Laser siêu nhỏ, siêu sáng có thể làm nóng chảy thép
(spectrum.ieee.org)- PCSEL của nhóm Kyoto University là laser phát xạ bề mặt tinh thể quang tử, vượt qua giới hạn độ sáng thấp của laser bán dẫn và đã trình diễn cắt thép ở kích thước 3 mm với độ sáng ngang cấp laser khí và laser sợi quang
- Cốt lõi hiệu năng nằm ở lớp tinh thể quang tử bên trong bán dẫn: mảng lỗ kích thước nanomet giữ ánh sáng thành sóng đứng hai chiều và chỉ khuếch đại mode cơ bản, tạo ra chùm tia mạnh và hẹp
- Năm 2023, PCSEL đạt độ sáng 1GW/cm²/sr, công suất liên tục 50W, đường kính phát xạ 3 mm, độ phân kỳ chùm tia 1/20 độ, và cắt được tấm kim loại dày 100μm
- Gia công công nghiệp như sản xuất linh kiện ô tô cần công suất cấp kilowatt, nên các mục tiêu tiếp theo là mảng gồm 9 PCSEL 3 mm hoặc mở rộng vùng phát xạ lên 1 cm
- PCSEL độ sáng cao không chỉ hướng tới sản xuất mà còn tới lidar cỡ nhỏ, lái chùm tia trên chip, quang khắc EUV, nhiệt hạch và bay vũ trụ bằng lực đẩy ánh sáng, nhưng vẫn cần công suất, hiệu suất và quản lý nhiệt cao hơn
Laser mà Society 5.0 đòi hỏi
- Ý tưởng Society 5.0 do chính phủ Nhật Bản đưa ra năm 2016 bao gồm các công nghệ như sản xuất theo yêu cầu, robot chăm sóc, taxi và máy kéo tự hành
- Laser trong môi trường này phải đủ nhỏ và rẻ để đi vào các thiết bị hằng ngày, đồng thời dễ chế tạo, hiệu quả năng lượng cao và được điều khiển chính xác để phù hợp với tùy biến hàng loạt
- Laser bán dẫn có lợi thế về kích thước và chi phí, nhưng có hạn chế lớn là độ sáng thấp
- Độ sáng laser được định nghĩa là công suất quang trên mỗi đơn vị diện tích và mỗi đơn vị góc khối
- Gia công vật liệu như cắt, hàn và khoan cần mức khoảng 1GW/cm²/sr
- Độ sáng của laser bán dẫn thương mại thấp hơn mức này rất nhiều
- Trong lidar, độ sáng cũng quyết định chi phí và hiệu năng
- Để đo chính xác ở khoảng cách xa hoặc tốc độ cao, chùm tia phải được tập trung hẹp
- Lidar cao cấp hiện nay dùng hơn 100 laser bán dẫn cùng cấu hình thấu kính lắp thủ công, khiến chi phí tăng cao
Nút thắt của laser truyền thống và laser bán dẫn
- Laser CO₂ và laser sợi quang có thể tạo chùm tia siêu sáng trong ứng dụng công nghiệp, nhưng lớn hơn, đắt hơn, kém hiệu quả năng lượng hơn và khó điều khiển hơn so với laser bán dẫn
- Laser CO₂ công suất cao có thể lớn tới cỡ một chiếc tủ lạnh
- Laser bán dẫn truyền thống thường khuếch đại ánh sáng dọc theo một dải hẹp của lớp hoạt tính, và chùm tia phát ra từ mép trước của chip
- Để tăng công suất, cần mở rộng vùng phát xạ, nhưng trong dải rộng hơn sẽ xuất hiện mode ngang bậc cao, nơi ánh sáng dao động theo đường zic-zac
- Mode bậc cao làm chùm tia loang lổ và phân tán
- Độ sáng của laser bán dẫn truyền thống đạt giới hạn ở khoảng 100MW/cm²/sr
Cách dùng tinh thể quang tử để thu hẹp chùm tia
- PCSEL có lớp hoạt tính và lớp vỏ như laser bán dẫn thông thường, nhưng bổ sung bên trong một lớp tinh thể quang tử gồm các lỗ kích thước nanomet sắp xếp hai chiều
- Tinh thể quang tử điều khiển dòng ánh sáng giống như bán dẫn điều khiển dòng electron
- Các cấu trúc như lỗ, khối lập phương và cột được bố trí tuần hoàn ở thang kích thước bước sóng ánh sáng
