Laser ultracompacto e de brilho altíssimo capaz de derreter aço
(spectrum.ieee.org)- O PCSEL da equipe da Kyoto University é um laser semicondutor de emissão pela superfície com cristal fotônico que supera a limitação de baixo brilho dos lasers semicondutores e demonstrou corte de aço em um tamanho de 3 mm, com brilho no nível de lasers a gás e de fibra
- O núcleo do desempenho é uma camada de cristal fotônico dentro do semicondutor: um arranjo de furos nanométricos prende a luz em uma onda estacionária bidimensional e amplifica apenas o modo fundamental, criando um feixe forte e estreito
- Em 2023, o PCSEL cortou uma chapa metálica de 100 μm de espessura com brilho de 1 GW/cm²/sr, saída contínua de 50 W, diâmetro de emissão de 3 mm e divergência de feixe de 1/20 de grau
- Para processamento industrial, como fabricação de peças automotivas, é necessária saída na faixa de quilowatts, então os próximos desafios são um arranjo de nove PCSELs de 3 mm ou a expansão da área de emissão para 1 cm
- PCSELs de alto brilho miram não só a manufatura, mas também lidar compacto, direcionamento de feixe on-chip, litografia EUV, fusão nuclear e até viagens espaciais por propulsão luminosa, mas exigem maior potência, eficiência e gerenciamento térmico
O laser que a Society 5.0 exige
- A visão Society 5.0, apresentada pelo governo japonês em 2016, inclui tecnologias como manufatura sob demanda, cuidados robóticos e táxis e tratores autônomos
- Nesse ambiente, os lasers precisam ser pequenos e baratos o suficiente para entrar em dispositivos do cotidiano, com fabricação simples, alta eficiência energética e controle preciso adequado à customização em massa
- Lasers semicondutores têm vantagens em tamanho e custo, mas enfrentam uma grande limitação: o baixo brilho
- O brilho de um laser é definido como a potência óptica por unidade de área e por unidade de ângulo sólido
- Processamento de materiais como corte, soldagem e perfuração exige aproximadamente 1 GW/cm²/sr
- O brilho dos lasers semicondutores comerciais fica muito abaixo desse nível
- Em lidar, o brilho também determina custo e desempenho
- Para medições precisas em longas distâncias ou altas velocidades, o feixe precisa ser estreitamente focalizado
- Os sistemas lidar avançados atuais usam mais de 100 lasers semicondutores e conjuntos de lentes instalados manualmente, elevando o custo
Gargalos dos lasers convencionais e dos lasers semicondutores
- Lasers de CO₂ e lasers de fibra conseguem produzir feixes de brilho ultra-alto em aplicações industriais, mas são maiores e mais caros que lasers semicondutores, têm menor eficiência energética e são mais difíceis de controlar
- Lasers de CO₂ de alta potência podem chegar ao tamanho de uma geladeira
- Lasers semicondutores convencionais normalmente amplificam a luz ao longo de uma faixa estreita da camada ativa, e o feixe sai pela borda frontal do chip
- Para aumentar a potência, é preciso ampliar a região de emissão, mas em faixas mais largas surgem modos transversais de alta ordem, nos quais a luz oscila em trajetórias em zigue-zague
- Modos de alta ordem tornam o feixe irregular e espalhado
- O brilho dos lasers semicondutores convencionais atinge um limite em torno de 100 MW/cm²/sr
Como estreitar o feixe com cristais fotônicos
- Um PCSEL tem camada ativa e camadas de revestimento como um laser semicondutor comum, mas adiciona internamente uma camada de cristal fotônico com furos nanométricos organizados em duas dimensões
- Cristais fotônicos controlam o fluxo da luz assim como semicondutores controlam o fluxo de elétrons
- Estruturas como furos, cubos e pilares são dispostas periodicamente na escala do comprimento de onda da luz
- Como o índice de refração varia periodicamente, a luz de certos comprimentos de onda e direções é refletida e sofre interferência
- O cristal fotônico básico de um PCSEL é uma rede quadrada bidimensional
- Por exemplo, um laser de arseneto de gálio que opera a 940 nm tem comprimento de onda interno de cerca de 280 nm
- Em um PCSEL básico de arseneto de gálio, o espaçamento entre os furos é ajustado para cerca de 280 nm
- O arranjo de furos faz a luz se curvar para trás e para os lados como pequenos espelhos, e múltiplas difrações se combinam para formar uma onda estacionária bidimensional
