- Der PCSEL des Teams der Kyoto University ist ein Photonic-Crystal Surface-Emitting Laser, der die Helligkeitsgrenze von Halbleiterlasern überwindet und bei einer Größe von 3 mm sogar das Schneiden von Stahl mit einer Helligkeit auf dem Niveau von Gas- und Faserlasern demonstriert hat
- Der Schlüssel zur Leistung ist die interne Photonic-Crystal-Schicht im Halbleiter, deren Anordnung aus Nanometerlöchern das Licht in einer zweidimensionalen stehenden Welle bindet und nur den Grundmodus verstärkt, wodurch ein starker und schmaler Strahl entsteht
- 2023 erreichte der PCSEL eine Helligkeit von 1GW/cm²/sr, eine kontinuierliche Ausgangsleistung von 50 W, einen Emissionsdurchmesser von 3 mm und eine Strahldivergenz von 1/20 Grad und schnitt damit Metallplatten mit einer Dicke von 100 μm
- Für industrielle Bearbeitung wie die Herstellung von Automobilteilen ist eine Kilowatt-Ausgangsleistung erforderlich; als nächste Aufgaben bleiben daher ein Array aus neun 3-mm-PCSELs oder die Erweiterung des Emissionsbereichs auf 1 cm
- Hochhelle PCSELs zielen nicht nur auf die Fertigung, sondern auch auf kompaktes lidar, Beam Steering auf dem Chip, EUV-Lithografie, Kernfusion und lichtgetriebene Raumfahrt, benötigen dafür aber noch höhere Leistung, Effizienz und besseres Wärmemanagement
Laser für Society 5.0
- Das 2016 von der japanischen Regierung vorgestellte Konzept Society 5.0 umfasst Technologien wie On-Demand-Fertigung, robotische Pflege sowie autonome Taxis und Traktoren
- Laser in dieser Umgebung müssen klein und günstig genug sein, um in Alltagsgeräte eingebaut zu werden; zudem sollen sie einfach herzustellen, energieeffizient und präzise steuerbar für eine Massenanpassung sein
- Halbleiterlaser sind bei Größe und Kosten im Vorteil, haben aber die große Einschränkung einer geringen Helligkeit
- Die Laserhelligkeit ist als optische Leistung pro Flächeneinheit und pro Raumwinkeleinheit definiert
- Für Materialbearbeitung wie Schneiden, Schweißen und Bohren wird grob ein Niveau von 1GW/cm²/sr benötigt
- Die Helligkeit kommerzieller Halbleiterlaser liegt weit unter diesem Niveau
- Auch bei lidar bestimmt die Helligkeit Kosten und Leistung
- Für präzise Messungen über große Distanzen oder bei hoher Geschwindigkeit muss der Strahl eng fokussiert sein
- Hochwertige lidar-Systeme verwenden derzeit mehr als 100 Halbleiterlaser und manuell montierte Linsenkonfigurationen, was die Kosten erhöht
Engpässe bestehender Laser und von Halbleiterlasern
- CO₂-Laser und Faserlaser können in industriellen Anwendungen ultrahochhelle Strahlen erzeugen, sind aber größer, teurer, energieineffizienter und schwieriger zu steuern als Halbleiterlaser
- Hochleistungs-CO₂-Laser können bis zur Größe eines Kühlschranks anwachsen
- Herkömmliche Halbleiterlaser verstärken das Licht normalerweise entlang eines schmalen Streifens in der aktiven Schicht, und der Strahl tritt an der vorderen Kante des Chips aus
- Um die Leistung zu erhöhen, muss der Emissionsbereich vergrößert werden, doch in einem breiteren Streifen entstehen höhere transversale Moden, bei denen das Licht auf Zickzackbahnen schwingt
- Höhere Moden machen den Strahl fleckig und breit
- Die Helligkeit herkömmlicher Halbleiterlaser stößt grob bei 100MW/cm²/sr an ihre Grenze
Wie Photonic Crystals den Strahl verengen
- Ein PCSEL besitzt wie ein normaler Halbleiterlaser eine aktive Schicht und Cladding-Schichten, ergänzt aber im Inneren um eine Photonic-Crystal-Schicht mit zweidimensional angeordneten Nanometerlöchern
- Der Photonic Crystal steuert den Lichtfluss so, wie Halbleiter den Elektronenfluss steuern
- Strukturen wie Löcher, Würfel oder Säulen werden periodisch im Maßstab der Lichtwellenlänge angeordnet
