubah indeks biasan peranti, yang membawa kepada kemerosotan lagi kualiti rasuk.
Titik kejayaan utama yang dibawa oleh pasukan penyelidik Susumu Noda ialah mereka telah membenamkan kristal fotonik dalam laser dan mengubah suai lapisan pantulan dalaman untuk membolehkan ayunan mod tunggal ke atas kawasan yang lebih besar dan untuk mengimbangi kerosakan haba. Kedua-dua perubahan ini membolehkan PCSEL mengekalkan kualiti pancaran tinggi walaupun semasa operasi berterusan.
Untuk membenamkan kristal fotonik, pasukan mereka bentuk corak lubang dalam lapisan kristal yang memesongkan cahaya dengan cara yang cekap, menghasilkan pancaran dengan perbezaan yang sangat sedikit. Mereka menggunakan litografi cetakan nano untuk mengarang kristal fotonik, dengan itu mempercepatkan pengeluaran.
Dalam laser kristal fotonik biasa, rongga ini, yang mempunyai indeks biasan yang berbeza daripada semikonduktor di sekelilingnya, memesongkan cahaya di dalam laser dengan cara yang tepat. Dan pasukan penyelidik Susumu Noda mereka bentuk corak lubang dalam kristal supaya cahaya akan dipesongkan oleh satu set lubang bulat dan elips yang kekal satu perempat daripada panjang gelombang laser antara satu sama lain. Akhirnya, pesongan ini menyebabkan kerugian dalam corak tertib lebih tinggi, menghasilkan pancaran berkualiti tinggi dengan hampir tiada perbezaan.
Konsep ini cukup baik untuk laser 1 mm, tetapi memanjangkannya ke kawasan 3 mm memerlukan inovasi lanjut. Untuk mencapai ayunan mod tunggal di kawasan yang lebih besar, para penyelidik melaraskan kedudukan reflektor di bahagian bawah laser, yang menyebabkan kehilangan mod yang tidak diingini dalam arah menegak.
Akhirnya, pasukan penyelidik Susumu Noda juga menangani masalah haba menukar indeks biasan peranti dan menyebabkan rasuk menyimpang. Mereka menyelesaikan masalah ini dengan mengubah sedikit tempoh lubang gas dalam kristal fotonik supaya mereka berada di tempat yang betul apabila laser berada pada kuasa penuh.
Pasukannya telah menubuhkan Pusat Kecemerlangan untuk Laser Pemancar Permukaan Kristal Fotonik di Universiti Kyoto, yang meliputi kawasan seluas 1,000m2 dan lebih daripada 85 syarikat serta institut penyelidikan terlibat dalam pembangunan teknologi PCSEL. Pasukan ini sedang mengindustrikan reka bentuk PCSEL mereka untuk pengeluaran besar-besaran.
Sebagai sebahagian daripada proses ini, mereka telah menyelesaikan penukaran daripada litografi rasuk elektron untuk kristal fotonik kepada litografi cetakan nano untuk kristal fotonik. Litografi rasuk elektron sangat tepat, tetapi biasanya terlalu perlahan untuk pengeluaran besar-besaran. Litografi cetakan nano, yang pada asasnya mengecap corak pada semikonduktor, adalah berharga untuk mencipta corak yang sangat teratur dengan cepat.
Noda menjelaskan bahawa pada masa hadapan pasukan itu akan mengembangkan lagi diameter laser daripada 3 mm kepada 10 mm, saiz yang boleh menghasilkan 1 kW kuasa output, walaupun matlamat ini juga boleh dicapai dengan menggunakan susunan 3 mm PCSEL. Beliau menjangkakan bahawa teknologi yang sama seperti peranti 3 mm boleh digunakan untuk skala sehingga 10 mm (yang dijangka menghasilkan rasuk 1 kW), dan menggunakan reka bentuk yang sama sudah memadai.
