بھاری گیس لیزرز اور فائبر لیزرز کے مقابلے میں، سیمی کنڈکٹر لیزرز چھوٹے سائز، اعلی توانائی کی کارکردگی، اعلی ہم آہنگی، اور اعلی کنٹرولیبلٹی کے فوائد رکھتے ہیں۔ تاہم، لیزر کے پرجوش اخراج پیدا کرنے کے لئے کام کرنے والے مواد کے طور پر سیمی کنڈکٹر مواد کا استعمال، بلکہ اس کے اپنے موروثی نقائص ہیں: غریب درجہ حرارت کی خصوصیات، شور پیدا کرنے کے لئے آسان، آؤٹ پٹ روشنی کی بازی سنگین. ان نقائص کا ایک نتیجہ یہ ہے کہ - موٹے اسٹیل وغیرہ کی صنعتی درجے کی کٹنگ کے لیے چمک کی سطح کو حاصل کرنا مشکل ہے۔
تاہم، نیچر جریدے میں گزشتہ ہفتے شائع ہونے والے ایک تحقیقی نتیجے کی توقع کی جا سکتی ہے کہ اس صورتحال کو توڑ دیا جائے گا، ایک اہم پیش رفت:
یہ اطلاع دی جاتی ہے کہ جاپان کی کیوٹو یونیورسٹی کے محققین کے ایک گروپ نے، جس کی قیادت IEEE فیلو سوسومو نودا کر رہے ہیں، نے فوٹوونک کرسٹل سرفیس ایمیٹنگ لیزرز (PCSELs) کے ڈھانچے کو تبدیل کرکے سیمی کنڈکٹر لیزرز کی چمک کی حدوں پر قابو پانے کے لیے ایک بڑا قدم اٹھایا ہے۔
فوٹوونک کرسٹل ایک سیمی کنڈکٹر شیٹ میں سوراخ شدہ باقاعدہ، نانوسکل انفلٹیبل سوراخوں پر مشتمل ہوتے ہیں۔ فوٹوونک کرسٹل لیزرز ہائی برائٹنیس لیزرز کے میدان میں "ممکنہ کھلاڑیوں" میں سے ایک ہیں، لیکن اب تک، انجینئرز انہیں اس قابل نہیں بنا سکے ہیں کہ وہ دھات کی اصل کٹنگ اور پروسیسنگ کے لیے استعمال ہونے کے لیے کافی روشن بیم فراہم کر سکیں۔ محققین سیمی کنڈکٹر لیزرز کی کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے کام کر رہے ہیں، جس میں پاور کنورژن کی کارکردگی، آؤٹ پٹ پاور، بیم کوالٹی، لیزر انرجی لیول، سپیکٹرل خصوصیات، سائز، مضبوطی سے ناپسندیدہ شور اور تھرمل مینجمنٹ، وشوسنییتا وغیرہ شامل ہیں۔ (نوٹ: چمک ایک ہے لیزر آؤٹ پٹ پاور اور بیم کے معیار کا پیمانہ، جس میں روشنی کی شہتیر کے فوکس اور ڈائیورجن کی ڈگری شامل ہوتی ہے۔
ماہر تعلیم Susumu Noda کی زیر قیادت مذکورہ بالا تحقیقی ٹیم نے PCSEL کی ترقی میں 20 سال سے زیادہ تحقیقی تجربہ جمع کیا ہے۔ ٹھوس نتائج کے لحاظ سے: وہ 3 ملی میٹر کے قطر کے ساتھ ایک لیزر تیار کرنے کے قابل تھے، جو کہ 1 ملی میٹر کے قطر والے پچھلے PCSEL آلات کے مقابلے میں رقبہ میں 10-گنا اضافہ ہے۔ اس اختراعی لیزر کی آؤٹ پٹ پاور 50W ہے، جو کہ 1mm PCSELs کی 5-10W آؤٹ پٹ پاور کے مقابلے میں ایک نمایاں اضافہ ہے۔ اس نئے لیزر کی چمک تقریباً 1GW/cm2/str ہے، جو اس وقت گیس اور فائبر لیزرز کے زیر تسلط ایپلی کیشنز کی ایک رینج کے لیے کافی ہے، جیسے الیکٹرانکس اور آٹوموٹیو صنعتوں میں پریزین سمارٹ مینوفیکچرنگ۔ یہ اعلی چمک کی سطح زیادہ مخصوص ایپلی کیشنز جیسے سیٹلائٹ مواصلات اور سیٹلائٹ پروپلشن کے لیے بھی کافی ہے۔
فوٹوونک کرسٹل لیزرز کے سائز اور چمک کو بڑھانے میں، کئی چیلنجوں کا سامنا کرنا پڑتا ہے۔ خاص طور پر، سیمی کنڈکٹر لیزرز کو رکاوٹوں کا سامنا کرنا پڑتا ہے جب ان کے اخراج کے علاقے کو بڑھایا جاتا ہے: ایک وسیع لیزر ایریا کا مطلب یہ ہے کہ اخراج کی سمت اور پس منظر میں روشنی کے مسلسل دولن کی گنجائش ہے، اور یہ پس منظر کے دوغلے (جنہیں ہائیر آرڈر موڈز/ہائر آرڈر موڈز کہا جاتا ہے) ) عین مطابق بیم کے معیار کو تباہ. اس کے علاوہ، اگر لیزر مسلسل آپریشن سے گزرتا ہے، تو لیزر کے اندر کی حرارت آلے کے ریفریکٹیو انڈیکس کو تبدیل کر دیتی ہے، جس سے شہتیر کا معیار مزید خراب ہو جاتا ہے۔