- Durch periodische Änderungen des Brechungsindex werden Licht bestimmter Wellenlängen und Richtungen reflektiert und zur Interferenz gebracht
- Der grundlegende Photonic Crystal eines PCSEL ist ein zweidimensionales quadratisches Gitter
- Ein Galliumarsenid-Laser, der beispielsweise bei 940 nm arbeitet, hat intern eine Wellenlänge von etwa 280nm
- In einem grundlegenden Galliumarsenid-PCSEL wird der Lochabstand daher auf etwa 280 nm abgestimmt
- Das Lochmuster wirkt wie ein kleiner Spiegel, der das Licht nach hinten und zur Seite umlenkt; mehrere Beugungen koppeln sich zu einer zweidimensionalen stehenden Welle
- Die aktive Schicht verstärkt diese stehende Welle
- Ein Teil des Lichts wird nach oben und unten gebeugt und als Strahl einer einzelnen Wellenlänge an der Chipoberfläche ausgesendet
- Anders als herkömmliche kantenemittierende Laser senden PCSELs Licht von der Oberfläche aus; der Emissionsbereich ist breit und meist rund, sodass ein hochwertiger Strahl mit geringer Divergenz entsteht
Generationen von Designs zur Steigerung der Helligkeit
- 1998 entwickelte das Team der Kyoto University den ersten PCSEL und verfeinerte das Design seitdem fortlaufend für einen hochhellen Betrieb
- 2014 berichtete es über einen PCSEL mit quadratischem Gitter aus dreieckigen Löchern
- Der Emissionsbereich betrug 200×200μm
- Die kontinuierliche Ausgangsleistung lag bei etwa 1W
- Die Strahldivergenz betrug rund 2 Grad
- Das ist deutlich schmaler als die für herkömmliche Halbleiterlaser typischen mehr als 30 Grad Divergenz
- Bei einem Ein-Gitter-Design treten oberhalb von etwa 200 μm höhere transversale Moden auf
- Im Grundmodus ist die Lichtintensität im Zentrum konzentriert
- Bei höheren Moden entstehen zwei, drei, vier oder mehr Intensitätsmaxima
- In kleinen Emissionsbereichen liegen die Maxima höherer Moden am Rand, sodass Licht seitlich austritt und nicht schwingt
- Wird der Emissionsbereich größer, entsteht Raum, in dem höhere Moden schwingen können
- Um das zu verhindern, führte das Forschungsteam ein Doppelgitter ein
- Ein quadratisches Gitter aus runden Löchern wurde gegenüber einem zweiten quadratischen Gitter aus elliptischen Löchern um eine Viertelwellenlänge verschoben
- Ein Teil des gebeugten Lichts erzeugt destruktive Interferenz und schwächt bzw. verteilt dadurch die Intensitätsmaxima höherer Moden
- Ein mit Doppelgitter gefertigter PCSEL mit 1 mm Durchmesser erzeugte im Dauerbetrieb einen 10-W-Strahl
- Die Divergenz betrug 0,1 Grad
- Das ist mehr als dreimal heller als die mit herkömmlichen Halbleiterlasern erreichbare Helligkeit
- Anders als ein herkömmlicher Laser derselben Größe schwingt er im Einmodenbetrieb
Stahlschneiden mit einem 3-mm-PCSEL
- Bei noch größeren Durchmessern lässt sich die Entstehung höherer Moden allein mit einem Doppelgitter nur schwer ausreichend unterdrücken
- Das Forschungsteam passte daher den Rückreflektor an, ausgehend davon, dass höhere Moden den Laser unter einem leicht schrägen Winkel verlassen
- In der vorherigen Generation diente der Rückreflektor nur dazu, nach unten gebeugtes Licht wieder zur oberen Emissionsfläche zurückzuwerfen
- Durch Anpassung der Position des Reflektors sowie des Abstands und der Form der Photonic-Crystal-Löcher wurde erreicht, dass austretendes Licht mit der zweidimensionalen stehenden Welle in der Photonic-Crystal-Schicht interferiert
- Je schräger eine austretende Welle ist, desto mehr Energie verliert sie, wodurch höhere Moden selektiv unterdrückt werden
- Der 2023 entwickelte PCSEL erreichte eine Helligkeit von 1GW/cm²/sr, vergleichbar mit Gas- und Faserlasern
- Der Emissionsdurchmesser betrug 3mm
- Die kontinuierliche Ausgangsleistung lag bei bis zu 50W
- Die Strahldivergenz betrug 1/20 Grad
- Das Gerät demonstrierte das Schneiden von Stahl, indem es Scheiben aus Metallplatten mit 100μm Dicke ausschnitt
