Un laser ultracompact et ultralumineux capable de faire fondre l’acier
(spectrum.ieee.org)- Le PCSEL de l’équipe de Kyoto University est un laser à semi-conducteur à émission de surface à cristal photonique qui dépasse les limites de faible luminosité des lasers à semi-conducteurs et a démontré la découpe de l’acier, avec une luminosité comparable à celle des lasers à gaz et à fibre dans un format de 3 mm
- Le cœur de ses performances est une couche de cristal photonique intégrée au semi-conducteur : un réseau de trous nanométriques confine la lumière sous forme d’onde stationnaire bidimensionnelle et n’amplifie que le mode fondamental, produisant un faisceau puissant et étroit
- En 2023, le PCSEL a atteint une luminosité de 1 GW/cm²/sr, une puissance continue de 50 W, un diamètre d’émission de 3 mm et une divergence de faisceau de 1/20 de degré, découpant une plaque métallique de 100 μm d’épaisseur
- Pour les procédés industriels comme la fabrication de pièces automobiles, une puissance de l’ordre du kilowatt est nécessaire ; les prochaines étapes consistent donc à réaliser un réseau de neuf PCSEL de 3 mm ou à étendre la zone d’émission à 1 cm
- Les PCSEL à haute luminosité visent non seulement la fabrication, mais aussi les lidars compacts, l’orientation de faisceau sur puce, la lithographie EUV, la fusion nucléaire et le vol spatial à propulsion photonique, mais ils exigent encore une puissance, une efficacité et une gestion thermique supérieures
Le laser requis par Society 5.0
- Le concept Society 5.0, présenté par le gouvernement japonais en 2016, inclut des technologies comme la fabrication à la demande, les soins robotisés, ainsi que les taxis et tracteurs autonomes
- Dans cet environnement, les lasers doivent être assez petits et peu coûteux pour être intégrés aux appareils du quotidien, simples à fabriquer, très efficaces énergétiquement et pilotables avec précision pour la personnalisation de masse
- Les lasers à semi-conducteurs sont avantageux en taille et en coût, mais souffrent d’une limite majeure : leur faible luminosité
- La luminosité d’un laser se définit comme la puissance optique par unité de surface et par unité d’angle solide
- Pour l’usinage de matériaux comme la découpe, le soudage ou le perçage, il faut environ 1 GW/cm²/sr
- La luminosité des lasers à semi-conducteurs commerciaux est très inférieure à ce niveau
- Dans le lidar aussi, la luminosité détermine à la fois le coût et les performances
- Pour des mesures précises à longue distance ou à haute vitesse, le faisceau doit être fortement concentré
- Les lidars haut de gamme actuels utilisent plus de 100 lasers à semi-conducteurs et des configurations de lentilles installées manuellement, ce qui augmente les coûts
Les goulets d’étranglement des lasers classiques et des lasers à semi-conducteurs
- Les lasers CO₂ et les lasers à fibre peuvent produire des faisceaux ultralumineux pour les applications industrielles, mais ils sont plus grands et plus coûteux que les lasers à semi-conducteurs, moins efficaces énergétiquement et plus difficiles à contrôler
- Les lasers CO₂ de forte puissance peuvent atteindre la taille d’un réfrigérateur
- Les lasers à semi-conducteurs classiques amplifient généralement la lumière le long d’une fine bande de la couche active, et le faisceau sort par le bord avant de la puce
- Pour augmenter la puissance, il faut élargir la zone d’émission, mais une bande plus large fait apparaître des modes transverses d’ordre supérieur, où la lumière oscille selon des trajectoires en zigzag
- Les modes d’ordre supérieur rendent le faisceau tacheté et divergent
- La luminosité des lasers à semi-conducteurs classiques atteint sa limite autour de 100 MW/cm²/sr
Réduire le faisceau grâce au cristal photonique
- Comme un laser à semi-conducteur classique, un PCSEL possède une couche active et des couches de confinement, mais il ajoute à l’intérieur une couche de cristal photonique où des trous nanométriques sont disposés en deux dimensions
- Le cristal photonique contrôle le flux de lumière comme un semi-conducteur contrôle le flux d’électrons
- Des structures comme des trous, des cubes ou des piliers sont placées périodiquement à l’échelle de la longueur d’onde de la lumière
- Lorsque l’indice de réfraction varie périodiquement, la lumière de certaines longueurs d’onde et directions est réfléchie et interfère
- Le cristal photonique de base d’un PCSEL est un réseau carré bidimensionnel
- Par exemple, dans un laser à arséniure de gallium fonctionnant à 940 nm, la longueur d’onde interne est d’environ 280 nm
- Dans un PCSEL de base à arséniure de gallium, l’espacement des trous est ajusté à environ 280 nm
