Towards Single-Mode Continuous-Wave InP Based Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers at 2 µm
यह शोध पत्र 2 µm निरंतर-तरंग संचालन के लिए InP-आधारित फोटोनिक-क्रिस्टल सतह-उत्सर्जक लेजर का प्रस्ताव और अनुकूलन करता है, सामग्री मंच को न्यायसंगत ठहराता है, साइडवॉल रिग्रोथ प्रोफाइल का विश्लेषण करता है, और इस तरंगदैर्ध्य पर उच्च-शक्ति वाले एज-एमिटिंग लेजर का प्रदर्शन करता है।
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प्रकाश दुनिया को देखने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, लेकिन सभी प्रकाश समान नहीं होते। दशकों से, वैज्ञानिक ऐसे लेजर इंजीनियर करते आए हैं जो विशिष्ट रंगों, या तरंग दैर्ध्य (wavelengths) में प्रकाश की किरणें छोड़ते हैं, ताकि बारकोड पढ़ने से लेकर स्वायत्त वाहनों (autonomous vehicles) को निर्देशित करने जैसे कार्यों को अंजाम दिया जा सके। अधिकांश सामान्य लेजर निकट-अवरक्त (near-infrared) रेंज में काम करते हैं, जो मानव आंख द्वारा देखे जाने वाले स्तर से ठीक परे प्रकाश की एक पट्टी है। हालांकि, स्पेक्ट्रम में एक अलग क्षेत्र है, जो दो से ढाई माइक्रोमीटर तक फैला हुआ है, जो अद्वितीय लाभ प्रदान करता है। यह सीमा, जिसे विस्तारित लघु तरंग अवरक्त (extended shortwave infrared) के रूप में जाना जाता है, वायुमंडल के माध्यम से उल्लेखनीय स्पष्टता के साथ गुजरती है, जो इसे लंबी दूरी के संवेदन और संचार के लिए आदर्श बनाती है। महत्वपूर्ण रूप से, प्रकाश का यह विशिष्ट रंग मानव आंखों के लिए भी सुरक्षित है क्योंकि आंख के आंतरिक तरल पदार्थ इसे संवेदनशील रेटिना तक पहुँचने से पहले ही अवशोषित कर लेते हैं। इन लाभों का लाभ उठाने के लिए, शोधकर्ताओं को ऐसे लेजर की आवश्यकता है जो न केवल शक्तिशाली हों बल्कि प्रकाश का एक एकल, शुद्ध रंग उत्सर्जित करें बिना एक बिखरी हुई किरण के।
द ओहायो स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने, एयर फोर्स रिसर्च लैबोरेटरी और राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं के सहयोगियों के साथ मिलकर, इन विशेष लेजरों को बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उनका कार्य एक नए प्रकार के लेजर डिजाइन पर केंद्रित है जिसे फोटोनिक-क्रिस्टल सरफेस-एमिटिंग लेजर (photonic-crystal surface-emitting laser) कहा जाता है। पारंपरिक लेजरों के विपरीत, जो प्रकाश को किनारे से या ऊपर से इस तरह छोड़ते हैं जिससे अक्सर एक चौड़ी, फैलती हुई किरण बनती है, ये उपकरण अर्धचालक (semiconductor) सामग्री में उकेरे गए छिद्रों के एक सूक्ष्म ग्रिड का उपयोग करते हैं। यह ग्रिड एक दर्पण की तरह कार्य करता है जो प्रकाश को एक ही दिशा में यात्रा करने और सतह से सीधे ऊपर की ओर उत्सर्जित होने के लिए मजबूर करता है, जिससे एक सटीक, उच्च-गुणवत्ता वाली किरण बनती है। हालांकि छोटे तरंग दैर्ध्य के लिए ऐसे समान उपकरण बनाए गए हैं, शोधकर्ताओं ने कठिन दो-माइक्रोमीटर सीमा पर अपना ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने इन लेजरों को इंडियम फॉस्फाइड नामक सामग्री का उपयोग करके बनाने का निर्णय लिया, एक ऐसा विकल्प जिसके लिए उन्हें यह सिद्ध करना था कि यह अधिक सामान्य गैलियम एंटीमोनाइड सामग्री की तुलना में उतना ही अच्छा या उससे बेहतर प्रदर्शन कर सकता है, जिसका उपयोग पिछले प्रयासों में किया गया था।
