Láser ultrabrillante ultracompacto capaz de fundir acero

Desarrollo de un láser semiconductor ultrabrillante basado en cristal fotónico

• En 2016, el gobierno de Japón anunció la llegada de la “quinta sociedad”, en la que se utilizarán productos bajo demanda, robots de cuidado, taxis, tractores y más; una de las tecnologías clave que lo hará posible es precisamente el láser.
• Los láseres necesarios para Society 5.0 deben cumplir condiciones como tamaño reducido, bajo costo, facilidad de fabricación, eficiencia energética y facilidad de control, pero los láseres semiconductores convencionales tenían limitaciones por falta de brillo (brightness).
• El equipo de investigación de la Universidad de Kioto ha desarrollado durante más de 20 años el láser emisor de superficie de cristal fotónico (PCSEL), que añade una capa tipo “queso suizo” formada por una disposición de orificios nanométricos dentro de la capa activa para controlar la propagación de la luz, logrando al mismo tiempo alta potencia y un haz estrecho.
• Se espera que el PCSEL, capaz de ofrecer más de 100 veces el brillo de los láseres semiconductores convencionales, sustituya a los láseres de gas y de fibra óptica y aporte innovación a las industrias manufacturera y automotriz.
• Recientemente se desarrolló un PCSEL de 3 mm de apertura con nivel de 1 GW/cm2/sr, capaz de cortar acero, y teóricamente se prevé que podría alcanzar niveles de 10 a 100 GW/cm2/sr.
• Para aplicaciones de alta potencia, se está mejorando la eficiencia energética y la tecnología de manejo térmico, y también se está aplicando el PCSEL a sistemas LiDAR ultracompactos para vehículos autónomos y robots.
• A largo plazo, el objetivo es desarrollar un PCSEL con salida de 10 kW y un brillo extremo de 1000 GW/cm2/sr, para usarlo en campos como la litografía EUV o la fusión nuclear, e incluso probar aplicaciones en propulsión espacial.

Principio del cristal fotónico

• Un cristal fotónico es una estructura que controla el flujo de la luz del mismo modo que un semiconductor controla el flujo de electrones, con una estructura de red en la que el índice de refracción cambia periódicamente a escala de la longitud de onda.
• En el caso de un cristal fotónico unidimensional simple, en una estructura donde se alternan vidrio y aire, la luz sufre refracción y reflexión en cada interfaz, produciendo interferencia constructiva y destructiva; a ciertas longitudes de onda se forman ondas estacionarias y la luz deja de propagarse.
• En un PCSEL con estructura de red cuadrada bidimensional, los orificios refractan la luz hacia adelante y atrás, y hacia izquierda y derecha, creando ondas estacionarias bidimensionales que se amplifican en la capa activa para formar un haz láser de una sola longitud de onda.

Mayor brillo mediante la supresión de modos transversales de orden superior

• Cuando aumenta el área emisora del PCSEL, empiezan a oscilar modos transversales de orden superior, porque la distribución de intensidad de la onda estacionaria pasa a tener múltiples picos.
• Al principio, usando una sola red, era posible suprimir modos de orden superior hasta unos 200 μm, pero al crecer más reaparecía la oscilación como limitación.
• Al introducir una estructura de doble red y provocar interferencia destructiva de la luz dentro de la red, se debilitaron los picos de intensidad de los modos de orden superior y se pudo ampliar la apertura hasta 1 mm.
• Ajustando la posición del reflector y la forma de los orificios de la red, se indujo el acoplamiento entre la onda estacionaria y la onda reflejada, aumentando significativamente la pérdida de los modos de orden superior y logrando así un PCSEL ultrabrillante de clase 3 mm.

Opinión de GN⁺

• El hecho de poder aumentar el brillo en más de 100 veces frente a los láseres semiconductores convencionales parece darle un gran potencial para revolucionar sectores industriales como la manufactura. Aun así, sigue en etapa de laboratorio y parece que faltará tiempo para su comercialización.
• Para aplicaciones de alta potencia, será indispensable asegurar una alta eficiencia de conversión electroóptica superior al 60% y tecnología de manejo térmico a salidas de nivel kW. Si solo se resolviera el problema térmico, parece que podría sustituir suficientemente a los láseres CO2 y de fibra óptica existentes.
• Los sistemas LiDAR ultracompactos parecen tener una comercialización más cercana; si se elimina la parte mecánica de direccionamiento del haz y se logra integración, el precio podría bajar considerablemente. Aun así, en cuanto al rendimiento del sensor, parece necesario compararlo y validarlo frente a los métodos actuales.
• Si pudiera sustituir a los enormes láseres actuales en campos que requieren láseres ultrabrillantes, como la litografía EUV o la fusión nuclear por láser, el ahorro de costos sería muy grande. Sin embargo, al estar aún en una fase temprana de investigación, su viabilidad sigue siendo incierta.
• El campo de la propulsión espacial es interesante, pero parece que aún queda mucho camino por recorrer antes de hacerlo realidad. Primero haría falta desarrollar láseres de decenas de kW, y se prevé que las barreras técnicas y de costo serán altas. El enfoque de vela solar que aprovecha la presión de la luz solar podría ser una alternativa más realista.

[GN⁺]

Comentarios de Hacker News

Resumen:

• Los PCSELs (Photonic Crystal Surface Emitting Lasers) no son literalmente un campo de fuerza, pero son similares en su capacidad de detener casi instantáneamente cualquier cosa en el aire.
• Se espera una tecnología láser barata que pueda cortar metal en el hogar o en talleres pequeños. Sin embargo, hay que tener cuidado porque también podría ser peligrosa.
• Combinado con la fusión nuclear de hidrógeno-boro (aneutrónica), esto muestra la posibilidad de producir electricidad directamente sin una central térmica. Aún faltan algunos años, pero es prometedor.
• Esto es similar a cómo las máquinas de ASML ajustan los láseres UV (ángulos) y las rejillas de difracción para crear patrones 2D limpios y pequeños.
• Da curiosidad saber qué tan difícil es modelar la interacción de la luz a esta escala. También se plantea la posibilidad de soluciones probabilísticas.
• El problema del enfriamiento será clave, igual que en la iluminación LED de alta potencia. Todavía se requiere bastante hardware.
• Queda la duda de por qué simplemente no lo llamaron "sable de luz". Parece una oportunidad perdida.
• Estas características de emisión superficial podrían facilitar el bloqueo de fase entre varios chips. Eso podría ser útil para grandes aperturas y suministro de energía a larga distancia.
• Una aplicación de los láseres de gran apertura y alta eficiencia sería suministrar energía a aeronaves de largo alcance desde bases terrestres o bases láser espaciales. Resulta atractivo que no necesitarían usar combustible en absoluto.
• ¿Los cortadores láser domésticos baratos llegarán a cortar metal además de madera, cuero y plástico?
• El artículo genera confusión al comparar los PCSEL con los láseres de emisión por borde, pero parece más bien una nueva mejora de los VCSEL, que ya entregan una gran densidad de potencia desde alrededor del año 2000.
• Parece que estamos llegando al final de la antesala de la era de las pistolas láser.