- Khi chiết suất thay đổi tuần hoàn, ánh sáng ở các bước sóng và hướng nhất định sẽ phản xạ và giao thoa
- Tinh thể quang tử cơ bản của PCSEL là một mạng vuông hai chiều
- Ví dụ, laser gallium arsenide hoạt động ở 940nm có bước sóng bên trong khoảng 280nm
- Trong PCSEL gallium arsenide cơ bản, khoảng cách giữa các lỗ được đặt khoảng 280nm
- Mảng lỗ làm ánh sáng bị bẻ về phía sau và sang bên như những chiếc gương nhỏ, nhiều lần nhiễu xạ kết hợp lại để tạo thành sóng đứng hai chiều
- Lớp hoạt tính khuếch đại sóng đứng này
- Một phần ánh sáng bị nhiễu xạ lên trên và xuống dưới, rồi được phát ra từ bề mặt chip thành chùm tia đơn bước sóng
- Khác với laser edge-emitting truyền thống, PCSEL phát sáng từ bề mặt; vùng phát xạ rộng và phần lớn có dạng tròn, nên có thể tạo chùm tia chất lượng cao với góc phân kỳ thấp
Thiết kế qua từng thế hệ để tăng độ sáng
- Năm 1998, nhóm Kyoto University chế tạo PCSEL đầu tiên và sau đó tiếp tục tinh chỉnh thiết kế để vận hành với độ sáng cao
- Năm 2014, họ báo cáo PCSEL dùng mạng vuông gồm các lỗ tam giác
- Vùng phát xạ là 200×200μm
- Công suất khoảng 1W khi hoạt động liên tục
- Góc phân kỳ chùm tia khoảng 2 độ
- Hẹp hơn nhiều so với mức phân kỳ thường gặp trên 30 độ của laser bán dẫn truyền thống
- Thiết kế mạng đơn sẽ xuất hiện mode ngang bậc cao khi lớn hơn khoảng 200μm
- Ở mode cơ bản, cường độ ánh sáng tập trung ở trung tâm
- Ở mode bậc cao, xuất hiện hai, ba, bốn hoặc nhiều đỉnh cường độ hơn
- Trong vùng phát xạ nhỏ, các đỉnh của mode bậc cao nằm ở rìa nên ánh sáng rò ra bên hông và không dao động
- Khi vùng phát xạ lớn hơn, mode bậc cao có không gian để dao động
- Để ngăn điều này, nhóm nghiên cứu đưa vào mạng kép
- Dịch mạng vuông gồm các lỗ tròn lệch 1/4 bước sóng so với mạng vuông thứ hai gồm các lỗ hình elip
- Một phần ánh sáng bị nhiễu xạ tạo giao thoa triệt tiêu, làm suy yếu và phân tán các đỉnh cường độ của mode bậc cao
- PCSEL đường kính 1 mm chế tạo bằng mạng kép phát ra chùm tia 10W khi hoạt động liên tục
- Góc phân kỳ là 0,1 độ
- Sáng hơn hơn 3 lần so với độ sáng mà laser bán dẫn truyền thống có thể đạt được
- Khác với laser truyền thống cùng kích thước, nó dao động ở mode đơn
PCSEL 3 mm cắt thép
- Ở đường kính lớn hơn, chỉ mạng kép là chưa đủ để triệt mode bậc cao
- Nhóm nghiên cứu điều chỉnh bộ phản xạ phía sau dựa trên việc mode bậc cao thoát ra khỏi laser theo góc hơi xiên
- Ở thế hệ trước, bộ phản xạ phía sau chỉ có nhiệm vụ đưa ánh sáng bị nhiễu xạ xuống dưới quay lại bề mặt phát xạ phía trên
- Bằng cách điều chỉnh vị trí bộ phản xạ cũng như khoảng cách và hình dạng lỗ của tinh thể quang tử, ánh sáng thoát ra được làm cho giao thoa với sóng đứng hai chiều trong lớp tinh thể quang tử
- Sóng đi xiên càng mất nhiều năng lượng hơn, nhờ đó mode bậc cao bị chặn có chọn lọc
- PCSEL phát triển năm 2023 đạt độ sáng 1GW/cm²/sr, ngang với laser khí và laser sợi quang
- Đường kính phát xạ là 3mm
- Công suất liên tục tối đa là 50W
- Góc phân kỳ chùm tia là 1/20 độ
- Thiết bị này đã trình diễn cắt thép bằng cách cắt một đĩa tròn từ tấm kim loại dày 100μm
Thách thức hướng tới ứng dụng công nghiệp cấp kilowatt
