Un laser miniature ultra-haute luminosité capable de faire fondre l’acier

Développement d’un laser à semi-conducteur ultra-haute luminosité basé sur des cristaux photoniques

• En 2016, le gouvernement japonais a annoncé l’avènement de la « cinquième société », dans laquelle seront utilisés des produits à la demande, des robots d’assistance, des taxis, des tracteurs, etc., et l’une des technologies clés qui la rendront possible est précisément le laser.
• Les lasers nécessaires à Society 5.0 doivent répondre à des exigences de miniaturisation, de faible coût, de facilité de fabrication, d’efficacité énergétique et de simplicité de contrôle, mais les lasers à semi-conducteur existants étaient limités par un manque de luminosité (brightness).
• L’équipe de recherche de l’université de Kyoto développe depuis plus de 20 ans des lasers à émission de surface à cristal photonique (PCSEL), qui ajoutent dans la couche active une couche « fromage suisse » composée d’un réseau de trous nanométriques afin de contrôler la propagation de la lumière, ce qui permet d’obtenir simultanément une forte puissance et un faisceau étroit.
• Les PCSEL peuvent atteindre une luminosité plus de 100 fois supérieure à celle des lasers à semi-conducteur classiques, et devraient remplacer les lasers à gaz et à fibre optique tout en apportant des innovations à l’industrie manufacturière et automobile.
• Récemment, un PCSEL de 3 mm d’ouverture atteignant 1 GW/cm2/sr, capable de couper l’acier, a été développé, et il est théoriquement prévu qu’un niveau de 10 à 100 GW/cm2/sr soit possible.
• Pour les applications à haute puissance, des améliorations sont en cours sur l’efficacité énergétique et les technologies de gestion thermique, et des PCSEL sont également appliqués à des systèmes LiDAR ultra-compacts pour véhicules autonomes et robots.
• À long terme, l’objectif est de développer des PCSEL délivrant une puissance de 10 kW avec une luminosité extrême de 1000 GW/cm2/sr, afin de les utiliser dans des domaines comme la lithographie EUV ou la fusion nucléaire, ainsi que d’envisager des applications pour la propulsion spatiale.

Principe des cristaux photoniques

• Un cristal photonique est une structure qui contrôle le flux de lumière comme un semi-conducteur contrôle le flux d’électrons, avec une structure en réseau dont l’indice de réfraction varie périodiquement à l’échelle de la longueur d’onde.
• Dans le cas simple d’un cristal photonique unidimensionnel, une structure où le verre et l’air sont disposés en alternance fait subir à la lumière réfraction et réflexion à chaque interface, provoquant des interférences constructives et destructives ; à certaines longueurs d’onde, des ondes stationnaires se forment et ne se propagent plus.
• Dans un PCSEL à structure de réseau carré bidimensionnel, les trous réfractent la lumière vers l’avant, l’arrière, la gauche et la droite pour créer des ondes stationnaires bidimensionnelles, qui sont ensuite amplifiées dans la couche active pour former un faisceau laser monochromatique.

Augmentation de la luminosité par suppression des modes transverses d’ordre supérieur

• Lorsque la surface émissive d’un PCSEL augmente, des modes transverses d’ordre supérieur commencent à osciller, car la distribution d’intensité des ondes stationnaires présente alors plusieurs pics.
• Au départ, l’utilisation d’un réseau simple permettait de supprimer les modes d’ordre supérieur jusqu’à environ 200 μm, mais au-delà, ils réapparaissaient.
• L’introduction d’une structure à double réseau a permis d’induire des interférences destructives de la lumière dans le réseau, affaiblissant les pics d’intensité des modes d’ordre supérieur et portant l’ouverture jusqu’à 1 mm.
• En ajustant la position du miroir et la forme des trous du réseau, les chercheurs ont induit un couplage entre les ondes stationnaires et les ondes réfléchies, augmentant fortement les pertes des modes d’ordre supérieur, ce qui a permis de réaliser un PCSEL ultra-haute luminosité de classe 3 mm.

