- Kyoto UniversityチームのPCSELは、半導体レーザーの低輝度という限界を超え、3mmサイズでガス・ファイバーレーザー級の輝度を実現し、鋼の切断まで実証したフォトニック結晶面発光レーザーである
- 性能の中核は半導体内部のフォトニック結晶層にあり、ナノメートルサイズの穴の配列が光を2次元の定在波として閉じ込め、基本モードだけを増幅して強く細いビームを作る
- 2023年のPCSELは1GW/cm²/srの輝度、50Wの連続出力、3mmの射出径、1/20度のビーム発散で、厚さ100μmの金属板を切断した
- 自動車部品製造のような産業加工にはキロワット級出力が必要であり、3mm PCSELを9個並べたアレイや、射出領域を1cmまで拡大することが次の課題として残っている
- 高輝度PCSELは製造分野だけでなく、小型lidar、オンチップビームステアリング、EUVリソグラフィ、核融合、光推進宇宙飛行まで視野に入れているが、より高い出力・効率・熱管理が必要となる
Society 5.0が求めるレーザー
- 日本政府が2016年に打ち出したSociety 5.0構想には、オンデマンド製造、ロボット介護、自動運転タクシーやトラクターのような技術が含まれる
- この環境で使われるレーザーは、日常的な機器に組み込めるほど小型で低コストである必要があり、製造が簡単でエネルギー効率が高く、大量カスタマイズに合わせて精密に制御できなければならない
- 半導体レーザーはサイズとコストの面で有利だが、輝度が低いという大きな制約がある
- レーザー輝度は、単位面積・単位立体角あたりの光出力として定義される
- 切断・溶接・穴あけのような材料加工には、おおむね1GW/cm²/sr級が必要となる
- 市販の半導体レーザーの輝度はこの水準を大きく下回る
- lidarでも輝度はコストと性能を左右する
- 長距離または高速で高精度測定を行うには、ビームを狭く集光する必要がある
- 現在の高性能lidarは、100個を超える半導体レーザーと手作業で配置されたレンズ構成を使うため高コストになる
既存レーザーと半導体レーザーのボトルネック
- CO₂レーザーとファイバーレーザーは産業用途で超高輝度ビームを出せるが、半導体レーザーより大きく高価で、エネルギー効率が低く制御も難しい
- 高出力CO₂レーザーは冷蔵庫ほどの大きさになることもある
- 従来の半導体レーザーは通常、活性層の細いストライプに沿って光を増幅し、ビームはチップ前方の端面から出る
- 出力を上げるには射出領域を広げる必要があるが、広くなったストライプでは光がジグザグ経路で振動する高次横モードが生じる
- 高次モードはビームをまだらで拡散したものにしてしまう
- 従来型半導体レーザーの輝度はおよそ100MW/cm²/sr程度で限界に達する
フォトニック結晶でビームを絞る仕組み
- PCSELは一般的な半導体レーザーと同様に活性層とクラッド層を持つが、内部にナノメートルサイズの穴が2次元に配列したフォトニック結晶層を追加している
- フォトニック結晶は、半導体が電子の流れを制御するように光の流れを制御する
- 穴、立方体、柱のような構造が、光の波長スケールで周期的に配置される
- 屈折率が周期的に変化することで、特定の波長と方向の光が反射・干渉する
- PCSELの基本的なフォトニック結晶は2次元の正方格子である
- たとえば940nmで動作するガリウムヒ素レーザーでは、内部波長は約280nmになる
- 基本的なガリウムヒ素PCSELでは、穴の間隔を約280nmに合わせる
- 穴の配列は小さな鏡のように光を後方や横方向へ曲げ、複数の回折が組み合わさって2次元の定在波を形成する
- 活性層はこの定在波を増幅する
- 一部の光は上下方向に回折し、チップ表面から単一波長ビームとして放射される
- PCSELは従来のedge-emittingレーザーと異なり表面から発光し、射出領域が広く概ね円形のため、発散角の小さい高品質ビームを作れる
輝度を高めた世代別設計
- 1998年にKyoto Universityチームは最初のPCSELを作り、その後も高輝度動作に向けた設計を継続的に改良してきた
- 2014年には、三角形の穴を持つ正方格子を使うPCSELを報告した
- 射出領域は200×200μm
- 連続動作で約1W出力
- ビーム発散角は約2度
- 従来の半導体レーザーで一般的な30度以上の発散よりはるかに狭い
- 単一格子設計では約200μmを超えると高次横モードが現れる
- 基本モードでは光強度が中心に集中する
- 高次モードでは2つ、3つ、4つ以上の強度ピークが生じる
- 小さな射出領域では高次モードのピークが端にあるため、光は側面へ漏れて発振しない
- 射出領域が大きくなると、高次モードが発振できる空間が生まれる
- 研究チームはこれを防ぐため二重格子を導入した
- 円形の穴を持つ正方格子を、楕円形の穴を持つ第2の正方格子から1/4波長だけずらして配置した
- 回折した光の一部が相殺干渉を起こし、高次モードの強度ピークを弱めて分散させる