Herausforderungen auf dem Weg zu industriellen Anwendungen im Kilowatt-Bereich
- Die Demonstration des Stahlschneidens ist beeindruckend, doch für Wettbewerbsfähigkeit auf dem Industriemarkt wird mehr Leistung benötigt
- Für die Fertigung von Automobilteilen ist grob eine optische Ausgangsleistung im Kilowatt-Bereich erforderlich
- Ein PCSEL im Kilowatt-Bereich ist auf zwei Wegen denkbar
- Ein Array aus neun 3-mm-PCSELs
- Eine Erweiterung des Emissionsbereichs des aktuellen Geräts auf 1cm
- Bei einer Größe von 1 cm könnten höhere Moden erneut auftreten und die Strahlqualität verschlechtern
- Dennoch wäre eine Helligkeit ähnlich wie bei leistungsstarken Gas- und Faserlasern möglich, sodass einige größere bestehende Laser ersetzt werden könnten
- Damit ein 1-cm-PCSEL tatsächlich etwas verändert, ist die Unterdrückung höherer Moden nötig
- Das Forschungsteam entwickelte eine Methode zur Feinabstimmung der Photonic-Crystal-Struktur und der Reflektorposition
- Sie wurde noch nicht im Labor getestet, doch theoretische Modelle zeigen das Potenzial für 10~100GW/cm²/sr
Effizienz und Wärmemanagement
- Bei Hochleistungsanwendungen sind Energieeffizienz und Wärmemanagement genauso wichtig wie die Leistung selbst
- Der Wall-Plug-Wirkungsgrad nicht optimierter PCSELs liegt bereits bei 30~40%
- Das ist höher als bei den meisten CO₂-Lasern und Faserlasern
- Das Forschungsteam fand einen Weg, die Effizienz auf 60% zu steigern
- Die derzeit im Labor eingesetzte Wasserkühlung wird als ausreichend für einen 1.000W, 1cm PCSEL angesehen
lidar und Beam Steering auf dem Chip
- Hochhelle PCSELs könnten auch dazu genutzt werden, Sensorsysteme für autonome Fahrzeuge und Roboter kleiner und günstiger zu machen
- Ein kürzlich gebautes lidar-System verwendet einen 500μm PCSEL
- Im Pulsbetrieb wird er mit etwa 20W betrieben
- Selbst in 30 m Entfernung beträgt die Spotgröße nur 5 cm
- Für ein kompaktes lidar-System ohne externe Linse ist das eine ungewöhnliche Auflösung
- Der Prototyp ist etwa so groß wie eine Webcam und wurde auf einem Roboterwagen montiert, der in einem Ingenieurgebäude Menschen und einander folgen sollte
- Separate Forschung zeigte zudem, dass ein PCSEL mehrere Strahlen erzeugen und elektronisch so gesteuert werden kann, dass sie in unterschiedliche Richtungen zeigen
- Durch Variation von Position und Größe der Löcher in der Photonic-Crystal-Schicht wurde Beam Steering auf dem Chip umgesetzt
- Damit könnte langfristig mechanisches Beam Steering in lidar ersetzt werden
- Werden sogar Photodetektoren auf demselben Chip integriert, könnten vollständig elektronische Navigationssysteme sehr klein und günstig werden
Langfristige Ziele bis hin zu EUV, Kernfusion und lichtgetriebener Raumfahrt
- Langfristig werden bei einem 3-cm-Laser eine Ausgangsleistung von mehr als 10kW und eine Helligkeit von bis zu 1.000GW/cm²/sr angestrebt
- Dieses Niveau wäre heller als jeder derzeit existierende Laser
- Extrem hochhelle PCSELs könnten die großen, stromhungrigen CO₂-Laser ersetzen, die in EUV-Lithografiesystemen Plasmaimpulse erzeugen, und dadurch die Effizienz der Chipfertigung verbessern
- Auch für die Kernfusion gibt es Anwendungspotenzial
- Kernfusion umfasst das Beschießen einer erbsengroßen Brennstoffkapsel mit Laserleistungen im Bereich von Billionen Watt
- Lichtgetriebene Raumfahrt ist ebenfalls eine potenzielle Anwendung
- Durch Licht beschleunigte Sonden könnten ferne Sterne nicht erst nach Jahrtausenden, sondern schon nach einigen Jahrzehnten erreichen
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Der Artikel beschreibt die industriellen Auswirkungen stärkerer und kleinerer Laser gut, weckt aber auch die Hoffnung, dass PCSEL bis in den Markt kleiner Werkstätten vordringt.