Avis de GN⁺

• Le fait de pouvoir augmenter la luminosité de plus de 100 fois par rapport aux lasers à semi-conducteur existants semble offrir un fort potentiel d’innovation pour l’industrie, notamment manufacturière. Cela dit, la technologie reste encore au stade du laboratoire et sa commercialisation prendra probablement du temps.
• Pour les applications à haute puissance, il sera indispensable d’atteindre une efficacité de conversion électro-optique élevée, supérieure à 60 %, ainsi que de maîtriser la gestion thermique à des puissances de l’ordre du kW. Si le problème thermique est résolu, cela pourrait largement remplacer les lasers CO2 et à fibre optique existants.
• Les systèmes LiDAR ultra-compacts semblent pouvoir être commercialisés plus rapidement ; si l’on supprime les dispositifs mécaniques d’orientation du faisceau et que l’on intègre davantage le système, le prix pourrait fortement baisser. Une validation comparative des performances des capteurs par rapport aux approches existantes restera toutefois nécessaire.
• Dans des domaines nécessitant des lasers ultra-haute luminosité, comme la lithographie EUV ou la fusion laser, le remplacement des énormes lasers actuels pourrait générer d’importantes économies. Toutefois, le sujet en est encore à un stade précoce et sa faisabilité reste incertaine.
• Le domaine de la propulsion spatiale est intéressant, mais il semble encore très lointain en termes de concrétisation. Il faudra d’abord développer des lasers de plusieurs dizaines de kW, ce qui devrait se heurter à des barrières technologiques et économiques élevées. Une voile solaire exploitant la pression du rayonnement solaire pourrait constituer une alternative plus réaliste.

[GN⁺]

Avis Hacker News

Résumé :

• Les PCSELs (Photonic Crystal Surface Emitting Lasers) ne sont pas littéralement des champs de force, mais s’en rapprochent par leur capacité à arrêter presque instantanément n’importe quoi dans les airs.
• On espère une technologie laser abordable capable de couper le métal à la maison ou dans de petits ateliers. Il faut toutefois noter que cela pourrait aussi être dangereux.
• Combiné à la fusion nucléaire hydrogène-bore (anéutronique), cela montre la possibilité de produire directement de l’électricité sans centrale thermique. Il reste encore quelques années avant d’y arriver, mais c’est prometteur.
• Cela ressemble à la manière dont les machines ASML ajustent des lasers UV (à un certain angle) et des réseaux de diffraction pour créer des motifs 2D propres et minuscules.
• On se demande à quel point il est difficile de modéliser les interactions de la lumière à cette échelle. La possibilité de solutions probabilistes est aussi évoquée.
• Le problème du refroidissement sera sans doute déterminant, comme pour l’éclairage LED haute puissance. Il faut encore pas mal de matériel.
• On se demande pourquoi ils ne l’ont pas simplement appelé un « sabre laser ». Une occasion semble avoir été manquée.
• Ces caractéristiques d’émission de surface pourraient faciliter le verrouillage de phase de plusieurs puces. Cela pourrait être utile pour de grandes ouvertures et l’alimentation en puissance sur de longues distances.
• Une application possible des lasers à grande ouverture et à haut rendement serait d’alimenter des aéronefs longue distance depuis une base laser au sol ou spatiale. L’idée de pouvoir s’affranchir totalement du carburant est séduisante.
• Les découpeuses laser domestiques bon marché pourront-elles un jour couper aussi le métal, et pas seulement le bois, le cuir et le plastique ?
• Cet article prête à confusion en comparant les PCSEL aux lasers à émission par la tranche, alors qu’il semble plutôt s’agir d’une nouvelle amélioration des VCSEL, qui atteignent déjà de fortes densités de puissance depuis les années 2000.
• On a l’impression d’être à l’aube de l’ère des pistolets laser.