Laser ultracompacto e ultrabrilhante capaz de derreter aço

Desenvolvimento de um laser semicondutor ultrabrilhante baseado em cristal fotônico

• Em 2016, o governo japonês anunciou a chegada da "quinta sociedade", na qual produtos sob encomenda, robôs cuidadores, táxis e tratores seriam utilizados, e uma das tecnologias centrais que tornariam isso possível é justamente o laser.
• Os lasers necessários para a Society 5.0 precisam atender a requisitos como miniaturização, baixo custo, facilidade de fabricação, eficiência energética e facilidade de controle, mas os lasers semicondutores existentes tinham limitações por falta de brilho (brightness).
• A equipe de pesquisa da Universidade de Kyoto vem desenvolvendo há mais de 20 anos o laser emissor de superfície com cristal fotônico (PCSEL), que adiciona à camada ativa uma camada em estilo "queijo suíço" formada por uma matriz de nanofuros para controlar a propagação da luz, alcançando ao mesmo tempo alta potência e feixe estreito.
• O PCSEL pode produzir mais de 100 vezes o brilho dos lasers semicondutores convencionais, e espera-se que substitua lasers a gás e de fibra óptica, trazendo inovação para os setores de manufatura e automotivo.
• Recentemente, foi desenvolvido um PCSEL de 3 mm de abertura na faixa de 1 GW/cm2/sr, capaz de cortar aço, e teoricamente prevê-se que seja possível chegar à faixa de 10~100 GW/cm2/sr.
• Para aplicações de alta potência, estão sendo aprimoradas a eficiência energética e as tecnologias de gerenciamento térmico, e o PCSEL também está sendo aplicado a sistemas LiDAR ultracompactos para carros autônomos e robôs.
• No longo prazo, o plano é desenvolver um PCSEL com potência na faixa de 10 kW e brilho extremo de 1000 GW/cm2/sr, para uso em áreas como litografia EUV ou fusão nuclear, e até avaliar sua aplicação em propulsão espacial.

Princípio do cristal fotônico

• O cristal fotônico é uma estrutura que controla o fluxo da luz da mesma forma que os semicondutores controlam o fluxo de elétrons, com uma estrutura de rede na qual o índice de refração varia periodicamente na escala do comprimento de onda.
• No caso de um cristal fotônico unidimensional simples, em uma estrutura na qual vidro e ar são dispostos alternadamente, a luz sofre refração e reflexão em cada interface, gerando interferência construtiva e destrutiva; em determinados comprimentos de onda, forma-se uma onda estacionária e a propagação não ocorre.
• Em um PCSEL com estrutura de rede quadrada bidimensional, os furos refratam a luz para frente e para trás, para a esquerda e para a direita, criando uma onda estacionária bidimensional, que é amplificada na camada ativa para formar um feixe laser de comprimento de onda único.

Aumento do brilho por meio da supressão de modos transversais de ordem superior

• Quando a área emissora do PCSEL aumenta, modos transversais de ordem superior começam a oscilar, porque a distribuição de intensidade da onda estacionária passa a ter vários picos.
• Inicialmente, usando uma única rede, era possível suprimir modos de ordem superior até cerca de 200μm, mas acima disso havia a limitação de eles voltarem a oscilar.
• Com a introdução de uma estrutura de rede dupla, foi possível induzir interferência destrutiva da luz na rede, enfraquecendo os picos de intensidade dos modos de ordem superior e ampliando a abertura até 1 mm.
• Ao ajustar a posição do espelho e o formato dos furos da rede, induziu-se o acoplamento entre a onda estacionária e a onda refletida, aumentando bastante a perda dos modos de ordem superior e permitindo a implementação bem-sucedida de um PCSEL ultrabrilhante na classe de 3 mm.

Opinião do GN⁺

• O fato de poder aumentar o brilho em mais de 100 vezes em relação aos lasers semicondutores convencionais sugere um grande potencial de inovação para a indústria, como a manufatura. No entanto, ainda está em estágio de laboratório e a comercialização deve levar mais tempo.
• Para aplicações de alta potência, será essencial alcançar alta eficiência de conversão eletro-óptica acima de 60% e garantir tecnologias de gerenciamento térmico para saídas na faixa de kW. Se o problema térmico for resolvido, parece possível substituir plenamente os lasers de CO2 e de fibra óptica existentes.
• Sistemas LiDAR ultracompactos parecem ter comercialização mais rápida; se a parte mecânica de direcionamento do feixe for eliminada e houver integração, o preço poderá cair bastante. Ainda assim, será preciso validar o desempenho do sensor em comparação com os métodos existentes.
• Se, em áreas que exigem lasers ultrabrilhantes, como litografia EUV ou fusão nuclear a laser, for possível substituir os gigantescos lasers atuais, o efeito de redução de custos pode ser grande. Porém, como ainda está em estágio inicial de pesquisa, a viabilidade prática é incerta.
• A área de propulsão espacial é interessante, mas parece ainda distante da realização. Antes disso, seria necessário desenvolver lasers na faixa de dezenas de kW, o que deve enfrentar barreiras técnicas e de custo elevadas. O uso de pressão da luz solar por meio de velas solares pode ser uma alternativa mais realista.

[GN⁺]

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Resumo:

• Os PCSELs (Photonic Crystal Surface Emitting Lasers) não são literalmente campos de força, mas são semelhantes na capacidade de parar quase instantaneamente qualquer coisa no ar.
• Há expectativa por uma tecnologia de laser barata capaz de cortar metal em casa/pequenas oficinas. No entanto, é preciso cuidado porque também pode ser perigosa.
• Em combinação com a fusão nuclear hidrogênio-boro (aneutrônica), isso mostra a possibilidade de produzir eletricidade diretamente sem usinas térmicas. Ainda faltam alguns anos, mas é promissor.
• Isso é semelhante às máquinas da ASML, que ajustam lasers UV (ângulos) e grades de difração para criar padrões 2D limpos e pequenos.
• Fica a curiosidade sobre quão difícil é modelar a interação da luz nessa escala. Também se levanta a possibilidade de soluções probabilísticas.
• O problema de resfriamento provavelmente será crucial, assim como acontece na iluminação LED de alta potência. Ainda será necessário bastante hardware.
• Fica a dúvida de por que simplesmente não chamaram isso de "sabre de luz". Parece uma oportunidade perdida.
• Essas características de emissão de superfície podem facilitar o travamento de fase entre vários chips. Isso pode ser útil para grandes aberturas e fornecimento de energia a longas distâncias.
• Uma aplicação de lasers de grande abertura e alta eficiência seria fornecer energia a aeronaves de longa distância a partir de bases terrestres ou bases laser espaciais. A ideia de não precisar usar combustível algum é atraente.
• Será que cortadoras a laser domésticas baratas poderão cortar metal, além de madeira, couro e plástico?
• O artigo gera confusão ao comparar PCSEL com lasers de emissão lateral, mas parece se tratar de um novo avanço em VCSEL, e VCSELs já apresentam grande densidade de potência desde por volta de 2000.
• Parece que estamos chegando ao fim da era das pistolas laser.