- Kyoto University टीम का PCSEL एक photonic-crystal surface-emitting laser है, जिसने semiconductor laser की कम brightness सीमा को पार करते हुए 3mm आकार में gas और fiber laser-स्तर की brightness हासिल की और स्टील कटिंग तक प्रदर्शित की
- इसकी performance का मुख्य आधार semiconductor के भीतर की photonic crystal layer है, जहां nanometer-स्तर के hole array प्रकाश को 2D standing wave में बांधते हैं और केवल fundamental mode को amplify करके मजबूत और संकीर्ण beam बनाते हैं
- 2023 में PCSEL ने 1GW/cm²/sr brightness, 50W continuous output, 3mm emission diameter और 1/20 डिग्री beam divergence के साथ 100μm मोटी metal plate को काटा
- ऑटोमोबाइल पार्ट्स निर्माण जैसे industrial processing के लिए kilowatt-class output चाहिए, इसलिए 9 3mm PCSEL devices का array या 1cm emission area expansion अगली चुनौती के रूप में बाकी है
- high-brightness PCSEL केवल manufacturing ही नहीं, बल्कि compact lidar, on-chip beam steering, EUV lithography, nuclear fusion और light-propelled spaceflight तक को लक्ष्य बना रहा है, लेकिन इसके लिए और अधिक output, efficiency और thermal management की जरूरत है
Society 5.0 के लिए जरूरी लेज़र
- 2016 में जापान सरकार द्वारा पेश की गई Society 5.0 परिकल्पना में on-demand manufacturing, robot care, और autonomous taxi तथा tractor जैसी तकनीकें शामिल हैं
- इस वातावरण के लेज़र इतने छोटे और सस्ते होने चाहिए कि वे रोज़मर्रा के उपकरणों में समा सकें, साथ ही उनका निर्माण सरल हो, energy efficiency ऊंची हो, और mass customization के अनुरूप उनका precise control किया जा सके
- semiconductor laser आकार और लागत के लिहाज़ से फायदेमंद हैं, लेकिन उनकी brightness कम होना एक बड़ी सीमा है
- laser brightness को प्रति unit area और प्रति unit solid angle optical output के रूप में परिभाषित किया जाता है
- cutting, welding और drilling जैसे material processing के लिए लगभग 1GW/cm²/sr स्तर चाहिए
- commercial semiconductor laser की brightness इस स्तर से काफी कम होती है
- lidar में भी brightness लागत और performance तय करती है
- long-range या high-speed पर precise measurement के लिए beam का संकीर्ण रूप से केंद्रित होना जरूरी है
- वर्तमान high-end lidar 100 से अधिक semiconductor laser और हाथ से लगाए गए lens configuration का उपयोग करते हैं, जिससे लागत बढ़ जाती है
पारंपरिक लेज़र और semiconductor laser की bottleneck
- CO₂ laser और fiber laser industrial applications में ultra-high-brightness beam दे सकते हैं, लेकिन वे semiconductor laser की तुलना में बड़े, महंगे, कम energy efficient और control करने में कठिन हैं
- high-power CO₂ laser का आकार रेफ्रिजरेटर जितना बड़ा हो सकता है
- पारंपरिक semiconductor laser आम तौर पर active layer की पतली stripe के साथ प्रकाश को amplify करते हैं, और beam chip के आगे वाले किनारे से निकलती है
- output बढ़ाने के लिए emission area को चौड़ा करना पड़ता है, लेकिन चौड़ी stripe में zigzag path पर oscillate करने वाले higher-order transverse modes पैदा होते हैं
- higher-order modes beam को धब्बेदार और फैला हुआ बना देते हैं
- पारंपरिक semiconductor laser की brightness लगभग 100MW/cm²/sr स्तर पर सीमित हो जाती है
photonic crystal से beam को संकीर्ण करने का तरीका
- PCSEL में सामान्य semiconductor laser की तरह active layer और cladding layer होती हैं, लेकिन उसके भीतर nanometer holes की 2D arrangement वाली एक अतिरिक्त photonic crystal layer जोड़ी जाती है
