Un láser ultracompacto y de altísimo brillo capaz de fundir acero
(spectrum.ieee.org)- El PCSEL del equipo de Kyoto University es un láser semiconductor de emisión superficial por cristal fotónico que supera el límite de bajo brillo de los láseres semiconductores y, con un tamaño de 3 mm, demostró cortar acero con un brillo comparable al de láseres de gas y de fibra
- La clave de su desempeño es una capa de cristal fotónico dentro del semiconductor: una matriz de agujeros nanométricos confina la luz como una onda estacionaria bidimensional y amplifica solo el modo fundamental para crear un haz intenso y estrecho
- En 2023, el PCSEL alcanzó un brillo de 1 GW/cm²/sr, 50 W de salida continua, 3 mm de diámetro de emisión y una divergencia de haz de 1/20 de grado, con lo que cortó una placa metálica de 100 μm de espesor
- Para el procesamiento industrial, como la fabricación de piezas automotrices, se requiere potencia del orden de kilovatios, por lo que los próximos desafíos son arreglos de nueve PCSEL de 3 mm o ampliar el área de emisión a 1 cm
- Los PCSEL de alto brillo apuntan no solo a la manufactura, sino también a lidar compacto, dirección de haz en chip, litografía EUV, fusión nuclear e incluso vuelos espaciales por propulsión fotónica, aunque requieren mayor potencia, eficiencia y gestión térmica
El láser que exige Society 5.0
- La visión Society 5.0, presentada por el gobierno japonés en 2016, incluye tecnologías como manufactura bajo demanda, cuidados robóticos y taxis y tractores autónomos
- En ese entorno, los láseres deben ser lo bastante pequeños y baratos como para integrarse en dispositivos cotidianos; además, su fabricación debe ser simple, su eficiencia energética alta y su control lo bastante preciso para la personalización masiva
- Los láseres semiconductores tienen ventajas en tamaño y costo, pero enfrentan una gran limitación: su bajo brillo
- El brillo de un láser se define como la potencia óptica por unidad de área y por unidad de ángulo sólido
- Para procesar materiales —corte, soldadura o perforación— se necesita aproximadamente un nivel de 1 GW/cm²/sr
- El brillo de los láseres semiconductores comerciales está muy por debajo de ese nivel
- En lidar, el brillo también determina costo y desempeño
- Para hacer mediciones precisas a larga distancia o a alta velocidad, el haz debe concentrarse de forma estrecha
- Los sistemas lidar avanzados actuales usan más de 100 láseres semiconductores y arreglos de lentes instalados manualmente, lo que eleva el costo
Cuellos de botella de los láseres convencionales y los semiconductores
- Los láseres de CO₂ y de fibra pueden producir haces de altísimo brillo para aplicaciones industriales, pero son más grandes y caros que los láseres semiconductores, tienen menor eficiencia energética y son más difíciles de controlar
- Un láser de CO₂ de alta potencia puede llegar a tener el tamaño de un refrigerador
- Los láseres semiconductores convencionales suelen amplificar la luz a lo largo de una franja delgada de la capa activa, y el haz sale por el borde frontal del chip
- Para aumentar la potencia hay que ensanchar el área de emisión, pero en una franja más ancha aparecen modos transversales de orden superior, en los que la luz oscila siguiendo trayectorias en zigzag
- Los modos de orden superior hacen que el haz se vuelva moteado y se disperse
- El brillo de los láseres semiconductores convencionales alcanza su límite alrededor de 100 MW/cm²/sr
Cómo estrechar el haz con un cristal fotónico
- Un PCSEL tiene capas activa y de revestimiento como un láser semiconductor común, pero añade en su interior una capa de cristal fotónico con agujeros nanométricos organizados en dos dimensiones
- Un cristal fotónico controla el flujo de luz de manera similar a como un semiconductor controla el flujo de electrones
- Estructuras como agujeros, cubos o pilares se colocan periódicamente a escala de la longitud de onda de la luz
- Al variar periódicamente el índice de refracción, la luz de ciertas longitudes de onda y direcciones se refleja e interfiere
- El cristal fotónico básico de un PCSEL es una red cuadrada bidimensional
- Por ejemplo, un láser de arseniuro de galio que opera a 940 nm tiene una longitud de onda interna de aproximadamente 280 nm
- En un PCSEL básico de arseniuro de galio, la separación entre agujeros se ajusta a unos 280 nm
