स्टील को पिघला सकने वाला अति-छोटा अति-उच्च-दीप्ति लेज़र

फोटोनिक क्रिस्टल-आधारित अति-उच्च-दीप्ति सेमीकंडक्टर लेज़र का विकास

• जापान सरकार ने 2016 में 'पांचवां समाज' के आगमन की घोषणा की थी, जिसमें on-demand उत्पाद, देखभाल करने वाले रोबोट, टैक्सी, ट्रैक्टर आदि का उपयोग होगा, और इसे संभव बनाने वाली प्रमुख तकनीकों में से एक लेज़र है।
• Society 5.0 के लिए आवश्यक लेज़र को छोटे आकार, कम लागत, निर्माण में आसानी, ऊर्जा दक्षता और नियंत्रण में सरलता जैसी शर्तें पूरी करनी होंगी, लेकिन मौजूदा सेमीकंडक्टर लेज़र brightness की कमी के कारण सीमित रहे हैं.
• Kyoto University की शोध टीम पिछले लगभग 20 वर्षों से photonic crystal surface-emitting laser (PCSEL) विकसित कर रही है. इसमें active layer के भीतर nano-आकार के छिद्रों की कतारों से बनी 'Swiss cheese' परत जोड़कर प्रकाश की दिशा को नियंत्रित किया जाता है, जिससे high output और narrow beam एक साथ हासिल किए जाते हैं.
• PCSEL मौजूदा सेमीकंडक्टर लेज़र की तुलना में 100 गुना से अधिक brightness दे सकता है, इसलिए उम्मीद है कि यह gas/fiber laser की जगह लेकर manufacturing और automotive उद्योग में बड़ा बदलाव ला सकता है.
• हाल में स्टील काट सकने वाला 1 GW/cm2/sr श्रेणी का 3mm aperture PCSEL विकसित किया गया है, और सैद्धांतिक रूप से 10~100 GW/cm2/sr श्रेणी तक संभव होने का अनुमान है.
• high-power अनुप्रयोगों के लिए ऊर्जा दक्षता और thermal management तकनीक को बेहतर बनाया जा रहा है, और autonomous vehicles/robots के लिए ultra-compact LiDAR सिस्टम में भी PCSEL लागू किया जा रहा है.
• दीर्घकाल में 10kW-श्रेणी output और 1000 GW/cm2/sr की चरम brightness देने वाला PCSEL विकसित करने की योजना है, ताकि इसका उपयोग EUV lithography या nuclear fusion जैसे क्षेत्रों में किया जा सके, और spacecraft propulsion में भी इसका अनुप्रयोग देखा जा सके.

फोटोनिक क्रिस्टल का सिद्धांत

• फोटोनिक क्रिस्टल ऐसी संरचना है जो सेमीकंडक्टर द्वारा इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को नियंत्रित करने की तरह प्रकाश के प्रवाह को नियंत्रित करती है. इसमें ऐसा lattice structure होता है जिसमें refractive index तरंगदैर्ध्य-स्तर पर आवधिक रूप से बदलता है.
• साधारण 1-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल में, कांच और हवा की बारी-बारी से बनी संरचना में प्रकाश प्रत्येक boundary surface पर refraction और reflection से गुजरते हुए constructive/destructive interference पैदा करता है, और कुछ विशेष तरंगदैर्ध्यों पर standing wave बनती है, इसलिए वह आगे propagate नहीं करती.
• 2-आयामी square lattice structure वाले PCSEL में, छिद्र प्रकाश को आगे-पीछे और दाएं-बाएं refract करके 2-आयामी standing wave बनाते हैं, और यह active layer में amplify होकर single-wavelength laser beam बनाती है.

उच्च-क्रम transverse mode suppression के माध्यम से उच्च brightness

• PCSEL का emission area बड़ा होने पर higher-order transverse modes दोलन करने लगते हैं, क्योंकि standing wave की intensity distribution में कई peaks बनने लगती हैं.
• शुरुआती चरण में single lattice का उपयोग कर लगभग 200μm तक higher-order modes को suppress किया जा सकता था, लेकिन उससे बड़ा होने पर वे फिर से oscillate करने लगते थे.
• double lattice structure अपनाकर lattice के भीतर प्रकाश की destructive interference कराई गई, जिससे higher-order modes की intensity peaks कमजोर हुईं और aperture को 1mm तक बढ़ाया जा सका.
• reflector की स्थिति और lattice hole के आकार को समायोजित करके standing wave और reflected wave के बीच coupling कराई गई, जिससे higher-order modes की loss काफी बढ़ी और 3mm-श्रेणी के ultra-high-brightness PCSEL का सफल कार्यान्वयन हुआ.