- photonic crystal, जिस तरह semiconductor electron flow को नियंत्रित करता है, उसी तरह light flow को नियंत्रित करता है
- holes, cubes और pillars जैसी संरचनाएं प्रकाश की wavelength के पैमाने पर periodic रूप से व्यवस्थित होती हैं
- refractive index के periodic बदलाव से खास wavelength और direction की light reflect और interfere करती है
- PCSEL का मूल photonic crystal 2D square lattice होता है
- उदाहरण के लिए, 940nm पर काम करने वाले gallium arsenide laser की internal wavelength लगभग 280nm होती है
- मूल gallium arsenide PCSEL में hole spacing को लगभग 280nm पर सेट किया जाता है
- hole array छोटे दर्पणों की तरह प्रकाश को पीछे और बगल की ओर मोड़ता है, और कई diffractions मिलकर 2D standing wave बनाते हैं
- active layer इस standing wave को amplify करती है
- कुछ प्रकाश ऊपर-नीचे diffract होकर chip surface से single-wavelength beam के रूप में निकलता है
- पारंपरिक edge-emitting laser से अलग, PCSEL surface से प्रकाश उत्सर्जित करता है, और इसका emission area चौड़ा तथा आम तौर पर गोल होता है, जिससे low-divergence high-quality beam बन सकती है
brightness बढ़ाने वाली पीढ़ी-दर-पीढ़ी design
- 1998 में Kyoto University टीम ने पहला PCSEL बनाया, और उसके बाद high-brightness operation के लिए design को लगातार निखारा
- 2014 में square lattice of triangular holes वाला PCSEL रिपोर्ट किया गया
- emission area 200×200μm
- continuous operation में लगभग 1W output
- beam divergence लगभग 2 डिग्री
- यह पारंपरिक semiconductor laser के सामान्य 30 डिग्री से अधिक divergence की तुलना में बहुत संकीर्ण था
- single-lattice design लगभग 200μm से बड़ा होने पर higher-order transverse modes दिखाता है
- fundamental mode में light intensity केंद्र में केंद्रित होती है
- higher-order modes में दो, तीन, चार या उससे अधिक intensity peaks बनते हैं
- छोटे emission area में higher-order mode के peaks किनारों पर होते हैं, इसलिए प्रकाश बगल से निकल जाता है और oscillate नहीं करता
- emission area बड़ा होने पर higher-order modes को oscillate करने की जगह मिल जाती है
- इसे रोकने के लिए शोध टीम ने double lattice पेश किया
- circular holes की square lattice को elliptical holes की दूसरी square lattice से चौथाई wavelength जितना shift किया गया
- diffracted light का कुछ हिस्सा destructive interference पैदा करता है, जिससे higher-order mode के intensity peaks कमजोर और फैल जाते हैं
- double lattice से बने 1mm diameter PCSEL ने continuous operation में 10W beam दी
- divergence 0.1 डिग्री
- यह पारंपरिक semiconductor laser की संभव brightness से 3 गुना से अधिक उज्ज्वल था
- समान आकार के पारंपरिक laser के विपरीत, यह single mode में oscillate करता है
3mm PCSEL द्वारा स्टील कटिंग
- बड़े diameter पर केवल double lattice से higher-order modes को पर्याप्त रूप से suppress करना कठिन हो जाता है
- शोध टीम ने इस तथ्य के अनुसार rear reflector को adjust किया कि higher-order modes laser से थोड़ा तिरछे निकलते हैं
- पिछली पीढ़ी में rear reflector सिर्फ नीचे diffract हुई light को ऊपर वाले emission surface की ओर लौटाता था
- reflector की position और photonic crystal holes की spacing तथा shape को समायोजित करके, escaping light को photonic crystal layer की 2D standing wave के साथ interfere कराया गया
- जितनी अधिक तिरछी निकलने वाली wave, उतनी अधिक energy loss, जिससे higher-order modes चयनात्मक रूप से block हो जाते हैं
- 2023 में विकसित PCSEL ने gas और fiber laser के बराबर 1GW/cm²/sr brightness हासिल की