- A camada ativa amplifica essa onda estacionária
- Parte da luz é difratada para cima e para baixo e emitida pela superfície do chip como um feixe de comprimento de onda único
- Diferentemente dos lasers edge-emitting convencionais, o PCSEL emite luz pela superfície; sua área de emissão é ampla e em geral circular, permitindo gerar um feixe de alta qualidade com baixo ângulo de divergência
Projetos por geração que aumentaram o brilho
- Em 1998, a equipe da Kyoto University criou o primeiro PCSEL e, desde então, continuou refinando o projeto para operação de alto brilho
- Em 2014, relatou um PCSEL que usava uma rede quadrada de furos triangulares
- A área de emissão era de 200×200 μm
- A saída em operação contínua era de cerca de 1 W
- O ângulo de divergência do feixe era de cerca de 2 graus
- Muito mais estreito que a divergência típica de mais de 30 graus dos lasers semicondutores convencionais
- O projeto de rede única passa a apresentar modos transversais de alta ordem quando ultrapassa cerca de 200 μm
- No modo fundamental, a intensidade da luz se concentra no centro
- Em modos de alta ordem, surgem dois, três, quatro ou mais picos de intensidade
- Em áreas de emissão pequenas, os picos dos modos de alta ordem ficam nas bordas, de modo que a luz vaza pelas laterais e não oscila
- Quando a área de emissão aumenta, os modos de alta ordem ganham espaço para oscilar
- Para evitar isso, os pesquisadores introduziram uma rede dupla
- Uma rede quadrada de furos circulares foi deslocada em 1/4 de comprimento de onda em relação a uma segunda rede quadrada de furos elípticos
- Parte da luz difratada sofre interferência destrutiva, enfraquecendo e dispersando os picos de intensidade dos modos de alta ordem
- Um PCSEL de 1 mm de diâmetro fabricado com rede dupla produziu um feixe de 10 W em operação contínua
- O ângulo de divergência era de 0,1 grau
- Mais de três vezes mais brilhante do que lasers semicondutores convencionais conseguem alcançar
- Ao contrário de lasers convencionais do mesmo tamanho, oscilava em modo único
Corte de aço com um PCSEL de 3 mm
- Em diâmetros maiores, a rede dupla sozinha tem dificuldade para suprimir suficientemente os modos de alta ordem
- Os pesquisadores ajustaram o refletor traseiro considerando que os modos de alta ordem escapam do laser em um ângulo ligeiramente oblíquo
- Nas gerações anteriores, o refletor traseiro servia apenas para devolver à superfície emissora superior a luz difratada para baixo
- Ao ajustar a posição do refletor e o espaçamento e formato dos furos do cristal fotônico, fizeram a luz que escapa interferir com a onda estacionária bidimensional da camada de cristal fotônico
- Quanto mais oblíqua a onda que sai, mais energia ela perde, bloqueando seletivamente os modos de alta ordem
- O PCSEL desenvolvido em 2023 alcançou brilho de 1 GW/cm²/sr, comparável ao de lasers a gás e de fibra
- O diâmetro de emissão é de 3 mm
- A saída contínua máxima é de 50 W
- O ângulo de divergência do feixe é de 1/20 de grau
- O dispositivo demonstrou corte de aço ao recortar um disco em uma chapa metálica de 100 μm de espessura
Desafios rumo a aplicações industriais na faixa de quilowatts
- A demonstração de corte de aço é impressionante, mas, para competir no mercado industrial, é necessária potência mais alta
- A fabricação de peças automotivas exige potência óptica aproximadamente na faixa de quilowatts
- PCSELs na faixa de quilowatts podem ser abordados de duas formas
- Montar um arranjo de nove PCSELs de 3 mm
- Expandir a área de emissão do dispositivo atual para 1 cm
- No tamanho de 1 cm, modos de alta ordem podem reaparecer e reduzir a qualidade do feixe
- Ainda assim, ele poderia atingir brilho semelhante ao de lasers a gás e de fibra de alta potência, substituindo parte dos lasers convencionais maiores
- Para que um PCSEL de 1 cm cause uma mudança real, é preciso suprimir os modos de alta ordem
- A equipe concebeu uma forma de ajustar finamente a estrutura do cristal fotônico e a posição do refletor
- Embora ainda não tenha sido testada em laboratório, o modelo teórico indica possibilidade de brilho de 10 a 100 GW/cm²/sr
Eficiência e gerenciamento térmico