- Màn trình diễn cắt thép rất ấn tượng, nhưng để cạnh tranh trên thị trường công nghiệp thì cần công suất cao hơn
- Sản xuất linh kiện ô tô cần công suất quang khoảng cấp kilowatt
- Có thể tiếp cận PCSEL cấp kilowatt theo hai cách
- Sắp xếp 9 PCSEL 3 mm thành mảng
- Mở rộng vùng phát xạ của thiết bị hiện tại lên 1cm
- Ở kích thước 1 cm, mode bậc cao có thể xuất hiện trở lại và làm giảm chất lượng chùm tia
- Dù vậy, nó vẫn có thể đạt độ sáng tương tự laser khí và laser sợi quang công suất cao, nhờ đó có thể thay thế một số laser truyền thống lớn hơn
- Để PCSEL 1 cm tạo ra thay đổi thực tế, cần triệt mode bậc cao
- Nhóm nghiên cứu đã nghĩ ra cách tinh chỉnh cấu trúc tinh thể quang tử và vị trí bộ phản xạ
- Tuy chưa được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, các mô hình lý thuyết cho thấy có thể đạt độ sáng 10~100GW/cm²/sr
Hiệu suất và quản lý nhiệt
- Trong ứng dụng công suất cao, hiệu quả năng lượng và quản lý nhiệt cũng quan trọng như hiệu năng
- Trước khi tối ưu, hiệu suất wall-plug của PCSEL đã đạt 30~40%
- Mức này cao hơn hầu hết laser CO₂ và laser sợi quang
- Nhóm nghiên cứu đã tìm ra lộ trình để nâng hiệu suất lên 60%
- Công nghệ làm mát bằng nước đang dùng trong phòng thí nghiệm hiện được cho là đủ cho PCSEL 1,000W, 1cm
Lidar và lái chùm tia trên chip
- PCSEL độ sáng cao cũng có thể được dùng để làm các hệ thống cảm biến cho xe tự hành và robot nhỏ hơn, rẻ hơn
- Hệ thống lidar mới chế tạo dùng PCSEL 500μm
- Được vận hành ở chế độ xung với khoảng 20W
- Ở khoảng cách 30 m, kích thước điểm sáng chỉ 5cm
- Đây là độ phân giải khác thường đối với một hệ thống lidar nhỏ gọn không có thấu kính ngoài
- Nguyên mẫu có kích thước cỡ webcam, được gắn lên xe đẩy robot và lập trình để con người và robot bám theo nhau trong một tòa nhà kỹ thuật
- Trong một nghiên cứu riêng, họ cho thấy PCSEL có thể phát nhiều chùm tia và được điều khiển điện tử để hướng tới các hướng khác nhau
- Thay đổi vị trí và kích thước lỗ trong lớp tinh thể quang tử để triển khai lái chùm tia trên chip
- Về lâu dài, nó có thể thay thế cơ chế lái chùm tia cơ học của lidar
- Nếu tích hợp cả bộ quang dò trên cùng chip, có thể tạo ra một hệ thống định vị hoàn toàn điện tử rất nhỏ và rẻ
Mục tiêu dài hạn tới EUV, nhiệt hạch và lực đẩy ánh sáng
- Về dài hạn, mục tiêu là đạt công suất vượt 10kW và độ sáng tối đa 1,000GW/cm²/sr từ laser 3 cm
- Mức này sáng hơn bất kỳ laser nào hiện có
- PCSEL siêu sáng có thể thay thế các laser CO₂ cỡ lớn, công suất cao dùng để tạo xung plasma trong thiết bị quang khắc EUV, qua đó nâng hiệu quả sản xuất chip
- Cũng có khả năng ứng dụng trong nhiệt hạch
- Nhiệt hạch bao gồm quá trình bắn công suất laser cấp nghìn tỷ watt vào viên nang nhiên liệu cỡ hạt đậu
- Bay vũ trụ bằng lực đẩy ánh sáng cũng là một ứng dụng tiềm năng
- Tàu thăm dò được gia tốc bằng ánh sáng có thể tới các ngôi sao xa trong vài chục năm thay vì hàng nghìn năm
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Bài viết đã chỉ ra khá đúng tác động công nghiệp của các laser mạnh hơn và nhỏ hơn, nhưng cũng khiến người ta kỳ vọng PCSEL sẽ xuống tới cả thị trường xưởng nhỏ
