Laser siêu nhỏ có độ chói cực cao có thể nung chảy thép

Phát triển laser bán dẫn độ chói cực cao dựa trên tinh thể quang tử

• Năm 2016, chính phủ Nhật Bản đã công bố sự xuất hiện của “xã hội thứ năm”, trong đó các sản phẩm theo yêu cầu, robot chăm sóc, taxi, máy kéo v.v. sẽ được ứng dụng, và một trong những công nghệ cốt lõi giúp điều đó thành hiện thực chính là laser.
• Laser cần cho Society 5.0 phải đáp ứng các điều kiện như thu nhỏ kích thước, chi phí thấp, dễ sản xuất, hiệu suất năng lượng cao và dễ điều khiển; tuy nhiên laser bán dẫn hiện có bị giới hạn do thiếu độ chói (brightness).
• Nhóm nghiên cứu Đại học Kyoto đã phát triển laser phát xạ bề mặt tinh thể quang tử (PCSEL) trong hơn 20 năm qua; công nghệ này bổ sung một lớp “phô mai Thụy Sĩ” gồm mảng lỗ cỡ nano bên trong lớp hoạt tính để điều khiển đường đi của ánh sáng, nhờ đó đồng thời đạt được công suất cao và chùm tia hẹp.
• PCSEL có thể tạo ra độ chói cao hơn hơn 100 lần so với laser bán dẫn hiện có, nên được kỳ vọng sẽ thay thế laser khí/laser sợi quang và mang lại đổi mới cho ngành sản xuất và ô tô.
• Gần đây, nhóm đã phát triển PCSEL đường kính 3mm đạt mức 1 GW/cm2/sr có thể cắt thép, và về lý thuyết được dự đoán có thể đạt tới mức 10~100 GW/cm2/sr.
• Nhóm đang cải thiện hiệu suất năng lượng và công nghệ quản lý nhiệt cho các ứng dụng công suất cao, đồng thời cũng đang áp dụng PCSEL vào các hệ thống LiDAR siêu nhỏ cho xe tự hành/robot.
• Về lâu dài, họ có kế hoạch phát triển PCSEL đạt công suất mức 10kW với độ chói cực hạn 1000 GW/cm2/sr để ứng dụng trong các lĩnh vực như quang khắc EUV hoặc nhiệt hạch, và cũng thử áp dụng vào đẩy tàu vũ trụ.

Nguyên lý của tinh thể quang tử

• Tinh thể quang tử là cấu trúc điều khiển dòng ánh sáng giống như chất bán dẫn điều khiển dòng electron, với cấu trúc mạng có chiết suất biến đổi tuần hoàn theo thang bước sóng.
• Trong trường hợp tinh thể quang tử một chiều đơn giản, ở cấu trúc kính và không khí được bố trí xen kẽ, ánh sáng trải qua khúc xạ và phản xạ tại từng bề mặt ranh giới, tạo ra giao thoa tăng cường/triệt tiêu; ở một số bước sóng nhất định, sóng dừng được hình thành nên không lan truyền nữa.
• Trong PCSEL có cấu trúc mạng vuông hai chiều, các lỗ làm khúc xạ ánh sáng theo trước-sau, trái-phải để tạo ra sóng dừng hai chiều, và sóng này được khuếch đại trong lớp hoạt tính để hình thành chùm laser đơn sắc.

Tăng độ chói nhờ triệt tiêu mode ngang bậc cao

• Khi diện tích phát xạ của PCSEL tăng lên, các mode ngang bậc cao bắt đầu dao động, vì phân bố cường độ của sóng dừng sẽ có nhiều đỉnh.
• Ban đầu, dùng một mạng đơn thì có thể triệt tiêu mode bậc cao tới khoảng 200μm, nhưng nếu lớn hơn nữa sẽ lại xuất hiện dao động, tạo ra giới hạn.
• Bằng cách đưa vào cấu trúc mạng kép để gây ra giao thoa triệt tiêu của ánh sáng trong mạng, nhóm đã làm suy yếu các đỉnh cường độ của mode bậc cao và có thể tăng khẩu độ lên tới 1mm.
• Bằng cách điều chỉnh vị trí gương phản xạ và hình dạng các lỗ trong mạng để tạo liên kết giữa sóng dừng và sóng phản xạ, làm tăng mạnh tổn hao của mode bậc cao, nhóm đã thành công hiện thực hóa PCSEL siêu độ chói cỡ 3mm.

