การพัฒนาเลเซอร์สารกึ่งตัวนำความสว่างสูงพิเศษบนพื้นฐานโฟโตนิกคริสตัล
- รัฐบาลญี่ปุ่นประกาศการมาถึงของ 'สังคมลำดับที่ 5' ในปี 2016 โดยในสังคมนี้จะมีการใช้งานสินค้าสั่งทำตามต้องการ หุ่นยนต์ดูแล แท็กซี่ รถแทรกเตอร์ เป็นต้น และหนึ่งในเทคโนโลยีสำคัญที่ทำให้สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นได้ก็คือเลเซอร์
- เลเซอร์ที่จำเป็นต่อ Society 5.0 ต้องตอบโจทย์เรื่องขนาดเล็ก ต้นทุนต่ำ ผลิตง่าย ประหยัดพลังงาน และควบคุมได้ง่าย แต่เลเซอร์สารกึ่งตัวนำแบบเดิมมีข้อจำกัดจากความสว่าง (brightness) ที่ไม่เพียงพอ
- ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเกียวโตได้พัฒนา photonic crystal surface-emitting laser (PCSEL) มาตลอดกว่า 20 ปี โดยเพิ่มชั้นแบบ 'สวิสชีส' ที่ประกอบด้วยอาร์เรย์รูขนาดนาโนภายในชั้นแอคทีฟ เพื่อควบคุมการเดินทางของแสง ทำให้ได้ทั้งกำลังสูงและลำแสงแคบพร้อมกัน
- PCSEL สามารถให้ความสว่างสูงกว่าเลเซอร์สารกึ่งตัวนำแบบเดิมมากกว่า 100 เท่า จึงถูกคาดหวังว่าจะเข้ามาแทนที่เลเซอร์ก๊าซ/ไฟเบอร์ และสร้างนวัตกรรมให้กับอุตสาหกรรมการผลิตและยานยนต์
- ล่าสุดมีการพัฒนา PCSEL ขนาดช่องเปิด 3mm ระดับ 1 GW/cm2/sr ที่สามารถตัดเหล็กได้ และในทางทฤษฎีคาดว่าอาจไปได้ถึงระดับ 10~100 GW/cm2/sr
- เพื่อการประยุกต์ใช้งานกำลังสูง กำลังมีการปรับปรุงประสิทธิภาพพลังงานและเทคโนโลยีการจัดการความร้อน และยังนำ PCSEL ไปใช้กับระบบ lidar ขนาดจิ๋วสำหรับรถยนต์ไร้คนขับ/หุ่นยนต์ด้วย
- ในระยะยาวมีแผนพัฒนา PCSEL ที่ให้กำลังระดับ 10kW และความสว่างสุดขั้วที่ 1000 GW/cm2/sr เพื่อนำไปใช้ในงานอย่าง EUV lithography หรือฟิวชันนิวเคลียร์ รวมถึงทดลองประยุกต์ใช้กับการขับเคลื่อนยานอวกาศ
หลักการของโฟโตนิกคริสตัล
- โฟโตนิกคริสตัลเป็นโครงสร้างที่ควบคุมการไหลของแสงได้ คล้ายกับที่สารกึ่งตัวนำควบคุมการไหลของอิเล็กตรอน โดยมีโครงสร้างตาข่ายที่ดัชนีหักเหเปลี่ยนแปลงเป็นคาบในสเกลของความยาวคลื่น
- ในกรณีของโฟโตนิกคริสตัลหนึ่งมิติอย่างง่าย แสงจะเกิดการหักเหและสะท้อนที่แต่ละขอบเขตในโครงสร้างที่มีแก้วและอากาศจัดเรียงสลับกัน จนเกิดการแทรกสอดแบบเสริม/หักล้าง และที่บางความยาวคลื่นจะเกิดคลื่นนิ่งขึ้นจนไม่แพร่กระจาย
- ใน PCSEL ที่มีโครงสร้างตาข่ายสี่เหลี่ยมจัตุรัสสองมิติ รูต่าง ๆ จะหักเหแสงไปข้างหน้า-ข้างหลัง และซ้าย-ขวา เพื่อสร้างคลื่นนิ่งสองมิติ ซึ่งถูกขยายในชั้นแอคทีฟจนกลายเป็นลำแสงเลเซอร์ความยาวคลื่นเดี่ยว