- emission diameter 3mm
- continuous output अधिकतम 50W
- beam divergence 1/20 डिग्री
- इस device ने 100μm मोटी metal plate से गोल डिस्क काटकर स्टील कटिंग का प्रदर्शन किया
kilowatt-class industrial applications की ओर चुनौतियां
- स्टील कटिंग का प्रदर्शन प्रभावशाली है, लेकिन industrial market में प्रतिस्पर्धा के लिए अधिक output चाहिए
- automobile parts manufacturing के लिए लगभग kilowatt-class optical output की जरूरत होती है
- kilowatt-class PCSEL तक दो तरीकों से पहुंचा जा सकता है
- 3mm PCSEL के 9 devices को array में लगाकर
- मौजूदा device के emission area को 1cm तक बढ़ाकर
- 1cm आकार पर higher-order modes फिर से उभर सकते हैं और beam quality को घटा सकते हैं
- फिर भी यह high-power gas और fiber laser जैसी brightness दे सकता है, इसलिए कुछ बड़े पारंपरिक laser की जगह ले सकता है
- 1cm PCSEL को वास्तविक बदलाव लाने के लिए higher-order mode suppression जरूरी है
- शोध टीम ने photonic crystal structure और reflector position को fine-tune करने की विधि तैयार की है
- अभी इसे lab में test नहीं किया गया है, लेकिन theoretical model 10~100GW/cm²/sr brightness की संभावना दिखाता है
efficiency और thermal management
- high-power applications में energy efficiency और thermal management performance जितने ही महत्वपूर्ण हैं
- optimization से पहले भी PCSEL की wall-plug efficiency 30~40% है
- यह अधिकांश CO₂ laser और fiber laser से अधिक है
- शोध टीम ने efficiency को 60% तक बढ़ाने का रास्ता खोज लिया है
- अभी lab में इस्तेमाल हो रही water-cooling technology को 1,000W, 1cm PCSEL के लिए पर्याप्त माना जा रहा है
lidar और on-chip beam steering
- high-brightness PCSEL autonomous vehicles और robots के sensor systems को और छोटा व सस्ता बनाने में भी उपयोगी हो सकता है
- हाल ही में बनाया गया lidar system 500μm PCSEL का उपयोग करता है
- pulse operation में इसे लगभग 20W पर चलाया गया
- 30m दूरी पर भी spot size केवल 5cm रही
- external lens के बिना compact lidar system के लिए यह असाधारण resolution है
- prototype लगभग webcam के आकार का है, और इसे robot cart पर लगाकर engineering building के भीतर लोगों और एक-दूसरे का पीछा करने के लिए program किया गया
- अलग research में दिखाया गया कि PCSEL कई beams निकाल सकता है और उन्हें electronic रूप से अलग-अलग दिशाओं में point करने के लिए control किया जा सकता है
- photonic crystal layer के holes की position और size बदलकर on-chip beam steering लागू किया गया
- अंततः यह lidar की mechanical beam steering को replace कर सकता है
- यदि photodetector को भी उसी chip में integrate किया जाए, तो पूरी तरह electronic navigation system बहुत छोटा और सस्ता बनाया जा सकता है
EUV, nuclear fusion और light propulsion तक के दीर्घकालिक लक्ष्य
- दीर्घकाल में लक्ष्य 3cm laser से 10kW से अधिक output और अधिकतम 1,000GW/cm²/sr brightness हासिल करना है
- यह स्तर वर्तमान में मौजूद किसी भी laser से अधिक उज्ज्वल होगा
- ultra-high-brightness PCSEL, EUV lithography equipment में plasma pulse बनाने वाले बड़े, high-power CO₂ laser की जगह लेकर chip manufacturing efficiency बढ़ा सकते हैं
- nuclear fusion में भी इसका उपयोग संभव है
- nuclear fusion में मटर के दाने जितने fuel capsule पर खरबों watt-स्तर का laser output दागना शामिल है
- light-propelled spaceflight भी एक संभावित application है
- प्रकाश से accelerated probe दूर के तारों तक हजारों साल में नहीं, बल्कि कुछ दशकों में पहुंच सकती है
