Ultrakompakter Laser mit extrem hoher Helligkeit, der Stahl schmelzen kann

Entwicklung eines Halbleiterlasers mit extrem hoher Helligkeit auf Basis photonischer Kristalle

• Die japanische Regierung kündigte 2016 die Ankunft der „fünften Gesellschaft“ an. In dieser Gesellschaft sollen On-Demand-Produkte, Pflegeroboter, Taxis und Traktoren eingesetzt werden; eine der Schlüsseltechnologien, die dies ermöglichen, ist der Laser.
• Die für Society 5.0 benötigten Laser müssen Bedingungen wie Miniaturisierung, niedrige Kosten, einfache Herstellung, Energieeffizienz und leichte Steuerbarkeit erfüllen; bei bestehenden Halbleiterlasern gab es jedoch aufgrund unzureichender Helligkeit Grenzen.
• Ein Forschungsteam der Universität Kyoto entwickelt seit über 20 Jahren photonische Kristall-Oberflächenemissionslaser (PCSEL). Dabei wird innerhalb der aktiven Schicht eine „Schweizer Käse“-Schicht mit nanoskaligen Lochanordnungen hinzugefügt, um die Ausbreitung des Lichts zu steuern und so gleichzeitig hohe Leistung und einen schmalen Strahl zu erzielen.
• PCSEL können im Vergleich zu bestehenden Halbleiterlasern eine mehr als 100-fach höhere Helligkeit erreichen und dürften Gas-/Faserlaser ersetzen sowie der Fertigungs- und Automobilindustrie Innovationen bringen.
• Kürzlich wurde ein PCSEL mit 3 mm Apertur und einer Klasse von 1 GW/cm2/sr entwickelt, der Stahl schneiden kann; theoretisch werden sogar 10–100 GW/cm2/sr für möglich gehalten.
• Für Hochleistungsanwendungen werden derzeit Energieeffizienz und Wärmemanagement weiter verbessert; außerdem wird PCSEL auch in ultrakompakten LiDAR-Systemen für autonome Fahrzeuge und Roboter eingesetzt.
• Langfristig ist geplant, PCSEL mit einer Leistung im 10-kW-Bereich und einer extremen Helligkeit von 1000 GW/cm2/sr zu entwickeln, um sie in Bereichen wie EUV-Lithografie oder Kernfusion einzusetzen und sogar für den Antrieb von Raumfahrzeugen zu erproben.

Prinzip photonischer Kristalle

• Photonische Kristalle sind Strukturen, die den Lichtfluss steuern, ähnlich wie Halbleiter den Elektronenfluss steuern. Sie besitzen eine Gitterstruktur, deren Brechungsindex periodisch auf der Wellenlängenskala variiert.
• Im Fall eines einfachen eindimensionalen photonischen Kristalls wird Licht in einer Struktur mit abwechselnd angeordnetem Glas und Luft an jeder Grenzfläche gebrochen und reflektiert, wodurch konstruktive und destruktive Interferenz entsteht; bei bestimmten Wellenlängen bilden sich stehende Wellen, die sich nicht ausbreiten.
• In einem PCSEL mit zweidimensionaler quadratischer Gitterstruktur brechen die Löcher das Licht nach vorne/hinten und links/rechts und erzeugen so zweidimensionale stehende Wellen, die in der aktiven Schicht verstärkt werden und einen Laserstrahl mit einer einzigen Wellenlänge bilden.

Höhere Helligkeit durch Unterdrückung höherer transversaler Moden

• Wenn die Emissionsfläche eines PCSEL größer wird, beginnen höhere transversale Moden zu oszillieren, weil die Intensitätsverteilung der stehenden Wellen mehrere Spitzen aufweist.
• Anfangs ließ sich mit einem einzelnen Gitter die Unterdrückung höherer Moden bis etwa 200μm erreichen, darüber hinaus trat jedoch wieder Oszillation auf.
• Durch die Einführung einer Doppelgitterstruktur, die destruktive Interferenz des Lichts innerhalb des Gitters hervorruft, konnten die Intensitätsspitzen höherer Moden abgeschwächt und die Apertur auf 1 mm vergrößert werden.
• Durch die Anpassung der Position des Reflektors und der Form der Gitterlöcher wurde eine Kopplung zwischen stehenden Wellen und reflektierten Wellen erzeugt, sodass die Verluste höherer Moden stark anstiegen; damit gelang die Realisierung eines ultrahochhellen PCSEL im 3-mm-Bereich.