Ein günstiger Laser, mit dem man zu Hause oder in einer kleinen Werkstatt Metall schneiden kann, wäre wirklich nützlich. Natürlich wäre er, wie Laser eben sind, auch ziemlich gefährlich.
Der Laser schmilzt das Metall nur, entfernt es aber nicht aus dem Schnittspalt; manche Metalle können in normaler Luft reagieren und in Richtung der Austrittsoptik zurückspritzen. Deshalb muss man Druckgas in die Schnittstelle blasen, um das Material zu entfernen.
Bei dünnen Materialien oder manchen Metallen reicht es, sehr viel sehr saubere, trockene Druckluft einzublasen, in anderen Fällen braucht man bestimmte reaktive oder nichtreaktive Gase oder Gasgemische. Plasmaschneiden bläst die Schnittstelle normalerweise mit Luft frei, Autogenschneiden lässt das Material mit überschüssigem Sauerstoff reagieren und bläst es so weg.
Laser sind anspruchsvoller, weil die Schnittbreite extrem schmal ist, und deshalb können die Verbrauchsmaterialkosten überraschend hoch werden. Stärkere Laser müssen die Optik mitunter in einem schwachen Vakuum betreiben, weil Staub und das von der Luft selbst erzeugte Plasma teure Komponenten abtragen.
Auch die Nebenprodukte sind ein Problem. Organisches Material zerfällt in allerlei organikähnliche Stoffe, die man weder einatmen noch in Bodennähe bei den Nachbarn ausblasen möchte; und wenn man Nebenprodukte beim Metallschneiden nicht häufig genug entfernt, kann feines Pulver eine kritische Menge erreichen und ziemlich gefährlich werden. Brände von Eisen oder Aluminium ruinieren den Laser, und wenn Eisen und Aluminium gemeinsam brennen, können sie nicht nur den Laser, sondern auch die Auflage und den Beton darunter zerstören.
Meiner Ansicht nach sollte man solche Geräte nicht direkt betrachten, sondern ausschließlich über Kameras bedienen.
Kombiniert man das mit Wasserstoff-Bor-aneutronischer Fusion, könnte man vielleicht direkt Strom erzeugen, ohne Wärmekraftmaschine.
Das ist noch einige Jahre entfernt, zeigt aber einen möglichen Weg nach vorn.
Der Artikel spricht von geplanten 10 kW, also 10^4 W; ein Petawatt sind 10^15 W, rechnerisch fehlen also 11 Nullen. Das dürfte noch eine Weile dauern.
Helion, das sagt, es werde diesen Sommer ein Fusionsstrom-Gerät einschalten, könnte früher dort ankommen.
Die Passage „In Society 5.0 werden On-Demand-Produkte möglich“ erinnert an Fans von The Peripheral.
Spaß beiseite: Der Knackpunkt dieser Vision ist, wie bei Hochleistungs-LED-Beleuchtung, die Kühlung. Um etwas zu kühlen, braucht man immer noch ziemlich große Hardware.
Der Artikel stiftet Verwirrung, indem er PCSEL mit kantenemittierenden Lasern vergleicht.
Tatsächlich wirkt es eher wie eine neue Verbesserung von VCSEL, die schon etwa seit der Jahrtausendwende hohe Leistungsdichten liefern.