Sẽ thật sự hữu ích nếu có laser giá rẻ có thể cắt kim loại tại nhà hoặc trong xưởng thủ công nhỏ. Tất nhiên, đúng kiểu laser thì nó cũng nguy hiểm một cách âm thầm
Laser chỉ làm nóng chảy kim loại chứ không tự đẩy nó ra khỏi khe cắt, và một số kim loại có thể phản ứng trong không khí thường rồi bắn ngược lên phía quang học phát xạ. Vì vậy cần thổi khí nén vào vùng cắt để loại bỏ chúng
Với vật liệu mỏng hoặc một số kim loại, chỉ cần thổi nhiều khí nén sạch và rất khô là đủ, nhưng các trường hợp khác lại cần khí phản ứng, khí trơ hoặc hỗn hợp khí cụ thể. Cắt plasma thường dùng không khí để thổi bay vùng cắt, còn cắt oxy thì cho phản ứng với lượng oxy dư để thổi đi
Laser còn khó hơn vì bề rộng cắt cực kỳ hẹp, nên chi phí vật tư tiêu hao có thể lớn hơn tưởng tượng. Laser mạnh hơn đôi khi còn phải vận hành cụm quang học trong môi trường chân không nhẹ, vì bụi và cả plasma do không khí tạo ra có thể bào mòn các linh kiện đắt tiền
Sản phẩm phụ cũng là vấn đề. Vật liệu hữu cơ bị phân hủy thành đủ loại chất kiểu hữu cơ không tốt để hít vào hoặc xả ra gần mặt đất cạnh nhà hàng xóm, còn sản phẩm phụ từ cắt kim loại nếu không được dọn đủ thường xuyên thì bụi mịn có thể đạt tới lượng tới hạn và trở nên khá nguy hiểm. Cháy sắt hay nhôm có thể phá hỏng laser, và nếu sắt với nhôm cùng cháy thì không chỉ laser mà cả bệ đỡ và lớp bê tông bên dưới cũng có thể bị phá hỏng
Tôi nghĩ những thiết bị như thế này chỉ nên vận hành qua camera, tuyệt đối không nhìn trực tiếp
Nếu kết hợp thứ này với nhiệt hạch aneutronic hydro-boron, có lẽ có thể tạo điện trực tiếp mà không cần động cơ nhiệt
Vẫn còn cách vài năm nữa, nhưng nó cho thấy một con đường có thể tiến tới
Bài báo nói họ đang nhắm tới 10kW, tức 10^4W, trong khi petawatt là 10^15W, nghĩa là về mặt tính toán còn thiếu 11 số 0 nữa. Có vẻ sẽ mất một thời gian
Helion, công ty nói rằng sẽ bật thiết bị nhiệt hạch-phát điện vào mùa hè này, có thể tới đích trước
Câu “Trong Society 5.0, sản phẩm sản xuất theo đơn đặt hàng sẽ trở nên khả thi” làm tôi nhớ tới fan của The Peripheral
Đùa vậy thôi, nhưng nút thắt của ý tưởng này, cũng như đèn LED công suất cao, là làm mát. Muốn làm mát thứ gì đó thì vẫn cần phần cứng khá lớn
Bài viết khiến việc so sánh PCSEL với laser phát xạ cạnh trở nên khó hiểu
Thực ra nó trông giống một biến thể cải tiến mới của VCSEL, vốn đã cho mật độ công suất cao từ khoảng thời điểm chuyển giao thế kỷ
Không biết đặc tính phát xạ bề mặt kiểu này có giúp dễ khóa pha nhiều chip với nhau hơn không
Nó có thể rất hữu ích cho khẩu độ lớn và truyền điện năng đường dài
Một ứng dụng của laser khẩu độ lớn hiệu suất cao là cấp điện cho máy bay bay đường dài. Nếu gửi điện bằng chùm tia từ các trạm mặt đất dọc đường hoặc căn cứ laser trong không gian, có thể loại bỏ hoàn toàn nhiên liệu, từ đó về lý thuyết cho phép tầm bay gần như vô hạn
Nếu tạo được mảng bộ phát khóa pha ở quy mô wafer, rồi chồng chúng lên sao cho có thể suy hao hoặc dịch pha từng bộ phát, thì có thể làm ra màn hình hologram đơn sắc khá ổn. Giả sử góc phân kỳ của mỗi bộ phát là lớn
Vậy điều này có nghĩa là máy cắt laser gia dụng giá rẻ rồi sẽ cắt được cả kim loại chứ không chỉ gỗ, da và nhựa?