Meinung von GN⁺

• Dass sich die Helligkeit gegenüber bestehenden Halbleiterlasern um mehr als das 100-Fache steigern lässt, deutet auf ein großes Innovationspotenzial für Industrien wie die Fertigung hin. Allerdings befindet sich die Technologie noch im Laborstadium, und bis zur Kommerzialisierung dürfte es noch dauern.
• Für Hochleistungsanwendungen sind ein hoher elektrooptischer Umwandlungswirkungsgrad von über 60 % sowie Wärmemanagement bei Leistungen im kW-Bereich unerlässlich. Wenn das Wärmeproblem gelöst wird, könnten bestehende CO2-/Faserlaser durchaus ersetzt werden.
• Ultrakompakte LiDAR-Systeme dürften schneller kommerzialisiert werden; wenn mechanische Strahlsteuerung entfernt und die Systeme integriert werden, könnten die Preise deutlich sinken. Allerdings scheint hinsichtlich der Sensorleistung noch ein Vergleich mit bestehenden Verfahren nötig zu sein.
• Wenn in Bereichen, die ultrahochhelle Laser benötigen, wie EUV-Lithografie oder Laser-Kernfusion, bestehende riesige Laser ersetzt werden könnten, wären erhebliche Kosteneinsparungen möglich. Allerdings befindet sich die Forschung noch in einer frühen Phase, sodass die Umsetzbarkeit ungewiss ist.
• Der Bereich Raumfahrzeugantrieb ist zwar interessant, aber bis zur Realisierung scheint es noch ein weiter Weg zu sein. Zunächst wären Laser im Bereich von mehreren zehn kW erforderlich, wobei mit hohen technischen und finanziellen Hürden zu rechnen ist. Ein Sonnensegel, das Strahlungsdruck des Sonnenlichts nutzt, könnte eine realistischere Alternative sein.

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentar

Zusammenfassung:

• PCSELs (Photonic Crystal Surface Emitting Lasers) sind zwar nicht buchstäblich Kraftfelder, ähneln ihnen aber insofern, als sie in der Luft fast augenblicklich nahezu alles stoppen können.
• Es gibt Hoffnung auf günstige Lasertechnik, mit der sich in Haushalten oder kleinen Werkstätten Metall schneiden lässt. Allerdings ist Vorsicht geboten, da sie auch gefährlich sein könnte.
• In Kombination mit Wasserstoff-Bor-(aneutronischer) Kernfusion zeigt sich die Möglichkeit, Strom direkt ohne thermisches Kraftwerk zu erzeugen. Es liegt zwar noch einige Jahre in der Zukunft, wirkt aber vielversprechend.
• Das ist ähnlich dazu, wie ASML-Maschinen UV-Laser (Winkel) und Beugungsgitter abstimmen, um saubere und kleine 2D-Muster zu erzeugen.
• Es stellt sich die Frage, wie schwierig es ist, auf dieser Skala die Wechselwirkungen des Lichts zu modellieren. Auch die Möglichkeit probabilistischer Lösungen wird angesprochen.
• Das Kühlungsproblem dürfte wie bei LED-Hochleistungsbeleuchtung zum entscheidenden Punkt werden. Es ist weiterhin ziemlich viel Hardware erforderlich.
• Es wird gefragt, warum man es nicht einfach „Lichtschwert“ genannt hat. Eine verpasste Gelegenheit, so scheint es.
• Aufgrund dieser Oberflächenemissionseigenschaften könnte es einfacher werden, mehrere Chips phasenzuverkoppeln. Das könnte für große Aperturen und Energieübertragung über weite Distanzen nützlich sein.
• Ein Anwendungsfeld für hocheffiziente Laser mit großer Apertur ist die Energieversorgung von Langstreckenflugzeugen von Bodenstationen oder Laserstationen im Weltraum aus. Attraktiv ist dabei, dass überhaupt kein Treibstoff benötigt würde.
• Könnten günstige Laser-Cutter für den Heimgebrauch damit außer Holz, Leder und Kunststoff auch Metall schneiden?
• Der Artikel sorgt für Verwirrung, indem er PCSELs mit edge-emitting Lasern vergleicht, aber es scheint eher eine neue Verbesserung von VCSELs zu sein, die schon seit etwa dem Jahr 2000 hohe Leistungsdichten erreichen.
• Es sieht so aus, als stünden wir kurz vor dem Zeitalter der Laserpistolen.