- 二重格子で作製した直径1mmのPCSELは、連続動作で10Wのビームを出す
- 発散角は0.1度
- 従来型半導体レーザーで可能な輝度より3倍以上明るい
- 同サイズの従来レーザーと異なり、単一モードで発振する
3mm PCSELによる鋼切断
- さらに大きな直径では、二重格子だけでは高次モードを十分に抑制しにくい
- 研究チームは、高次モードがレーザーからわずかに斜めに抜け出す点に着目して背面反射鏡を調整した
- 前世代では、背面反射鏡は下向きに回折した光を上側の射出面へ戻す役割だけを持っていた
- 反射鏡の位置とフォトニック結晶の穴の間隔・形状を調整し、逃げる光がフォトニック結晶層の2次元定在波と干渉するようにした
- 斜めに出ていく波ほどより多くのエネルギーを失い、高次モードが選択的に遮断される
- 2023年に開発されたPCSELは、ガス・ファイバーレーザーに匹敵する1GW/cm²/srの輝度に到達した
- 射出径は3mm
- 連続出力は最大50W
- ビーム発散角は1/20度
- この装置は厚さ100μmの金属板から円板を切り出し、鋼の切断を実証した
キロワット級産業応用に向けた課題
- 鋼切断の実証は印象的だが、産業市場で競争するにはさらに高い出力が必要になる
- 自動車部品の製造には、おおよそキロワット級の光出力が必要である
- キロワット級PCSELには2つのアプローチが考えられる
- 3mm PCSELを9個並べてアレイ化する
- 現在の装置の射出領域を1cmへ拡大する
- 1cmサイズでは高次モードが再び現れ、ビーム品質を低下させる可能性がある
- それでも高出力ガス・ファイバーレーザーに近い輝度を出せるため、より大型の既存レーザーの一部を置き換えられる可能性がある
- 1cm PCSELが実際に変化をもたらすには、高次モード抑制が必要になる
- 研究チームは、フォトニック結晶構造と反射鏡位置を微調整する方法を考案している
- まだ実験室で試験されていないが、理論モデルでは10~100GW/cm²/srの輝度が見込まれている
効率と熱管理
- 高出力用途ではエネルギー効率と熱管理が性能と同じくらい重要である
- 最適化前のPCSELでもwall-plug効率はすでに**30~40%**ある
- これは大半のCO₂レーザーやファイバーレーザーより高い
- 研究チームは効率を**60%**まで高められる道筋を見いだしている
- 現在研究室で使っている水冷技術は、1,000W・1cm PCSELにも十分対応できると見られている
lidarとオンチップビームステアリング
- 高輝度PCSELは、自動運転車やロボット向けセンサーシステムをより小型で低コストにする用途にも使える
- 最近製作されたlidarシステムは500μm PCSELを使用している
- パルス動作で約20Wで駆動される
- 30m先でもスポットサイズは5cmにとどまる
- 外部レンズなしの小型lidarシステムとしては異例の解像度である
- プロトタイプはウェブカメラ程度の大きさで、ロボットカートに搭載され、工学系の建物内で人と互いに追従するようプログラムされた
- 別の研究では、PCSELが複数のビームを出し、それぞれを異なる方向へ電子的に向けられることも示された
- フォトニック結晶層の穴の位置とサイズを変えてオンチップビームステアリングを実現する
- 最終的にはlidarの機械式ビームステアリングを置き換えられる可能性がある
- 光検出器まで同じチップに統合できれば、完全電子式ナビゲーションシステムを非常に小型かつ低コストで実現できる
EUV、核融合、光推進までの長期目標
- 長期的には、3cmレーザーで10kW超の出力と最大1,000GW/cm²/srの輝度を目標としている
- この水準は、現在存在するどのレーザーよりも明るいレベルである
- 極高輝度PCSELは、EUVリソグラフィ装置でプラズマパルスを生成する大型・高出力CO₂レーザーを置き換え、チップ製造効率を高められる可能性がある
- 核融合への応用可能性もある
- 核融合では、エンドウ豆サイズの燃料カプセルに数兆ワット級のレーザー出力を照射する工程が含まれる
- 光推進宇宙飛行も有力な応用先である
- 光で加速された探査機は、遠方の恒星まで数千年ではなく数十年で到達できる可能性がある
1件のコメント
Hacker Newsの意見
記事は、より強力で小型のレーザーが産業にもたらす影響をうまく捉えていたが、PCSELが小規模な作業場の市場にまで降りてくることにも期待したくなる。
家や小さな工房で金属を切断できる安価なレーザーがあれば本当に便利そうだ。もちろんレーザーだけに、何気に危険でもある
レーザーは金属を溶かすだけで、切断の隙間から除去してはくれず、一部の金属は通常の空気中で反応して放射光学系のほうへ跳ね上がることがある。だから切断部に圧力ガスを吹き込んで取り除く必要がある。
薄い材料や一部の金属なら、非常にきれいで乾燥した圧縮空気を大量に吹き込むだけでも十分だが、ほかの場合は特定の反応性・不活性ガス、あるいは混合ガスが必要になる。プラズマ切断は通常、空気で切断部を吹き飛ばし、酸素切断は過剰な酸素で反応させて吹き飛ばす。