- Le réseau de trous agit comme de petits miroirs qui dévient la lumière vers l’arrière et sur les côtés, et plusieurs diffractions se combinent pour former une onde stationnaire bidimensionnelle
- La couche active amplifie cette onde stationnaire
- Une partie de la lumière est diffractée vers le haut et vers le bas, puis émise depuis la surface de la puce sous forme de faisceau à longueur d’onde unique
- Contrairement aux lasers classiques à émission par la tranche, les PCSEL émettent la lumière depuis la surface ; leur zone d’émission large et généralement circulaire permet de produire un faisceau de haute qualité à faible divergence
Des conceptions successives pour augmenter la luminosité
- En 1998, l’équipe de Kyoto University a créé le premier PCSEL, puis a continué à affiner sa conception pour un fonctionnement à haute luminosité
- En 2014, elle a présenté un PCSEL utilisant un réseau carré de trous triangulaires
- La zone d’émission était de 200×200 μm
- La puissance était d’environ 1 W en fonctionnement continu
- La divergence du faisceau était d’environ 2 degrés
- C’est bien plus étroit que la divergence typique de plus de 30 degrés des lasers à semi-conducteurs classiques
- Une conception à réseau unique fait apparaître des modes transverses d’ordre supérieur lorsqu’elle dépasse environ 200 μm
- Dans le mode fondamental, l’intensité lumineuse est concentrée au centre
- Dans les modes d’ordre supérieur, deux, trois, quatre pics d’intensité ou plus apparaissent
- Dans une petite zone d’émission, les pics des modes d’ordre supérieur se trouvent sur les bords, si bien que la lumière fuit latéralement et n’oscille pas
- Lorsque la zone d’émission s’agrandit, les modes d’ordre supérieur trouvent l’espace nécessaire pour osciller
- Pour l’empêcher, les chercheurs ont introduit un double réseau
- Un réseau carré de trous circulaires est décalé d’un quart de longueur d’onde par rapport à un second réseau carré de trous elliptiques
- Une partie de la lumière diffractée subit des interférences destructives, ce qui affaiblit et disperse les pics d’intensité des modes d’ordre supérieur
- Un PCSEL de 1 mm de diamètre fabriqué avec ce double réseau émet un faisceau de 10 W en fonctionnement continu
- Sa divergence est de 0,1 degré
- Il est plus de trois fois plus lumineux que ce que permettent les lasers à semi-conducteurs classiques
- Contrairement aux lasers classiques de même taille, il oscille en mode unique
La découpe de l’acier avec un PCSEL de 3 mm
- À des diamètres plus importants, le double réseau seul ne suffit pas à supprimer assez efficacement les modes d’ordre supérieur
- Les chercheurs ont ajusté le réflecteur arrière en tenant compte du fait que les modes d’ordre supérieur s’échappent du laser avec un léger angle oblique
- Dans les générations précédentes, le réflecteur arrière servait seulement à renvoyer vers la surface d’émission supérieure la lumière diffractée vers le bas
- En ajustant la position du réflecteur ainsi que l’espacement et la forme des trous du cristal photonique, ils ont fait en sorte que la lumière sortante interfère avec l’onde stationnaire bidimensionnelle de la couche de cristal photonique
- Plus les ondes sortent obliquement, plus elles perdent d’énergie, ce qui bloque sélectivement les modes d’ordre supérieur
- Le PCSEL développé en 2023 a atteint une luminosité de 1 GW/cm²/sr, comparable à celle des lasers à gaz et à fibre
- Son diamètre d’émission est de 3 mm
- Sa puissance continue atteint 50 W
- La divergence du faisceau est de 1/20 de degré
- Ce dispositif a démontré la découpe de l’acier en découpant un disque dans une plaque métallique de 100 μm d’épaisseur
Les défis vers des applications industrielles au kilowatt
- La démonstration de découpe de l’acier est impressionnante, mais une puissance plus élevée est nécessaire pour concurrencer les solutions du marché industriel
- La fabrication de pièces automobiles nécessite environ une puissance optique de l’ordre du kilowatt
- Deux approches peuvent mener à un PCSEL au kilowatt
- Organiser neuf PCSEL de 3 mm en réseau
- Étendre la zone d’émission du dispositif actuel à 1 cm
- À l’échelle de 1 cm, les modes d’ordre supérieur peuvent réapparaître et dégrader la qualité du faisceau
- Malgré cela, la luminosité peut être comparable à celle des lasers à gaz et à fibre de forte puissance, ce qui permettrait de remplacer certains grands lasers classiques
- Pour que le PCSEL de 1 cm produise un véritable changement, il faut supprimer les modes d’ordre supérieur
- L’équipe a conçu une méthode consistant à ajuster finement la structure du cristal photonique et la position du réflecteur
- Elle n’a pas encore été testée en laboratoire, mais les modèles théoriques montrent une luminosité possible de 10 à 100 GW/cm²/sr
Efficacité et gestion thermique