- Em aplicações de alta potência, eficiência energética e gerenciamento térmico são tão importantes quanto o desempenho
- Antes da otimização, a eficiência wall-plug do PCSEL já era de 30 a 40%
- Isso é maior que a da maioria dos lasers de CO₂ e de fibra
- A equipe encontrou um caminho para elevar a eficiência para 60%
- A tecnologia de resfriamento a água usada atualmente no laboratório é considerada suficiente para um PCSEL de 1 cm e 1.000 W
Lidar e direcionamento de feixe on-chip
- PCSELs de alto brilho também podem ser usados para tornar sistemas de sensores para carros autônomos e robôs menores e mais baratos
- Um sistema lidar produzido recentemente usa um PCSEL de 500 μm
- Em operação pulsada, ele é acionado a cerca de 20 W
- Mesmo a 30 m de distância, o tamanho do ponto fica em apenas 5 cm
- É uma resolução incomum para um sistema lidar compacto sem lentes externas
- O protótipo tem aproximadamente o tamanho de uma webcam e foi instalado em um carrinho robótico, programado para seguir pessoas e outros carrinhos dentro de um prédio de engenharia
- Em um estudo separado, foi demonstrado que um PCSEL pode emitir vários feixes e controlá-los eletronicamente para apontar em diferentes direções
- O direcionamento de feixe on-chip é implementado alterando a posição e o tamanho dos furos na camada de cristal fotônico
- Em última instância, isso pode substituir o direcionamento mecânico de feixe em lidar
- Se fotodetectores também forem integrados no mesmo chip, será possível criar um sistema de navegação totalmente eletrônico, muito pequeno e barato
Metas de longo prazo: EUV, fusão nuclear e até propulsão luminosa
- No longo prazo, a meta é obter mais de 10 kW de saída e brilho de até 1.000 GW/cm²/sr em um laser de 3 cm
- Esse nível seria mais brilhante que qualquer laser existente atualmente
- PCSELs de brilho extremo poderiam substituir os grandes lasers de CO₂ de alta potência que geram pulsos de plasma em equipamentos de litografia EUV, aumentando a eficiência da fabricação de chips
- Há também potencial de aplicação em fusão nuclear
- A fusão nuclear envolve disparar potência laser na faixa de trilhões de watts contra uma cápsula de combustível do tamanho de uma ervilha
- A viagem espacial por propulsão luminosa também é uma aplicação potencial
- Sondas aceleradas pela luz poderiam chegar a estrelas distantes em algumas dezenas de anos, em vez de milhares
1 comentários
Opiniões no Hacker News
O artigo aponta bem os impactos industriais de lasers mais potentes e menores, mas faz pensar que seria ótimo ver PCSEL chegar até o mercado de pequenas oficinas
Um laser barato capaz de cortar metal em casa ou em uma pequena oficina seria realmente útil. Claro que, como todo laser, também seria meio perigoso
O laser apenas derrete o metal; ele não o remove da fenda de corte, e alguns metais podem reagir no ar comum e respingar de volta na direção da óptica de emissão. Por isso é preciso soprar gás pressurizado no corte para remover o material
Para materiais finos ou alguns metais, basta soprar bastante ar comprimido muito limpo e seco, mas em outros casos é necessário usar gases específicos, reativos ou não reativos, ou misturas de gases. No corte a plasma, normalmente se usa ar para expulsar o material do corte; no corte com oxigênio, ele reage com excesso de oxigênio e é expelido
Lasers são mais exigentes porque a largura do corte é extremamente estreita, então o custo de consumíveis pode acabar sendo surpreendentemente alto. Lasers mais fortes às vezes também precisam operar a óptica em vácuo fraco, porque poeira e o plasma gerado pelo próprio ar desgastam componentes caros
Os subprodutos também são um problema. Materiais orgânicos se decompõem em todo tipo de substância parecida com compostos orgânicos, que não é bom inalar nem descarregar ao nível do solo perto de vizinhos; e, se os resíduos do corte de metal não forem limpos com frequência suficiente, o pó fino pode atingir uma massa crítica e se tornar bastante perigoso. Incêndios de ferro ou alumínio destroem o laser, e se ferro e alumínio queimarem juntos podem destruir não só o laser, mas também a base de apoio e até o concreto abaixo dela
Acho que esse tipo de equipamento deveria ser operado usando apenas câmeras, sem olhar diretamente