1 टिप्पणियां
Hacker News की राय
लेख ने अधिक शक्तिशाली और छोटे लेज़र के औद्योगिक असर को अच्छी तरह पकड़ा है, लेकिन उम्मीद जगती है कि PCSEL छोटे वर्कशॉप बाज़ार तक भी पहुँचेगा
घर या छोटी वर्कशॉप में धातु काटने के लिए सस्ता लेज़र हो तो वाकई बहुत काम का होगा। हालांकि लेज़र की तरह यह चुपचाप खतरनाक भी हो सकता है
लेज़र धातु को केवल पिघलाता है, उसे कट की दरार से बाहर नहीं निकालता, और कुछ धातुएँ सामान्य हवा में प्रतिक्रिया करके उत्सर्जन optics की ओर उछल सकती हैं। इसलिए कट वाले हिस्से में दबाव वाली गैस फूँककर उन्हें हटाना पड़ता है
पतली सामग्री या कुछ धातुओं के लिए बहुत साफ और सूखी compressed air खूब फूँकना ही पर्याप्त हो सकता है, लेकिन अन्य मामलों में खास reactive/non-reactive गैस या gas mixture चाहिए होता है। Plasma cutting आमतौर पर कट वाले हिस्से को हवा से उड़ा देता है, और oxygen cutting अतिरिक्त oxygen से प्रतिक्रिया कराकर उसे उड़ा देता है
लेज़र का cut width बेहद संकरा होता है, इसलिए यह और पेचीदा है, और इसी वजह से consumables की लागत आश्चर्यजनक रूप से बड़ी हो सकती है। अधिक शक्तिशाली लेज़र में optics को हल्के vacuum में चलाना भी पड़ सकता है, क्योंकि धूल और हवा से बना plasma खुद महंगे हिस्सों को घिसता है
byproducts भी समस्या हैं। ऑर्गैनिक पदार्थ टूटकर तरह-तरह के organic-जैसे पदार्थ बनाते हैं जिन्हें साँस में लेना या पड़ोसियों के पास जमीन-स्तर पर छोड़ना अच्छा नहीं है, और धातु कटाई के byproducts को पर्याप्त बार साफ न किया जाए तो महीन पाउडर critical mass तक पहुँचकर काफी खतरनाक हो सकता है। लोहे या aluminium की आग लेज़र को खराब कर देती है, और अगर लोहा व aluminium साथ जलें तो सिर्फ लेज़र ही नहीं, सपोर्ट और उसके नीचे का concrete भी खराब हो सकता है
मेरा मानना है कि ऐसी मशीनों को सीधे देखकर नहीं, सिर्फ camera के जरिए चलाना चाहिए
अगर इसे hydrogen-boron aneutronic fusion के साथ जोड़ा जाए तो शायद heat engine के बिना सीधे बिजली बनाई जा सके
अभी इसमें कुछ साल बाकी हैं, लेकिन यह आगे बढ़ने का एक रास्ता दिखाता है
लेख कहता है कि वे 10kW, यानी 10^4W की योजना बना रहे हैं, जबकि petawatt 10^15W होता है, इसलिए हिसाब से 11 शून्य और चाहिए। इसमें थोड़ा समय लगेगा
जो Helion इस गर्मी fusion-to-electricity device चालू करने की बात कर रहा है, शायद वह पहले पहुँच जाए
“Society 5.0 में made-to-order products संभव होंगे” वाला हिस्सा The Peripheral के fans की याद दिलाता है
मजाक छोड़ें तो इस विचार की अड़चन, high-output LED lighting की तरह, cooling है। किसी चीज को ठंडा करने के लिए अभी भी काफी बड़ा hardware चाहिए
लेख PCSEL की तुलना edge-emitting laser से करके भ्रम पैदा करता है
असल में यह VCSEL का नया सुधारित रूप लगता है, जो सदी के मोड़ के आसपास से ही high power density दे रहा था
सोचता हूँ कि क्या यह surface-emitting विशेषता कई chips को phase-lock करना आसान बनाएगी
यह बड़े aperture और long-distance power transmission के लिए बहुत उपयोगी हो सकता है
high-efficiency large-aperture laser का एक उपयोग long-distance aircraft को power देना है। रास्ते में ground stations या space laser base से beam के जरिए power भेजी जाए तो fuel को पूरी तरह हटाया जा सकता है, जिससे संभावित रूप से unlimited range मिल सकती है
wafer-scale phase-locked emitter array बनाकर, और हर emitter को attenuate या phase-shift करने योग्य overlap किया जाए तो अच्छा monochrome holographic display बनता है। मानकर चलें कि हर emitter का divergence angle बड़ा है
तो क्या सस्ते घरेलू laser cutter लकड़ी, leather और plastic के अलावा धातु भी काट पाएँगे?