यात्रा दो सामग्री विकल्पों के सावधानीपूर्वक तुलना के साथ शुरू हुई। शोधकर्ताओं ने उन्नत कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके यह सिम्युलेट किया कि इंडियम फॉस्फाइड या गैलियम एंटीमोनाइड से बने लेजर के भीतर प्रकाश कैसे व्यवहार करेगा। उन्होंने पाया कि जबकि गैलियम एंटीमोनाइड कम शक्ति स्तरों पर थोड़ा अधिक शक्तिशाली प्रकाश उत्पन्न करता है, इंडियम फॉस्फाइड को एक स्पष्ट लाभ प्रदान करता है जब लेजर को अधिक जोर से चलाया जाता है। जैसे-जैसे विद्युत प्रवाह बढ़ता है, इंडियम फॉस्फाइड डिजाइन लक्षित दो-माइक्रोमीटर तरंग दैर्ध्य पर अपना ध्यान बनाए रखता है, जबकि दूसरी सामग्री अपना रंग बदलने लगती है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने लेजर के माध्यम से गर्मी कैसे चलती है, इसकी गणना करने के लिए अलग-अलग सिमुलेशन किए। उन्होंने पाया कि जबकि इंडियम फॉस्फाइड संरचना अपने प्रतिस्पर्धी की तुलना में अपने आंतरिक परतों के माध्यम से गर्मी को अधिक कुशलता से संचालित करती है—क्योंकि इंडियम फॉस्फाइड क्लैडिंग की तापीय चालकता (thermal conductivity) गैलियम एंटीमोनाइड के 32 W/(m·K) की तुलना में 68 W/(m·K) है—लेकर डिवाइस में समग्र तापमान वृद्धि मुख्य रूप से पैकेजिंग और उस इंटरफेस द्वारा निर्धारित होती है जहाँ लेजर को माउंट किया जाता है, न कि स्वयं अर्धचालक परतों द्वारा। फलस्वरूप, गैलियम एंटीमोनाइड डिवाइस में उच्च पावर लोड पर 7.9°C तक का अंतर देखते हुए थोड़ा अधिक जंक्शन तापमान देखा गया, लेकिन दोनों प्लेटफार्मों के लिए थर्मल प्रबंधन की चुनौती सामग्री के चुनाव के बजाय मुख्य रूप से माउंटिंग इंटरफेस द्वारा नियंत्रित होती है।
सामग्री के चयन की पुष्टि के बाद, टीम ने लेजर के भौतिक डिजाइन की ओर रुख किया। उन्होंने अर्धचालक की एक पतली परत में एक वर्गाकार ग्रिड के रूप में व्यवस्थित हवा के छिद्रों का एक सूक्ष्म पैटर्न बनाया। इन छिद्रों के आकार और अंतराल की गणना ठीक दो माइक्रोमीटर पर प्रकाश के साथ अनुनाद (resonate) करने के लिए की गई थी। इन उपकरणों के निर्माण में एक प्रमुख चुनौती अर्धचालक सामग्री को उकेरे गए छिद्रों के ऊपर पुन: उगाना (regrowing) है। यदि सामग्री छिद्रों को पूरी तरह से नहीं भरती है, तो लेजर का प्रदर्शन प्रभावित होता है। शोधकर्ताओं ने दो परिदृश्यों का मॉडल तैयार किया: एक जहाँ छिद्रों को पूरी तरह से ऊर्ध्वाधर दीवारों के साथ भरा गया था, और दूसरा जहाँ दीवारें थोड़ी ढलान वाली थीं, जो एक उल्टे आंसू की बूंद (inverted teardrop) के आकार जैसी दिखती हैं, जो वास्तव में निर्माण प्रक्रिया के दौरान होता है। उनके सिमुलेशन ने दिखाया कि इन वास्तविक, थोड़ी ढलान वाली दीवारों के साथ भी, लेजर सही ढंग से कार्य करेगा, क्योंकि प्रकाश स्वाभाविक रूप से उत्सर्जित होने के लिए सबसे मजबूत, सबसे स्थिर मोड का चयन करता है। इसने उन्हें विश्वास दिलाया कि डिजाइन वास्तविक निर्माण के लिए पर्याप्त मजबूत है।