- La matriz de agujeros actúa como pequeños espejos que desvían la luz hacia atrás y hacia los lados, y múltiples difracciones se combinan para formar una onda estacionaria bidimensional
- La capa activa amplifica esta onda estacionaria
- Parte de la luz se difracta hacia arriba y hacia abajo, y se emite desde la superficie del chip como un haz de una sola longitud de onda
- A diferencia de los láseres edge-emitting convencionales, un PCSEL emite luz desde la superficie, y su área de emisión amplia y en general circular permite crear un haz de alta calidad con bajo ángulo de divergencia
Diseños por generación para aumentar el brillo
- En 1998, el equipo de Kyoto University creó el primer PCSEL y, desde entonces, siguió perfeccionando el diseño para operación de alto brillo
- En 2014 reportaron un PCSEL que usaba una red cuadrada de agujeros triangulares
- El área de emisión era de 200×200 μm
- En operación continua entregaba cerca de 1 W
- El ángulo de divergencia del haz era de unos 2 grados
- Mucho más estrecho que la divergencia típica de más de 30 grados de los láseres semiconductores convencionales
- El diseño de red única produce modos transversales de orden superior cuando supera aproximadamente los 200 μm
- En el modo fundamental, la intensidad de la luz se concentra en el centro
- En los modos de orden superior aparecen dos, tres, cuatro o más picos de intensidad
- En áreas de emisión pequeñas, los picos de los modos de orden superior quedan en los bordes, por lo que la luz se fuga hacia los lados y no oscila
- Cuando el área de emisión crece, los modos de orden superior tienen espacio para oscilar
- Para evitarlo, el equipo introdujo una red doble
- Desplazó una red cuadrada de agujeros circulares un cuarto de longitud de onda respecto de una segunda red cuadrada de agujeros elípticos
- Parte de la luz difractada genera interferencia destructiva, lo que debilita y dispersa los picos de intensidad de los modos de orden superior
- Un PCSEL de 1 mm de diámetro fabricado con la red doble produce un haz de 10 W en operación continua
- La divergencia es de 0.1 grados
- Es más de tres veces más brillante que lo posible con un láser semiconductor convencional
- A diferencia de los láseres convencionales del mismo tamaño, oscila en modo único
Corte de acero con un PCSEL de 3 mm
- En diámetros mayores, la red doble por sí sola no alcanza para suprimir suficientemente los modos de orden superior
- El equipo ajustó el reflector trasero considerando que los modos de orden superior salen del láser con un ligero ángulo
- En la generación anterior, el reflector trasero solo devolvía hacia la superficie de emisión superior la luz difractada hacia abajo
- Al ajustar la posición del reflector y la separación y forma de los agujeros del cristal fotónico, hicieron que la luz que escapaba interfiriera con la onda estacionaria bidimensional de la capa de cristal fotónico
- Cuanto más oblicuas son las ondas salientes, más energía pierden, por lo que los modos de orden superior se bloquean de manera selectiva
- El PCSEL desarrollado en 2023 alcanzó un brillo de 1 GW/cm²/sr, comparable al de láseres de gas y de fibra
- El diámetro de emisión es de 3 mm
- La salida continua máxima es de 50 W
- La divergencia del haz es de 1/20 de grado
- El dispositivo demostró corte de acero al recortar un disco de una placa metálica de 100 μm de espesor
Desafíos hacia aplicaciones industriales de kilovatios
- La demostración de corte de acero es impresionante, pero para competir en el mercado industrial se necesita mayor potencia
- La fabricación de piezas automotrices requiere aproximadamente potencia óptica del orden de kilovatios
- Un PCSEL de kilovatios puede abordarse de dos maneras
- Formar un arreglo de nueve PCSEL de 3 mm
- Ampliar el área de emisión del dispositivo actual a 1 cm
- A escala de 1 cm, los modos de orden superior pueden reaparecer y degradar la calidad del haz
- Aun así, podría ofrecer un brillo similar al de láseres de gas y de fibra de alta potencia, y reemplazar algunos láseres convencionales más grandes
- Para que un PCSEL de 1 cm produzca un cambio real, se necesita suprimir los modos de orden superior
- El equipo ideó un método para ajustar con precisión la estructura del cristal fotónico y la posición del reflector
- Aunque todavía no se ha probado en laboratorio, los modelos teóricos muestran la posibilidad de alcanzar brillos de 10 a 100 GW/cm²/sr
Eficiencia y gestión térmica
