Японцы в 10 раз увеличили мощность полупроводникового лазера — теперь он способен резать металл

Группа японских учёных из Университета Киото разработала технологию масштабирования фотонно-кристаллических лазеров с поверхностным излучением (PCSEL). Опытный полупроводник обеспечил мощность лазера на уровне 50 Вт или до 10 раз больше, чем ранее. Этого уже достаточно для использования таких лазеров в металлообработке, что упростит и удешевит создание металлорежущих лазерных станков и линий.

Источник изображений: Susuma Noda

Сегодня в металлообработке используются волоконные или газовые лазеры, что делает станки громоздкими, слабоуправляемыми и дорогими. Если использовать для этих целей полупроводниковые лазерные диоды, то можно значительного удешевить оборудование и сделать его компактнее. Не менее важна и простота управления полупроводниковым лазером — резка с его помощью показывает чудеса гибкости.

Обычный лазер на фотонном кристалле

До сих пор лазеры на основе фотонных кристаллов PCSEL изготавливались сравнительно маломощными с размерами излучающей поверхности до 1 мм. В общем случае структура такого лазера включает в себя полупроводниковый лист с регулярно расположенными нанометровыми отверстиями. Подобная структура за счёт преломления и отражения света подавляет ненужные колебания (моды) и усиливает нужные, образуя согласованный поток фотонов с относительно большой площади излучателя в виде лазерного луча. Для получения более мощного лазера с излучением с большей площади поверхности кристалла есть два барьера: растущее в объёме полупроводника тепло, которое сбивает все настройки (меняет коэффициент преломления и дальше по списку), а также потеря фокуса.

Улучшенная структура наноотверстий для увеличения эффективной площади лазера PCSEL

После многих лет исследования японцы сумели таким образом подобрать регулярные отверстия в полупроводнике, чтобы свет с большой площади оставался когерентным и не терял фокус. Также была решена проблема терморегуляции. В целом для этого в лист полупроводника были добавлены регулярные овальные отверстия и тщательно выверены их форма и размеры. В итоге получилось создать лазер PCSEL размерами 3 мм, что в десять раз больше площади предыдущих разработок. Как уверяют учёные, подобный подход позволит создать лазеры PCSEL размерами до 10 мм и со временем выпустить полупроводниковый лазер мегаваттного уровня.

Наконец, современные лазеры PCSEL изготавливаются методом электронно-лучевой литографии, когда рисунок на полупроводниковой подложке создаёт бегущий по ней электронный луч. По этому же принципу работали телевизоры и мониторы на электронно-лучевых трубках. Такой процесс очень точный, но медленный. Для изготовления PCSEL большой площади японцы предлагают использовать метод нанопечати, что для выпуска регулярных структур весьма разумно. Изготавливается матрица и затем с её помощью делаются оттиски на кремниевой пластине (на фоторезисте) — элементарная штамповка только на наноуровне. Японские компании как раз специализируются на таком типе печати полупроводников. Будет быстро и недорого, хотя там есть свои нюансы.

Добиться масштабирования с 1 мм до 3 мм — это показатель того, что успех достижим, считают учёные, хотя дальнейшее масштабирование может оказаться не таким простым.