- Dans les applications de forte puissance, l’efficacité énergétique et la gestion thermique sont aussi importantes que les performances
- Avant optimisation, le rendement wall-plug des PCSEL est déjà de 30 à 40 %
- C’est plus élevé que celui de la plupart des lasers CO₂ et des lasers à fibre
- Les chercheurs ont identifié une voie pour porter le rendement à 60 %
- La technologie de refroidissement par eau actuellement utilisée en laboratoire est jugée suffisante pour un PCSEL de 1 000 W et 1 cm
Lidar et orientation de faisceau sur puce
- Les PCSEL à haute luminosité peuvent aussi servir à rendre les systèmes de capteurs pour voitures autonomes et robots plus petits et moins coûteux
- Un système lidar récemment fabriqué utilise un PCSEL de 500 μm
- Il fonctionne en mode pulsé à environ 20 W
- Même à 30 m de distance, la taille du spot reste limitée à 5 cm
- C’est une résolution inhabituelle pour un petit système lidar sans lentille externe
- Le prototype a environ la taille d’une webcam et a été monté sur des chariots robotisés programmés pour suivre des personnes et se suivre mutuellement à l’intérieur d’un bâtiment d’ingénierie
- Une autre étude a montré que les PCSEL peuvent émettre plusieurs faisceaux et être contrôlés électroniquement pour pointer dans différentes directions
- L’orientation de faisceau sur puce est réalisée en modifiant la position et la taille des trous de la couche de cristal photonique
- À terme, elle pourrait remplacer l’orientation mécanique du faisceau dans les lidars
- En intégrant également des photodétecteurs sur la même puce, il serait possible de créer des systèmes de navigation entièrement électroniques, très petits et peu coûteux
Objectifs de long terme : EUV, fusion nucléaire et propulsion photonique
- À long terme, l’objectif est d’obtenir, avec un laser de 3 cm, une puissance supérieure à 10 kW et une luminosité pouvant atteindre 1 000 GW/cm²/sr
- Ce niveau serait plus lumineux que n’importe quel laser existant aujourd’hui
- Des PCSEL à luminosité extrême pourraient remplacer les grands lasers CO₂ de forte puissance qui créent les impulsions plasma dans les équipements de lithographie EUV, améliorant ainsi l’efficacité de la fabrication de puces
- Des applications à la fusion nucléaire sont également envisageables
- La fusion nucléaire implique de diriger une puissance laser de l’ordre de plusieurs billions de watts sur une capsule de combustible de la taille d’un petit pois
- Le vol spatial à propulsion photonique est une autre application potentielle
- Des sondes accélérées par la lumière pourraient atteindre des étoiles lointaines en quelques décennies plutôt qu’en plusieurs milliers d’années
1 commentaires
Avis de Hacker News
L’article décrit bien l’impact industriel de lasers plus puissants et plus petits, mais il donne aussi envie de voir les PCSEL arriver jusqu’au marché des petits ateliers
Un laser abordable capable de découper du métal à la maison ou dans un petit atelier serait vraiment utile. Cela dit, comme tout laser, c’est insidieusement dangereux
Le laser ne fait que faire fondre le métal et ne l’évacue pas de la fente de coupe, et certains métaux peuvent réagir à l’air ambiant et remonter en projections vers l’optique de sortie. Il faut donc injecter un gaz sous pression dans la zone de coupe pour évacuer la matière
Pour les matériaux fins ou certains métaux, un gros débit d’air comprimé très propre et sec peut suffire, mais dans d’autres cas il faut des gaz réactifs ou inertes spécifiques, ou des mélanges de gaz. La découpe plasma souffle généralement la zone de coupe avec de l’air, tandis que la découpe à l’oxygène la fait réagir avec un excès d’oxygène pour l’évacuer
Le laser est plus délicat parce que le trait de coupe est extrêmement étroit, et les coûts des consommables peuvent donc être étonnamment élevés. Avec des lasers plus puissants, il faut parfois faire fonctionner l’optique dans un vide partiel, car la poussière et le plasma formé par l’air lui-même peuvent éroder des composants coûteux
Les sous-produits posent aussi problème. Les matières organiques se décomposent en toutes sortes de substances de type organique qu’il vaut mieux ne pas inhaler ni rejeter au niveau du sol près des voisins, et si l’on ne nettoie pas assez souvent les résidus de découpe métallique, la poudre fine peut atteindre une masse critique et devenir assez dangereuse. Un incendie de fer ou d’aluminium peut détruire le laser, et si du fer et de l’aluminium brûlent ensemble, cela peut détruire non seulement le laser, mais aussi le support et même le béton en dessous
À mon avis, ce genre d’équipement devrait être manipulé uniquement via caméra, sans jamais le regarder directement
En combinant cela avec la fusion nucléaire aneutronique hydrogène-bore, on pourrait peut-être produire directement de l’électricité sans machine thermique