अपने डिजाइन को सिद्ध करने के लिए, टीम ने उसी इंडियम फॉस्फाइड सामग्री और सक्रिय क्षेत्र का उपयोग करके मानक एज-एमिटिंग लेजर बनाए और उनका परीक्षण किया, जिसे वे अंतिम सरफेस-एमिटिंग डिवाइस के लिए उपयोग करने की योजना बना रहे थे। ये परीक्षण लेजर अंतिम उत्पाद नहीं थे बल्कि एक महत्वपूर्ण 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' के रूप में कार्य कर रहे थे। चालू होने पर, इन उपकरणों ने सफलतापूर्वक 2061 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश उत्सर्जित किया, जिससे पुष्टि हुई कि सामग्री वास्तव में वांछित रंग उत्पन्न कर सकती है। ये लेजर बिना किसी व्यवधान के निरंतर रूप से संचालित हुए, जो किसी भी अर्धचालक उपकरण के लिए एक कठिन परीक्षण है। कमरे के तापमान पर, उन्होंने 42.5 मिलीवाट की स्थिर आउटपुट शक्ति उत्पन्न की। जैसे-जैसे तापमान बढ़ा, लेजर स्थिर रहे, हालांकि उनकी दक्षता में थोड़ी गिरावट आई, जो इस प्रकार की तकनीक के लिए एक सामान्य व्यवहार है। टीम ने तापमान बदलने के साथ लेजर के रंग में आए बदलाव को भी मापा, जिससे एक अनुमानित संबंध मिला जिसने उन्हें डिवाइस के थर्मल रेजिस्टेंस (ऊष्मीय प्रतिरोध) की गणना करने की अनुमति दी, जो इस बात का माप है कि यह गर्मी को कितनी अच्छी तरह से संभाल सकता है।
इस कार्य के परिणाम दो-माइक्रोमीटर लेजर के भविष्य के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करते हैं। यह प्रदर्शित करके कि इंडियम फॉस्फाइड इस तरंग दैर्ध्य पर उच्च-शक्ति, निरंतर-तरंग संचालन का समर्थन कर सकता है, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी सामग्री मंच को मान्य किया है जो विकल्पों की तुलना में निर्माण में आसान है और अनुकूल तापीय गुण प्रदान करती है। उन्होंने दिखाया है कि सतह-उत्सर्जक लेजर बनाने के लिए आवश्यक सूक्ष्म इंजीनियरिंग, निर्माण प्रक्रिया में निहित खामियों के बावजूद, व्यवहार्य है। हालांकि टीम ने अभी तक दो माइक्रोमीटर पर अंतिम सिंगल-मोड सरफेस-एमिटिंग लेजर नहीं बनाया है, लेकिन घटक के सफल परीक्षण और सिमुलेशन एवं प्रारंभिक प्रयोगों के माध्यम से डिजाइन का गहन सत्यापन यह सुझाव देता है कि ऐसा उपकरण पहुंच के भीतर है। यह प्रगति वैज्ञानिक समुदाय को चुनौतीपूर्ण लेकिन अत्यधिक उपयोगी विस्तारित लघु तरंग अवरक्त स्पेक्ट्रम में काम करने में सक्षम, कॉम्पैक्ट, शक्तिशाली और आंखों के लिए सुरक्षित प्रकाश स्रोतों के करीब लाती है।
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