Susumu Noda کی ریسرچ ٹیم کی طرف سے لایا گیا اہم پیش رفت یہ ہے کہ انہوں نے لیزر میں فوٹوونک کرسٹل کو سرایت کیا ہے اور اندرونی عکاسی پرت میں ترمیم کی ہے تاکہ ایک بڑے علاقے پر سنگل موڈ دولن کو فعال کیا جا سکے اور تھرمل نقصان کی تلافی کی جا سکے۔ یہ دو تبدیلیاں PCSEL کو مسلسل آپریشن کے دوران بھی اعلی بیم کوالٹی برقرار رکھنے کی اجازت دیتی ہیں۔
فوٹوونک کرسٹل کو سرایت کرنے کے لیے، ٹیم نے کرسٹل پرت میں سوراخوں کا ایک نمونہ ڈیزائن کیا جو روشنی کو موثر طریقے سے ہٹاتا ہے، جس کے نتیجے میں بہت کم انحراف کے ساتھ بیم بنتا ہے۔ انہوں نے فوٹوونک کرسٹل بنانے کے لیے نینو پرنٹ لتھوگرافی کا استعمال کیا، اس طرح پیداوار میں تیزی آئی۔
ایک عام فوٹوونک کرسٹل لیزر میں، یہ گہا، جو ارد گرد کے سیمی کنڈکٹر سے مختلف اضطراری اشاریہ رکھتی ہیں، عین مطابق انداز میں لیزر کے اندر روشنی کو منحرف کرتی ہیں۔ اور Susumu Noda کی تحقیقی ٹیم نے کرسٹل میں سوراخوں کا نمونہ ڈیزائن کیا تاکہ روشنی کو سرکلر اور بیضوی سوراخوں کے ایک سیٹ سے ہٹایا جائے جو لیزر طول موج کا ایک چوتھائی ایک دوسرے سے دور رہتے ہیں۔ آخر کار، یہ انحراف اعلیٰ ترتیب کے نمونوں میں نقصان کا باعث بنتے ہیں، جس کے نتیجے میں ایک اعلیٰ معیار کی بیم ہوتی ہے جس میں تقریباً کوئی اختلاف نہیں ہوتا ہے۔
یہ تصور 1 ملی میٹر لیزر کے لیے کافی اچھا ہے، لیکن اسے 3 ملی میٹر کے علاقے تک پھیلانے کے لیے مزید جدت کی ضرورت ہے۔ ایک بڑے علاقے پر سنگل موڈ دولن حاصل کرنے کے لیے، محققین نے لیزر کے نچلے حصے میں ریفلیکٹر کی پوزیشن کو ایڈجسٹ کیا، جس کی وجہ سے عمودی سمت میں زیادہ ناپسندیدہ موڈ کا نقصان ہوا۔
آخر میں، سوسومو نوڈا کی تحقیقی ٹیم نے آلے کے اضطراری انڈیکس میں حرارت کو تبدیل کرنے اور شہتیر کے مختلف ہونے کا سبب بننے کے مسئلے پر بھی توجہ دی۔ انہوں نے فوٹوونک کرسٹل میں گیس کے سوراخوں کی مدت کو تھوڑا سا تبدیل کرکے اس مسئلے کو حل کیا تاکہ جب لیزر پوری طاقت پر ہو تو وہ صحیح جگہ پر ہوں۔
ان کی ٹیم نے کیوٹو یونیورسٹی میں سنٹر آف ایکسی لینس فار فوٹوونک کرسٹل سرفیس ایمٹنگ لیزرز قائم کیا ہے، جو 1،000m2 کے رقبے پر محیط ہے، اور 85 سے زیادہ کمپنیاں اور تحقیقی ادارے PCSEL ٹیکنالوجی کی ترقی میں شامل ہیں۔ ٹیم بڑے پیمانے پر پیداوار کے لیے اپنے PCSEL ڈیزائن کو صنعتی بنا رہی ہے۔
اس عمل کے حصے کے طور پر، انہوں نے فوٹوونک کرسٹل کے لیے الیکٹران بیم لتھوگرافی سے فوٹوونک کرسٹل کے لیے نینو امپرنٹ لتھوگرافی میں تبدیلی مکمل کر لی ہے۔ الیکٹران بیم لیتھوگرافی بہت درست ہے، لیکن عام طور پر بڑے پیمانے پر پیداوار کے لیے بہت سست ہے۔ نینو پرنٹ لیتھوگرافی، جو بنیادی طور پر ایک پیٹرن کو سیمی کنڈکٹر پر مہر لگاتی ہے، بہت باقاعدہ پیٹرن تیزی سے بنانے کے لیے قابل قدر ہے۔
نوڈا نے وضاحت کی کہ مستقبل میں ٹیم لیزر کے قطر کو 3 ملی میٹر سے 10 ملی میٹر تک بڑھا دے گی، ایک ایسا سائز جو 1 کلو واٹ آؤٹ پٹ پاور پیدا کر سکتا ہے، حالانکہ یہ ہدف 3 ملی میٹر پی سی ایس ای ایل کے استعمال سے بھی حاصل کیا جا سکتا ہے۔ وہ توقع کرتا ہے کہ 3 ملی میٹر ڈیوائس جیسی ٹیکنالوجی کو 10 ملی میٹر تک پیمانہ کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے (جس سے 1 کلو واٹ بیم پیدا ہونے کی امید ہے)، اور اسی ڈیزائن کا استعمال کافی ہوگا۔