การเพิ่มความสว่างด้วยการกดโหมดตามขวางลำดับสูง
- เมื่อพื้นที่เปล่งแสงของ PCSEL มีขนาดใหญ่ขึ้น โหมดตามขวางลำดับสูงจะเริ่มเกิดการสั่น เนื่องจากการกระจายความเข้มของคลื่นนิ่งมีหลายยอด
- ในช่วงแรกการใช้ตาข่ายเดี่ยวสามารถกดโหมดลำดับสูงได้ถึงราว 200μm แต่เมื่อใหญ่กว่านั้นก็ยังมีข้อจำกัดที่โหมดดังกล่าวกลับมาเกิดการสั่นอีก
- ด้วยการนำโครงสร้างตาข่ายคู่มาใช้และทำให้เกิดการแทรกสอดหักล้างของแสงภายในตาข่าย จึงลดความเข้มยอดของโหมดลำดับสูงลงและขยายช่องเปิดได้ถึง 1mm
- จากการปรับตำแหน่งของกระจกสะท้อนและรูปทรงของรูในตาข่าย เพื่อทำให้เกิดการคัปปลิงระหว่างคลื่นนิ่งกับคลื่นสะท้อนและเพิ่มการสูญเสียของโหมดลำดับสูงอย่างมาก จึงประสบความสำเร็จในการสร้าง PCSEL ความสว่างสูงพิเศษระดับ 3mm
ความเห็นของ GN⁺
- การที่สามารถเพิ่มความสว่างได้มากกว่า 100 เท่าเมื่อเทียบกับเลเซอร์สารกึ่งตัวนำแบบเดิม ทำให้ดูมีศักยภาพที่จะสร้างความเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในภาคอุตสาหกรรม เช่น การผลิต แต่ตอนนี้ยังอยู่ในระดับห้องปฏิบัติการ และคงต้องใช้เวลาอีกพอสมควรกว่าจะไปถึงเชิงพาณิชย์
- สำหรับการใช้งานกำลังสูง จำเป็นต้องมีประสิทธิภาพการแปลงไฟฟ้าเป็นแสงสูงกว่า 60% และเทคโนโลยีจัดการความร้อนที่รองรับกำลังระดับ kW หากแก้ปัญหาความร้อนได้ ก็ดูมีโอกาสแทนที่เลเซอร์ CO2/ไฟเบอร์แบบเดิมได้เพียงพอ
- ระบบ lidar ขนาดจิ๋วน่าจะมีโอกาสเชิงพาณิชย์ได้เร็วกว่า และหากตัดส่วนบังคับทิศทางลำแสงแบบกลไกออกพร้อมทำให้รวมวงจรได้ ก็อาจลดราคาได้มาก แต่ในแง่สมรรถนะของเซ็นเซอร์ยังน่าจะต้องมีการเปรียบเทียบตรวจสอบกับวิธีเดิม
- หากสามารถเข้าไปแทนที่เลเซอร์ขนาดใหญ่เดิมในงานที่ต้องใช้เลเซอร์ความสว่างสูงพิเศษ เช่น EUV lithography หรือเลเซอร์ฟิวชันนิวเคลียร์ได้ ก็จะช่วยลดต้นทุนได้มาก แต่ตอนนี้ยังเป็นเพียงระยะเริ่มต้นของงานวิจัย จึงยังไม่แน่ชัดว่าจะทำได้จริงเพียงใด
- ด้านการขับเคลื่อนยานอวกาศนั้นน่าสนใจ แต่กว่าจะใช้งานได้จริงยังดูอีกไกล เบื้องต้นต้องพัฒนาเลเซอร์ระดับหลายสิบ kW ก่อน ซึ่งคาดว่าจะมีอุปสรรคสูงทั้งทางเทคนิคและด้านต้นทุน โดยแนวทาง solar sail ที่อาศัยแรงดันจากแสงอาทิตย์อาจเป็นทางเลือกที่สมจริงกว่า
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นจาก Hacker News
สรุป: