Фотонно-кристаллический лазер с поверхностным излучением, достаточно яркий для резки в промышленных масштабах
Группа инженеров-фотоников и электронщиков из Киотского университета нашла способ преодолеть недостатки фотонно-кристаллических лазеров с поверхностным излучением (PCSEL), которые препятствуют их использованию в промышленных приложениях для резки. В своем исследовании, опубликованном в журнале Nature, группа внесла изменения в традиционные PCSEL, чтобы придать яркость, необходимую для таких приложений.
Разработка PCSEL диаметром 3 мм и демонстрация очень узкой расходимости луча в импульсном режиме.
Кредит: Природа (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06059-8
В настоящее время газовые и твердотельные лазеры используются для резки материалов в промышленных масштабах, включая сталь. Но пользователи таких систем предпочтут использовать полупроводниковые лазеры, поскольку они гораздо менее громоздки и энергоемки. К сожалению, такие лазеры не подходят для такой работы из-за проблем с качеством пучка, связанных с многомодовыми колебаниями и эффектами тепловой дестабилизации. В этой новой попытке исследовательская группа в Японии нашла способ преодолеть эти проблемы, позволив создать PCSEL, которые можно использовать для приложений промышленного масштаба.
Чтобы преодолеть проблемы, инженеры изменили структуру PCSEL. Одно из таких изменений заключалось в увеличении размера диаметра с 1 до 3 миллиметров, что позволило увеличить выходную мощность до 50 Вт. Увеличение размера привело к соответствующему увеличению яркости до 1 ГВт/см2, что достаточно для промышленных применений.
Увеличение размера диаметра привело к проблемам с боковыми колебаниями, что и ожидалось. Без коррекции они приводят к ухудшению качества луча, равно как и повышенное выделение тепла. Чтобы преодолеть эти проблемы, команда встроила в лазер фотонные кристаллы, а также модифицировала внутренний отражающий слой. Чтобы встроить фотонные кристаллы, команда разработала набор отверстий в кристаллическом слое, чтобы отклонять свет нужным образом, что привело к созданию луча с очень небольшим расхождением.
Чтобы предотвратить проблемы с колебаниями, команда также отрегулировала нижний слой PCSEL, чтобы увеличить потерю нежелательных вертикальных мод. Они изменили показатель преломления тепла, чтобы уменьшить проблемы, связанные с нагревом, путем модификации отверстий для воздуха в фотонном кристалле. И они использовали литографию с наноимпринтом для изготовления фотонных кристаллов, что позволило ускорить производство.
Исследователи планируют продолжить масштабирование своего лазера, надеясь довести его диаметр до 10 мм, что позволит производить луч мощностью 1 киловатт.