Ich frage mich, ob diese Oberflächenemissionseigenschaft es einfacher macht, mehrere Chips phasenzukoppeln.
Das könnte für große Aperturen und Energieübertragung über große Distanzen sehr nützlich sein.
Eine Anwendung hocheffizienter Laser mit großer Apertur wäre die Stromversorgung von Langstreckenflugzeugen. Wenn Bodenstationen entlang der Route oder Laserstationen im All Energie per Strahl übertragen, ließe sich Treibstoff vollständig einsparen, was potenziell unbegrenzte Reichweite ermöglichen würde.
Wenn man ein wafergroßes Array phasengekoppelter Emitter baut und sie so kombiniert, dass jeder Emitter abgeschwächt oder phasenverschoben werden kann, ergibt das ein brauchbares monochromes holografisches Display. Dabei nehme ich an, dass der Divergenzwinkel jedes Emitters groß ist.
Bedeutet das, dass günstige Lasercutter für den Heimgebrauch künftig nicht nur Holz, Leder und Kunststoff, sondern auch Metall schneiden können?
Das erinnert an moderne ASML-Anlagen, die Winkel und Beugungsgitter von UV-Lasern abstimmen, um saubere, kleine 2D-Muster zu erzeugen.
Ich frage mich, wie schwer es ist, Lichtwechselwirkungen in diesem Maßstab zu modellieren. Was bräuchten die Autoren, um eine Modellierungslösung für das Skalierungsproblem zu finden? Reicht dafür eine promovierte Person in Photophysik, oder müssen Unternehmen und Menschen über Jahrzehnte hinweg Expertise in Teams aufbauen?
Bei ASML scheint es, als müsse man nur die Beugungswechselwirkung einer einzelnen Welle mit der Maske lösen, aber die Modellierung von stehenden Wellen und höheren Moden dürfte deutlich mehr Mathematik erfordern. Falls die Lösung jeder Wechselwirkung probabilistisch ist, frage ich mich außerdem, ob das überhaupt machbar ist.
Ich frage mich auch, ob die praktische Lösung größtenteils durch die herstellbaren Halbleiterstrukturen begrenzt wird, etwa durch die Art von Merkmalen wie Löchern.
Könnte man das für 3D-Druck verwenden?
Ich meine eine Anordnung von Lasern, bei der jeder Laser wie ein Pixel arbeitet und man eine Pulverschicht bewegt, um 3D zu erzeugen. Könnte diese Struktur schneller sein als heutige 3D-Drucker?
Letzteres ermöglicht mit Farbstoffen auch vollfarbige 3D-Ausgaben aus Kunststoff.
Der Suchbegriff lautet „Laser powder bed fusion“. Das ist zu unterscheiden vom unten genannten Markennamen „Direct Metal Laser Sintering“.
https://www.3dsourced.com/guides/direct-metal-laser-sinterin...
Ich bin mir nur nicht sicher, wie stark die Lichtquelle die Geschwindigkeit beeinflussen oder verbessern kann.
Wird es dann möglich, dass jemand mit so einem Laser einen Menschen in zwei Hälften schneidet?
Der Fokus liegt auf industriellen Anwendungen, aber es wirkt wie eine Dual-Use-Technologie, also scheint Regulierung nötig zu sein.
In diesem Artikel über Society 5.0 kommen keine Laser vor. Weiß jemand, warum Ultrahochleistungslaser für diesen Zukunftsplan unbedingt wichtig sein sollen?
https://www8.cao.go.jp/cstp/english/society5_0/index.html
https://www8.cao.go.jp/cstp/kihonkeikaku/5basicplan_en.pdf
In diesem Dokument werden als Prioritäten des Plans unter anderem Robotik, Sensoren, Aktuatoren, Biotechnologie, Mensch-Maschine-Schnittstellen, Materialien und Nanotechnologie sowie Licht- und Quantentechnologien aufgeführt. Mit etwas Fantasie kann man sich vorstellen, wie günstige, starke und kleine Laser in jedem dieser Bereiche helfen könnten.
Banaler gesagt ist es vermutlich einfach so, dass Forschende ihre Fördergelder rechtfertigen, indem sie ihre Ergebnisse jeweils mit den aktuellen politischen Prioritäten verknüpfen.