C’est encore à quelques années de distance, mais cela montre une trajectoire possible
L’article parle d’un objectif de 10 kW, soit 10^4 W, alors qu’un pétawatt correspond à 10^15 W, donc il manque 11 zéros au calcul. Ça risque de prendre un peu de temps
Helion, qui dit vouloir mettre en marche cet été un dispositif fusion-électricité, pourrait y arriver avant
Le passage sur « la production à la demande devient possible dans la Society 5.0 » fait penser aux fans de The Peripheral
Blague à part, comme pour l’éclairage LED de forte puissance, le frein de cette idée reste le refroidissement. Pour refroidir quelque chose, il faut toujours un matériel assez volumineux
L’article prête à confusion en comparant les PCSEL aux lasers à émission par la tranche
En réalité, cela ressemble plutôt à une nouvelle amélioration des VCSEL, qui produisent de fortes densités de puissance depuis le tournant du siècle
Je me demande si cette caractéristique d’émission de surface facilite le verrouillage de phase entre plusieurs puces
Cela pourrait être très utile pour les grandes ouvertures et le transfert d’énergie à longue distance
Une application des lasers de grand diamètre à haut rendement serait d’alimenter des avions long-courriers. Si des stations au sol le long de la route ou des bases laser spatiales transmettent l’énergie par faisceau, on pourrait supprimer complètement le carburant et obtenir potentiellement une autonomie illimitée
Si l’on fabrique un réseau d’émetteurs verrouillés en phase à l’échelle d’une tranche et qu’on les superpose de manière à pouvoir atténuer ou déphaser chaque émetteur, on obtient un affichage holographique monochrome correct. En supposant que l’angle de divergence de chaque émetteur soit important
Est-ce que cela permettrait enfin d’avoir un découpeur laser domestique bon marché capable de couper non seulement le bois, le cuir et le plastique, mais aussi le métal ?
Cela rappelle les équipements ASML récents, qui règlent l’angle des lasers ultraviolets et les réseaux de diffraction pour produire des motifs 2D nets et minuscules
Je me demande à quel point il est difficile de modéliser les interactions de la lumière à cette échelle. Que faut-il pour que les auteurs trouvent une solution de modélisation aux problèmes de passage à l’échelle ? Est-ce qu’un seul doctorat en physique optique suffit, ou faut-il qu’une entreprise et des équipes accumulent cette expertise pendant des décennies ?
Chez ASML, on a l’impression qu’il suffit de résoudre une seule interaction de diffraction d’onde avec le masque, mais pour modéliser les ondes stationnaires et les modes d’ordre supérieur, il faudrait probablement bien plus de mathématiques. Si la solution de chaque interaction est probabiliste, je me demande même si c’est faisable
Je me demande aussi si la solution réelle est surtout limitée par les structures semi-conductrices qu’on peut fabriquer, par exemple les types de motifs comme les trous
Est-ce qu’on pourrait utiliser ça pour l’impression 3D ?
Je pense à un système où chaque laser du réseau agit comme un pixel, pendant qu’on déplace des couches de poudre pour construire en 3D. Est-ce que cette architecture pourrait être plus rapide que les imprimantes 3D actuelles ?
Dans le second cas, on peut même obtenir une impression 3D plastique en couleur si l’on ajoute des colorants
Le terme de recherche est « Laser powder bed fusion ». À distinguer du nom de marque « Direct Metal Laser Sintering » mentionné plus bas
https://www.3dsourced.com/guides/direct-metal-laser-sinterin...
En revanche, je ne sais pas vraiment à quel point la source lumineuse influe sur la vitesse ou pourrait l’améliorer
Est-ce que quelqu’un pourrait se servir d’un laser comme ça pour couper une personne en deux ?
L’accent est mis sur les usages industriels, mais cela ressemble à une technologie à double usage, donc une régulation paraît nécessaire
Cet article sur la Society 5.0 ne parle pas de lasers. Quelqu’un sait pourquoi les lasers ultrapuissants seraient censés être si importants dans ce projet d’avenir ?
https://www8.cao.go.jp/cstp/english/society5_0/index.html
https://www8.cao.go.jp/cstp/kihonkeikaku/5basicplan_en.pdf
Ce document énumère comme priorités du plan la robotique, les capteurs, les actionneurs, les biotechnologies, les interfaces humaines, les matériaux et nanotechnologies, ainsi que les technologies de la lumière et du quantique. Avec un peu d’imagination, on peut voir en quoi des lasers petits, puissants et bon marché pourraient aider dans chacun de ces domaines
Plus banalement, il est probable que les chercheurs essaient simplement de relier leurs résultats aux priorités politiques du moment pour justifier leur financement