- En aplicaciones de alta potencia, la eficiencia energética y la gestión térmica son tan importantes como el desempeño
- Antes de la optimización, la eficiencia wall-plug del PCSEL ya es de 30 a 40%
- Esto es más alto que en la mayoría de los láseres de CO₂ y de fibra
- El equipo encontró un camino para elevar la eficiencia hasta 60%
- Consideran que la tecnología de enfriamiento por agua que usan actualmente en el laboratorio será suficiente para un PCSEL de 1,000 W y 1 cm
Lidar y dirección de haz en chip
- Los PCSEL de alto brillo también pueden servir para hacer más pequeños y baratos los sistemas de sensores para autos autónomos y robots
- Un sistema lidar fabricado recientemente usa un PCSEL de 500 μm
- En operación pulsada funciona a unos 20 W
- Incluso a 30 m de distancia, el tamaño del punto es de solo 5 cm
- Es una resolución poco común para un sistema lidar compacto sin lentes externas
- El prototipo tiene aproximadamente el tamaño de una webcam y fue montado en un carrito robótico, programado para que siguiera a personas y a otros carritos dentro de un edificio de ingeniería
- En otro estudio se mostró que un PCSEL puede emitir varios haces y controlarlos electrónicamente para apuntar en distintas direcciones
- Al cambiar la posición y el tamaño de los agujeros de la capa de cristal fotónico, se implementa dirección de haz en chip
- En última instancia, podría reemplazar la dirección mecánica del haz en lidar
- Si además se integran fotodetectores en el mismo chip, se podría crear un sistema de navegación completamente electrónico, muy pequeño y barato
Objetivos de largo plazo: EUV, fusión nuclear y propulsión fotónica
- A largo plazo, el objetivo es lograr más de 10 kW de salida y un brillo de hasta 1,000 GW/cm²/sr en un láser de 3 cm
- Ese nivel sería más brillante que cualquier láser existente en la actualidad
- Los PCSEL de brillo extremo podrían reemplazar los grandes láseres de CO₂ de alta potencia que generan pulsos de plasma en equipos de litografía EUV, aumentando la eficiencia de la fabricación de chips
- También tienen potencial de aplicación en fusión nuclear
- La fusión nuclear incluye un proceso en el que se dispara potencia láser del orden de billones de watts contra una cápsula de combustible del tamaño de un chícharo
- La propulsión fotónica para vuelos espaciales también es una aplicación potencial
- Una sonda acelerada por luz podría llegar a estrellas lejanas en unas décadas, en lugar de miles de años
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
El artículo señala bien el impacto industrial de los láseres más potentes y pequeños, pero también hace esperar que PCSEL llegue hasta el mercado de los talleres pequeños.
Sería realmente útil tener en casa o en un pequeño taller un láser económico capaz de cortar metal. Claro, como buen láser, también sería discretamente peligroso.
El láser solo derrite el metal; no lo saca de la ranura de corte, y algunos metales pueden reaccionar en aire normal y salpicar hacia la óptica de salida. Por eso hay que soplar gas a presión en la zona de corte para retirarlo.
Con materiales delgados o algunos metales puede bastar con inyectar mucho aire comprimido muy limpio y seco, pero en otros casos se requieren gases específicos reactivos o inertes, o mezclas de gases. El corte por plasma normalmente expulsa el material del corte con aire, mientras que el corte con oxígeno lo hace reaccionar con exceso de oxígeno y lo expulsa.
Los láseres son más exigentes porque el ancho de corte es extremadamente estrecho, y por eso el costo de los consumibles puede terminar siendo sorprendentemente alto. Los láseres más potentes a veces también deben operar la óptica en un vacío débil, porque el polvo y el plasma generado por el propio aire erosionan componentes costosos.
Los subproductos también son un problema. Los orgánicos se descomponen en toda clase de sustancias parecidas a compuestos orgánicos que no conviene inhalar ni descargar a nivel del suelo cerca de los vecinos, y si los subproductos del corte de metales no se limpian con suficiente frecuencia, el polvo fino puede alcanzar una masa crítica y volverse bastante peligroso. Un incendio de hierro o aluminio arruina el láser, y si hierro y aluminio arden juntos, pueden arruinar no solo el láser, sino también la base y hasta el concreto debajo.
Creo que estos equipos deberían manejarse sin mirarlos directamente, usando solo cámaras.