GN⁺ की राय

• मौजूदा सेमीकंडक्टर लेज़र की तुलना में brightness को 100 गुना से अधिक बढ़ाया जा सकता है, इसलिए इसमें manufacturing जैसे औद्योगिक क्षेत्रों में बड़ा बदलाव लाने की क्षमता दिखती है. हालांकि यह अभी प्रयोगशाला चरण में है और commercialization में अभी समय लग सकता है.
• high-power अनुप्रयोगों के लिए 60% से अधिक की उच्च electro-optical conversion efficiency और kW-श्रेणी output पर thermal management तकनीक हासिल करना अनिवार्य होगा. यदि heat समस्या हल हो जाती है, तो यह मौजूदा CO2/fiber laser का पर्याप्त विकल्प बन सकता है.
• ultra-compact LiDAR सिस्टम का commercialization अपेक्षाकृत जल्दी हो सकता है. यदि mechanical beam steering भाग को हटाकर integration किया जाए, तो कीमत काफी कम हो सकती है. हालांकि sensor performance के मामले में मौजूदा तरीकों से तुलना और सत्यापन अभी आवश्यक लगता है.
• EUV lithography या laser nuclear fusion जैसे उन क्षेत्रों में, जहां ultra-high-brightness laser की जरूरत होती है, यदि यह मौजूदा विशाल लेज़रों की जगह ले सके तो काफी लागत बचत हो सकती है. लेकिन यह अभी शोध के शुरुआती चरण में है, इसलिए इसकी व्यवहार्यता अभी अनिश्चित है.
• spacecraft propulsion का क्षेत्र दिलचस्प जरूर है, लेकिन इसे साकार होने में अभी लंबा समय लग सकता है. पहले tens of kW-श्रेणी लेज़र का विकास जरूरी होगा, और तकनीकी व लागत संबंधी बाधाएं ऊंची रहने की संभावना है. solar pressure का उपयोग करने वाला solar sail तरीका एक व्यावहारिक विकल्प हो सकता है.

[GN⁺]

Hacker News राय

सारांश:

• PCSELs(Photonic Crystal Surface Emitting Lasers) शाब्दिक अर्थ में force field नहीं हैं, लेकिन हवा में लगभग तुरंत किसी भी चीज़ को रोक देने की क्षमता के मामले में उनसे मिलते-जुलते हैं।
• सस्ते laser tech से घर/छोटी कार्यशालाओं में metal काटना संभव होने की उम्मीद है। हालांकि, इसके खतरनाक होने की संभावना को लेकर सावधानी ज़रूरी है।
• hydrogen-boron (aneutronic) nuclear fusion के साथ जोड़ने पर बिना thermal power plant के सीधे बिजली उत्पादन की संभावना दिखती है। अभी इसमें कुछ साल लगेंगे, लेकिन यह उम्मीद जगाता है।
• यह कुछ हद तक वैसा है जैसे ASML मशीनें UV laser(कोण) और diffraction grating को समायोजित करके साफ़ और छोटे 2D pattern बनाती हैं।
• जिज्ञासा है कि इस scale पर light interaction को model करना कितना कठिन होगा। probabilistic solution की संभावना भी उठाई गई है।
• cooling समस्या, high-power LED lighting की तरह, मुख्य मुद्दा होगी। अभी भी काफ़ी hardware की ज़रूरत है।
• यह समझ नहीं आता कि इसे बस "lightsaber" क्यों नहीं कहा गया। लगता है एक अच्छा मौका चूक गए।
• इन surface-emitting गुणों की वजह से कई chips को phase-lock करना आसान हो सकता है। यह लंबी दूरी पर बड़े aperture और power delivery के लिए उपयोगी हो सकता है।
• high-efficiency large-aperture laser का एक उपयोग ground base या space laser base से लंबी दूरी के aircraft को power देना हो सकता है। इसमें fuel बिल्कुल न लगना आकर्षक है।
• क्या सस्ते घरेलू laser cutter अब लकड़ी, leather, plastic के अलावा metal भी काट पाएंगे?
• यह लेख PCSEL की तुलना edge-emitting laser से करके कुछ भ्रम पैदा करता है, लेकिन यह VCSEL का नया सुधार लगता है, और VCSEL लगभग 2000 से ही बड़ी output density दे रहे हैं।
• लगता है कि हम laser pistol युग के काफ़ी करीब पहुँच चुके हैं।