Ý kiến của GN⁺

• Việc có thể tăng độ chói lên hơn 100 lần so với laser bán dẫn hiện có cho thấy công nghệ này có tiềm năng mang lại đổi mới lớn cho các ngành công nghiệp như sản xuất. Tuy vậy, hiện vẫn mới ở giai đoạn phòng thí nghiệm và có lẽ sẽ còn cần thêm thời gian để thương mại hóa.
• Đối với các ứng dụng công suất cao, việc bảo đảm hiệu suất chuyển đổi điện-quang cao trên 60% và công nghệ quản lý nhiệt ở mức công suất kW là điều thiết yếu. Nếu chỉ giải quyết được vấn đề nhiệt, công nghệ này có vẻ hoàn toàn có thể thay thế laser CO2/laser sợi quang hiện có.
• Các hệ thống LiDAR siêu nhỏ có vẻ sẽ được thương mại hóa sớm hơn; nếu loại bỏ bộ phận lái chùm tia cơ khí và tích hợp hóa, giá thành có thể giảm mạnh. Tuy nhiên, về mặt hiệu năng cảm biến, có vẻ vẫn cần được kiểm chứng so sánh với các phương pháp hiện có.
• Nếu có thể thay thế các laser khổng lồ hiện có trong các lĩnh vực cần laser siêu độ chói như quang khắc EUV hay nhiệt hạch bằng laser, hiệu quả tiết kiệm chi phí sẽ rất lớn. Tuy nhiên, vì vẫn còn ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu nên tính khả thi vẫn chưa rõ ràng.
• Ứng dụng trong lĩnh vực đẩy tàu vũ trụ thì thú vị, nhưng có vẻ vẫn còn một chặng đường dài để hiện thực hóa. Trước hết sẽ cần phát triển laser mức vài chục kW, và các rào cản về công nghệ cũng như chi phí được dự đoán là rất cao. Phương pháp buồm Mặt Trời sử dụng áp suất ánh sáng có vẻ có thể là một lựa chọn thay thế thực tế hơn.

[GN⁺]

Ý kiến trên Hacker News

Tóm tắt:

• PCSEL (Photonic Crystal Surface Emitting Lasers) tuy không phải là lá chắn lực theo nghĩa đen, nhưng tương tự ở khả năng gần như lập tức chặn bất cứ thứ gì trong không trung.
• Có kỳ vọng vào công nghệ laser giá rẻ có thể cắt kim loại trong gia đình/xưởng nhỏ. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nó cũng có thể nguy hiểm.
• Khi kết hợp với phản ứng tổng hợp hạt nhân hydro-bo (aneutronic), nó cho thấy khả năng sản xuất điện trực tiếp mà không cần nhà máy nhiệt điện. Vẫn còn vài năm nữa, nhưng đầy hứa hẹn.
• Điều này tương tự cách các máy ASML tạo ra các mẫu 2D sạch và nhỏ bằng cách điều chỉnh laser UV (góc) và lưới nhiễu xạ.
• Có người thắc mắc việc mô hình hóa tương tác của ánh sáng ở quy mô này khó đến mức nào. Khả năng có các lời giải xác suất cũng được nêu ra.
• Vấn đề làm mát sẽ là mấu chốt, giống như với đèn LED công suất cao. Vẫn cần một lượng phần cứng đáng kể.
• Có người tự hỏi vì sao không gọi thẳng là "lightsaber". Có vẻ như đã bỏ lỡ cơ hội.
• Nhờ đặc tính phát xạ bề mặt này, việc khóa pha nhiều chip với nhau có thể trở nên dễ hơn. Điều đó có thể hữu ích cho khẩu độ lớn và cấp điện ở khoảng cách xa.
• Một ứng dụng của laser khẩu độ lớn hiệu suất cao là cấp điện cho máy bay đường dài từ căn cứ mặt đất hoặc căn cứ laser ngoài không gian. Điểm hấp dẫn là hoàn toàn không cần dùng nhiên liệu.
• Liệu máy cắt laser gia dụng giá rẻ rồi sẽ có thể cắt được cả kim loại chứ không chỉ gỗ, da và nhựa?
• Bài này gây nhầm lẫn khi so sánh PCSEL với laser phát xạ cạnh, nhưng có vẻ đây là một cải tiến mới của VCSEL, trong khi VCSEL đã đạt mật độ công suất lớn từ khoảng năm 2000.
• Có vẻ như chúng ta đang ở giai đoạn cuối trước kỷ nguyên súng laser.