नवीनतम ASML उपकरण याद आते हैं, जो ultraviolet laser के angle और diffraction grating को tune करके साफ और छोटे 2D patterns बनाते हैं
सोचता हूँ कि इस scale पर light interactions को model करना कितना कठिन है। authors को scaling problem का modeling solution निकालने के लिए क्या चाहिए होगा? क्या एक photophysics PhD से काम हो जाएगा, या companies और लोगों को दशकों तक teams के रूप में expertise बनानी पड़ेगी?
ASML को लगता है जैसे mask के साथ single-wave diffraction interaction ही solve करना है, लेकिन standing waves और higher-order modes को model करने के लिए कहीं ज्यादा mathematics चाहिए होगी। अगर हर interaction का solution probabilistic हो, तो क्या यह संभव भी है, यह भी सवाल है
यह भी सोचता हूँ कि असली solution उन semiconductor structures से ही अधिकतर सीमित है जिन्हें बनाया जा सकता है, जैसे holes जैसी features की किस्में
क्या इसे 3D printing में इस्तेमाल किया जा सकता है?
मतलब laser array में हर laser pixel की तरह काम करे, और powder layer को move करते हुए 3D बनाए। क्या यह structure मौजूदा 3D printers से तेज हो सकता है?
बाद वाले में colorant डालें तो full-color 3D plastic output भी संभव है
search term “Laser powder bed fusion” है। नीचे बताई गई trademarked term “Direct Metal Laser Sintering” से अलग है
https://www.3dsourced.com/guides/direct-metal-laser-sinterin...
हालांकि light source speed को कितना प्रभावित या बेहतर कर सकता है, यह मुझे ठीक से पता नहीं
क्या कोई ऐसा लेज़र लेकर किसी इंसान को दो हिस्सों में काट सकेगा?
ध्यान industrial use पर है, लेकिन यह dual-use technology जैसी लगती है, इसलिए regulation जरूरी लगता है
Society 5.0 पर इस लेख में लेज़र का जिक्र नहीं है। क्या किसी को पता है कि ultra-high-power lasers इस future plan के लिए इतने जरूरी क्यों हैं?
https://www8.cao.go.jp/cstp/english/society5_0/index.html
https://www8.cao.go.jp/cstp/kihonkeikaku/5basicplan_en.pdf
उस document में इस plan की priorities के रूप में robotics, sensors, actuators, biotechnology, human interfaces, materials/nanotechnology, light/quantum technology आदि सूचीबद्ध हैं। थोड़ी कल्पना करें तो सस्ते, शक्तिशाली और छोटे lasers इनमें से हर एक में कैसे मदद कर सकते हैं, यह सोचा जा सकता है
ज्यादा सामान्य तौर पर, संभव है कि researchers funding justify करने के लिए अपने results को उस समय की political priorities से जोड़ने की कोशिश कर रहे हों