Nó làm tôi nhớ tới các thiết bị ASML hiện đại điều chỉnh góc của laser tử ngoại và lưới nhiễu xạ để tạo ra các mẫu 2D nhỏ, sạch
Tôi tò mò việc mô hình hóa tương tác của ánh sáng ở quy mô này khó đến mức nào. Để tìm ra lời giải mô hình hóa cho bài toán mở rộng quy mô, các tác giả cần gì? Chỉ một tiến sĩ quang vật lý là đủ, hay là kiểu việc mà công ty và con người phải tích lũy chuyên môn theo nhóm suốt hàng chục năm?
Với ASML có vẻ chỉ cần giải tương tác nhiễu xạ đơn sóng với mặt nạ, nhưng để mô hình sóng dừng và các mode bậc cao thì có lẽ cần nhiều toán hơn rất nhiều. Nếu nghiệm của mỗi tương tác mang tính xác suất thì tôi cũng nghi ngờ không biết có khả thi không
Tôi cũng tự hỏi liệu lời giải thực tế có chủ yếu bị giới hạn bởi các cấu trúc bán dẫn có thể chế tạo được, chẳng hạn như các loại đặc trưng kiểu lỗ hay không
Có thể dùng thứ này cho in 3D không?
Ý là mỗi laser trong mảng laser hoạt động như một pixel, rồi di chuyển qua các lớp bột để tạo thành vật thể 3D. Cấu trúc này có thể nhanh hơn các máy in 3D hiện nay không?
Cách sau nếu thêm chất tạo màu thì còn có thể in 3D nhựa đủ màu
Từ khóa tìm kiếm là “Laser powder bed fusion”. Nó khác với tên thương hiệu “Direct Metal Laser Sintering” được chỉ ra bên dưới
https://www.3dsourced.com/guides/direct-metal-laser-sinterin...
Chỉ là tôi không rõ nguồn sáng có ảnh hưởng đến tốc độ nhiều đến mức nào, hay có thể cải thiện được bao nhiêu
Liệu rồi có thể có người cầm loại laser này và chém đôi người khác không?
Dù trọng tâm là ứng dụng công nghiệp, nó trông giống một công nghệ lưỡng dụng, nên có vẻ cần được quản lý
Bài viết này về Society 5.0 nhưng lại không nhắc đến laser. Có ai biết vì sao laser siêu công suất lại quan trọng đến vậy với kế hoạch tương lai này không?
https://www8.cao.go.jp/cstp/english/society5_0/index.html
https://www8.cao.go.jp/cstp/kihonkeikaku/5basicplan_en.pdf
Tài liệu đó liệt kê các ưu tiên của kế hoạch này gồm robot, cảm biến, cơ cấu chấp hành, công nghệ sinh học, giao diện con người, vật liệu và công nghệ nano, cùng công nghệ ánh sáng và lượng tử. Chỉ cần dùng thêm một chút trí tưởng tượng là có thể nghĩ ra cách mà laser rẻ hơn, mạnh hơn và nhỏ hơn sẽ giúp ích cho từng lĩnh vực
Nói bình thường hơn thì rất có thể các nhà nghiên cứu chỉ đang cố gắn kết kết quả của mình với các ưu tiên chính trị đương thời để biện minh cho kinh phí nghiên cứu