Se isso for combinado com fusão aneutrônica hidrogênio-boro, talvez seja possível gerar eletricidade diretamente, sem motor térmico
Ainda faltam alguns anos, mas mostra um caminho possível para avançar
O artigo fala em planejar 10 kW, ou seja, 10^4 W; um petawatt é 10^15 W, então pelas contas ainda faltam 11 zeros. Deve levar um tempo
A Helion, que diz que vai ligar um dispositivo de fusão-elétrica neste verão, talvez chegue lá primeiro
O trecho “na Society 5.0, produtos sob demanda se tornam possíveis” me fez lembrar os fãs de The Peripheral
Brincadeiras à parte, o gargalo dessa visão é o resfriamento, assim como em iluminação LED de alta potência. Para resfriar algo, ainda é preciso um hardware consideravelmente grande
O artigo cria confusão ao comparar PCSEL com lasers de emissão pela borda
Na prática, parece uma nova melhoria dos VCSELs, que já produziam alta densidade de potência por volta da virada do século
Fico pensando se essa característica de emissão pela superfície torna mais fácil fazer travamento de fase entre vários chips
Isso poderia ser muito útil para grandes aberturas e transmissão de energia a longa distância
Uma aplicação de lasers de grande abertura e alta eficiência seria alimentar aeronaves de longo alcance. Se estações terrestres ao longo da rota ou bases de laser no espaço enviassem energia por feixe, seria possível eliminar completamente o combustível, potencialmente permitindo autonomia ilimitada
Se for criada uma matriz de emissores com travamento de fase em escala de wafer e cada emissor puder ser atenuado ou deslocado em fase, sobrepostos, isso viraria um bom display holográfico monocromático. Presumindo que o ângulo de divergência de cada emissor seja grande
Então cortadores a laser domésticos e baratos poderiam cortar não só madeira, couro e plástico, mas também metal?
Isso me lembra como os equipamentos mais recentes da ASML ajustam ângulos de lasers ultravioleta e grades de difração para criar padrões 2D limpos e pequenos
Fico curioso sobre o quão difícil é modelar a interação da luz nessa escala. O que seria necessário para os autores encontrarem uma solução de modelagem para o problema de escala? Será que um doutor em fotofísica daria conta, ou é algo que exige empresas e equipes acumulando especialização por décadas?
A ASML parece precisar resolver apenas uma única interação de difração de onda com a máscara, mas modelar ondas estacionárias e modos de ordem superior deve exigir muito mais matemática. Também me pergunto se isso é viável caso a solução de cada interação seja probabilística
Também fico pensando se a solução prática é limitada principalmente pelas estruturas semicondutoras que podem ser fabricadas, por exemplo, pelos tipos de características como furos
Será que isso poderia ser usado em impressão 3D?
Algo como cada laser em uma matriz atuando como um pixel, movendo uma camada de pó para criar 3D. Será que essa estrutura poderia ser mais rápida que as impressoras 3D atuais?
No segundo caso, com corantes, também é possível imprimir plástico 3D em cores
O termo de busca é “Laser powder bed fusion”. É diferente do nome comercial “Direct Metal Laser Sintering”, mencionado abaixo
https://www.3dsourced.com/guides/direct-metal-laser-sinterin...
Só não sei muito bem o quanto a fonte de luz afeta ou pode melhorar a velocidade
Será que vai se tornar possível alguém carregar um laser desses e cortar uma pessoa ao meio?
O foco está em usos industriais, mas parece uma tecnologia de uso dual, então provavelmente precisa de regulação
Este texto sobre Society 5.0 não menciona lasers. Alguém sabe por que lasers de altíssima potência seriam necessariamente importantes para esse plano de futuro?
https://www8.cao.go.jp/cstp/english/society5_0/index.html
https://www8.cao.go.jp/cstp/kihonkeikaku/5basicplan_en.pdf
Esse documento lista, como prioridades do plano, robótica, sensores, atuadores, biotecnologia, interfaces humanas, materiais e nanotecnologia, tecnologias de luz e quânticas, entre outras. Com um pouco de imaginação, dá para ver como lasers baratos, potentes e pequenos poderiam ajudar em cada uma delas
De forma mais prosaica, é bem possível que os pesquisadores estejam tentando vincular seus resultados às prioridades políticas do momento para justificar financiamento