Si esto se combina con la fusión aneutrónica hidrógeno-boro, quizá se podría producir electricidad directamente, sin una máquina térmica.
Todavía faltan algunos años, pero muestra una posible ruta para avanzar.
El artículo dice que planean 10 kW, es decir, 10^4 W; un petavatio son 10^15 W, así que, haciendo cuentas, hacen falta 11 ceros más. Parece que tomará un tiempo.
Helion, que dice que este verano encenderá un dispositivo de fusión a electricidad, quizá llegue antes.
La parte de “en Society 5.0 serán posibles los productos fabricados bajo demanda” me hace pensar en los fans de The Peripheral.
Bromas aparte, el obstáculo de esta idea, igual que con la iluminación LED de alta potencia, es la refrigeración. Para enfriar algo todavía se necesita hardware bastante grande.
El artículo genera confusión al comparar PCSEL con láseres de emisión por el borde.
En realidad parece una nueva mejora de los VCSEL, que ya producían altas densidades de potencia desde alrededor del cambio de siglo.
Me pregunto si esta característica de emisión superficial facilita el bloqueo de fase de varios chips.
Podría ser muy útil para grandes aperturas y transmisión de energía a larga distancia.
Una aplicación de los láseres eficientes de gran apertura es suministrar energía a aeronaves de largo alcance. Si se les envía energía por haz desde estaciones terrestres en la ruta o desde bases láser espaciales, se podría eliminar por completo el combustible y, potencialmente, lograr un alcance ilimitado.
Si se fabrica un arreglo de emisores bloqueados en fase a escala de oblea y se superpone de modo que cada emisor pueda atenuarse o desplazarse en fase, se obtiene una pantalla holográfica monocromática decente. Se asume que el ángulo de divergencia de cada emisor es grande.
Entonces, ¿las cortadoras láser domésticas baratas podrían cortar no solo madera, cuero y plástico, sino también metal?
Me recuerda a cómo los equipos más recientes de ASML ajustan el ángulo de los láseres ultravioleta y las rejillas de difracción para crear patrones 2D limpios y pequeños.
Me pregunto qué tan difícil es modelar las interacciones de la luz a esta escala. ¿Qué necesitarían los autores para encontrar una solución de modelado al problema de escalado? ¿Bastaría con una persona con doctorado en fotofísica, o es algo que requiere décadas de experiencia acumulada por equipos en empresas y con muchas personas?
ASML parece tener que resolver solo una interacción de difracción de una onda única con una máscara, pero modelar ondas estacionarias y modos de orden superior probablemente requiera mucha más matemática. También me pregunto si es posible si la solución de cada interacción es probabilística.
Me pregunto si la solución real está limitada en gran medida por las estructuras semiconductoras que se pueden fabricar, por ejemplo, por los tipos de características como agujeros.
¿Se podría usar esto para impresión 3D?
Me refiero a un arreglo de láseres en el que cada láser actúe como un píxel, moviéndose sobre una capa de polvo para construir en 3D. ¿Podría esta estructura ser más rápida que las impresoras 3D actuales?
En el segundo caso, si se agrega colorante, también se pueden obtener impresiones 3D plásticas a todo color.
El término de búsqueda es “Laser powder bed fusion”. Es distinto del nombre comercial “Direct Metal Laser Sintering” señalado más abajo.
https://www.3dsourced.com/guides/direct-metal-laser-sinterin...
Aunque no sé bien cuánto puede afectar o mejorar la velocidad la fuente de luz.
¿Será posible que alguien tome un láser de estos y corte a una persona por la mitad?
El enfoque está puesto en usos industriales, pero parece una tecnología de doble uso, así que creo que necesitará regulación.
En este texto sobre Society 5.0 no aparece ningún láser. ¿Alguien sabe por qué los láseres de altísima potencia serían indispensables para ese plan de futuro?
https://www8.cao.go.jp/cstp/english/society5_0/index.html
https://www8.cao.go.jp/cstp/kihonkeikaku/5basicplan_en.pdf
Ese documento enumera como prioridades del plan la robótica, sensores, actuadores, biotecnología, interfaces humanas, materiales y nanotecnología, tecnologías de luz y cuánticas, entre otras. Con un poco de imaginación, se puede pensar cómo láseres baratos, potentes y pequeños ayudarían en cada una.
Más prosaicamente, también es muy posible que los investigadores estén tratando de vincular sus resultados con las prioridades políticas del momento para justificar financiamiento.