レーザーは切断幅が極端に狭いためさらに厄介で、だから消耗品コストが意外と大きくなりうる。より強いレーザーでは、弱い真空中で光学装置を動かさなければならないこともある。塵や空気そのものが作るプラズマが高価な部品を削ってしまうからだ。
副産物も問題だ。有機物は、吸い込んだり近隣の地上に排出したりするには好ましくない、さまざまな有機物めいた物質へと分解されるし、金属切断の副産物も十分な頻度で清掃しないと微細粉末が臨界量に達してかなり危険になりうる。鉄やアルミニウムの火災はレーザーを壊し、鉄とアルミニウムが一緒に燃えると、レーザーだけでなく支持台やその下のコンクリートまで損傷させうる
こういう装置は直接見ず、カメラだけを使って扱うべきだと思う
これを水素-ホウ素の無中性子核融合と組み合わせれば、熱機関なしで電気を直接作れるようになるかもしれない。
まだ数年先の話だが、前進できる道筋の一つを示している
記事では10kW、つまり10^4Wを計画しているというが、ペタワットは10^15Wなので、計算上0が11個さらに必要だ。少し時間がかかりそうだ。
この夏に核融合-発電装置を動かすと言っているHelionのほうが先に到達するかもしれない
「Society 5.0では受注生産品が可能になる」というくだりは、The Peripheralのファンを思い出させる。
冗談はさておき、この構想のボトルネックは高出力LED照明と同じく冷却だ。何かを冷やすには、依然としてかなり大きなハードウェアが必要になる
記事はPCSELを端面放出レーザーと比較していて混乱を招く。
実際には、世紀の変わり目あたりから高い出力密度を出していたVCSELの新しい改良型のように見える
この表面放出の特性によって、複数のチップを位相固定しやすくなるのか気になる。
大きな開口や長距離電力伝送にとても有用かもしれない。
高効率・大口径レーザーの応用の一つは、長距離航空機への電力供給だ。途中経路の地上局や宇宙のレーザー基地からビームで電力を送れば、燃料を完全になくすことができ、理論上は無制限の航続距離が可能になる
ウェハー規模の位相固定放出器アレイを作り、各放出器を減衰させたり位相シフトできるように重ねれば、まずまずの単色ホログラフィックディスプレイになる。各放出器の発散角が大きいと仮定すれば
では、安価な家庭用レーザーカッターが木材、革、プラスチックだけでなく金属も切れるようになるのだろうか?
最新のASML装置が、紫外線レーザーの角度と回折格子を調整してクリーンで小さな2Dパターンを作ることを思い出した。
このスケールで光の相互作用をモデル化するのがどれほど難しいのか気になる。著者たちがスケーリング問題のモデリング解法を見つけるには何が必要なのだろう? 光物理学の博士一人で可能な仕事なのか、それとも企業と人々が何十年もチーム単位で専門性を積み上げる必要がある類いのものなのか知りたい。
ASMLはマスクとの単一波の回折相互作用だけを解けばよいように見えるが、定在波や高次モードをモデル化するには、はるかに多くの数学が必要そうだ。各相互作用の解が確率的なら実現可能なのかも疑問だ。
実際の解法は、作れる半導体構造、たとえば穴のような特徴の種類によって大半が制限されるのかも気になる
これを3Dプリンティングに使えるだろうか?
レーザーアレイの各レーザーがピクセルのように動作し、粉末層を移動させながら3Dを作る方式のことだ。この構造は現在の3Dプリンターより速くなりうるだろうか?
後者は着色剤を加えればフルカラーの3Dプラスチック出力も可能だ。
検索語は「Laser powder bed fusion」。下で指摘されている商標名の「Direct Metal Laser Sintering」とは区別される。
https://www.3dsourced.com/guides/direct-metal-laser-sinterin...
ただし、光源が速度にどの程度影響するのか、あるいは改善できるのかはよく分からない
誰かがこういうレーザーを持って人を真っ二つにすることまで可能になるのだろうか?
産業利用に焦点が当たっているが、デュアルユース技術のように見えるので、規制が必要に思える
Society 5.0に関するこの記事にはレーザーが出てこない。なぜ超高出力レーザーがこの未来計画でそれほど重要なのか、分かる人はいるだろうか?
https://www8.cao.go.jp/cstp/english/society5_0/index.html
https://www8.cao.go.jp/cstp/kihonkeikaku/5basicplan_en.pdf
その文書には、この計画の優先分野としてロボティクス、センサー、アクチュエーター、バイオテクノロジー、ヒューマンインターフェース、素材・ナノテクノロジー、光・量子技術などが挙げられている。少し想像力を働かせれば、安価で強力で小型のレーザーがそれぞれにどう役立つか思い描ける。
もっとありふれた話としては、研究者たちが研究費を正当化するため、その時々の政治的優先事項に成果を結びつけようとしている可能性が高い