चिप-स्केल LiDAR: छोटा, सस्ता LiNbO3 पॉकेल्स लेज़र के माध्यम से

सटीक लेज़र कैसे आधुनिक LiDAR को शक्ति प्रदान करते हैं

लेज़र एक कम सराही गई बुनियादी तकनीक है जो आधुनिक दुनिया को समर्थन देती है। इन्हें अर्धचालक निर्माण, फाइबर ऑप्टिक टेलीकम्यूनिकेशन, नक्काशी और प्रिंटिंग, ऑप्टिकल डिस्क, सर्जरी, मापन, सैन्य प्रणालियों, एयरोस्पेस आदि में उपयोग किया जाता है।

लेज़रों का एक हालिया उभरता अनुप्रयोग LiDAR (Light Detection and Ranging) है, या “लेज़र रडार”, एक विधि जो लेज़र का उपयोग करके वस्तु से दूरी को सटीकता से मापती है।

LiDAR को लगभग सभी स्व-चालित कंपनियों द्वारा अपने स्वायत्त वाहनों को शक्ति देने के लिए उपयोग किया जाता है, जो स्व-चालित कारों के ऊपर बड़े उपकरण बनाते हैं।

स्रोत: SFGate

LiDAR की समस्या यह है कि यह काफी बड़े आकार का और महंगा है, जिससे बड़े पैमाने पर तैनाती आर्थिक नहीं रहती। यह बहुत नाजुक भी है, जिससे दीर्घकालिक लागत और बढ़ जाती है।

यह अभी-अभी बदल सकता है, यूनिवर्सिटी ऑफ़ रोचेस्टर (USA) और यूनिवर्सिटी ऑफ़ कैलिफ़ोर्निया (USA) के शोधकर्ताओं द्वारा विकसित नई लेज़र डिज़ाइन के धन्यवाद। इसने सामान्य सिलिकॉन फोटॉनिक्स से हटकर लिथियम नियोबेट का उपयोग किया।

उन्होंने अपनी खोज को Light Science & Applications¹ में प्रकाशित किया, शीर्षक “Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology” के तहत।

LiDAR को समझना: सिद्धांत और तकनीकें

LiDAR दूरी- मापन मूलभूत

LiDAR का मूल सिद्धांत रडार के काम करने के समान है: एक संकेत उत्सर्जित किया जाता है और वस्तु से टकराकर स्रोत की ओर वापस आता है। संकेत के उत्सर्जन और उसकी वापसी के बीच का समय दूरी बताता है।

अंतर यह है कि LiDAR इन्फ्रारेड या कभी-कभी अल्ट्रावायलेट प्रकाश की अदृश्य किरणों का उपयोग करता है, न कि रेडियो तरंगों का (RADAR में “R” – RAdio Detection And Ranging)

स्रोत: Synopsis

चूँकि प्रकाश अत्यंत तेज़ है, LiDAR को अत्यधिक सटीक लेज़र-तरंग नियंत्रण की आवश्यकता होती है, जिससे प्रणाली की जटिलता, लागत और नाजुकता बढ़ती है।

https://www.synopsys.com/glossary/what-is-lidar.html

Pockels प्रभाव: अल्ट्रा-तेज़ लेज़र ट्यूनिंग को सक्षम बनाना

शोधकर्ताओं ने Pockels प्रभाव का उपयोग करके LiDAR तकनीक को सुधारने की कोशिश की है। यह घटना कुछ पदार्थों में विद्युत क्षेत्र सक्रिय होने पर अपवर्तनांक (प्रकाश को मोड़ने की क्षमता) को बदलती है।

Pockels प्रभाव विशेष क्रिस्टलों जैसे मोनोपोटैशियम फॉस्फेट या इस अध्ययन में उपयोग किए गए लिथियम नियोबेट द्वारा प्रदर्शित होता है, जो लिथियम, नियोबियम और ऑक्सीजन से बना एक सिंथेटिक नमक है।

स्रोत: Sumimoto

इससे शोधकर्ताओं को एक ऐसा लेज़र बनाने में मदद मिली जो बहुत तेज़ गति से—लगभग 10 क्विंटिलियन बार प्रति सेकंड—विस्तृत प्रकाश स्पेक्ट्रम में अपनी रंग को अत्यंत सटीकता से बदल सकता है।

लिथियम नियोबेट का एक सामान्य उपयोग स्मार्टफ़ोन और अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में सतही ध्वनिक तरंगों (SAW) के लिए फ़िल्टर बनाने में होता है, जो शोर और हस्तक्षेप को रोकते हैं, इसलिए यह तकनीक मौजूदा सप्लाई चेन का लाभ उठा सकती है।

चिप-स्केल Pockels LiDAR लेज़र का निर्माण

थिन-फ़िल्म लिथियम नियोबेट: नैनोमीटर-स्केल इंजीनियरिंग

वैज्ञानिकों ने लिथियम नियोबेट की एक थिन-फ़िल्म परत का उपयोग किया, जिसे सिलिकॉन डाइऑक्साइड और सिलिकॉन के सब्सट्रेट पर जमा किया गया और सिलिकॉन ऑक्साइड की परत से संरक्षित किया गया।

स्रोत: Light Science & Applications

उसके बाद उन्होंने सिलिकॉन सुरक्षा परत के विभिन्न संस्करणों का परीक्षण किया, और वह इष्टतम मोटाई पाई जो सबसे नियंत्रित आवृत्ति रेंज उत्पन्न कर सकती है।

स्रोत: Light Science & Applications

परिणामस्वरूप एक छोटा लेज़र मिला, जो कंप्यूटर चिप के आकार का था, और LiDAR अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक नियंत्रित पैरामीटर प्रदान करता है।

“यह एक बहुत महत्वपूर्ण प्रक्रिया है जिसे अत्यधिक सटीकता से समय मापने वाले ऑप्टिकल क्लॉक्स के लिए उपयोग किया जा सकता है, लेकिन इसके लिए बहुत सारे उपकरणों की आवश्यकता होती है। एक सामान्य सेटअप में डेस्कटॉप कंप्यूटर के आकार के उपकरण जैसे कि एक अंतर्निहित लेज़र, एक आइसोलेटर, एक ध्वनिक-ऑप्टिक मोड्यूलेटर, और एक फेज़ मोड्यूलेटर की जरूरत पड़ सकती है।

हमारा लेज़र इन सभी चीज़ों को एक बहुत छोटे चिप में एकीकृत कर सकता है जिसे विद्युत रूप से ट्यून किया जा सकता है।

Shixin Xue – Shixin Xue, एक पीएचडी छात्र Rochester University में 

प्रदर्शन मीट्रिक: फ़्रीक्वेंसी चिर्प और वेग मापन

मापने पर, इस चिप ने ऐसा प्रदर्शन दिखाया जो सभी मौजूदा लेज़रों से कहीं अधिक था।

विशेष रूप से, इसने “फ़्रीक्वेंसी चिर्पिंग रेट” को 20 EHz/s तक प्राप्त किया, साथ ही मोड्यूलेशन बैंडविड्थ 10 GHz से अधिक थी। संदर्भ के लिए, ये संख्याएँ मौजूदा लेज़रों की तुलना में कई क्रमों तक अधिक हैं।

लेज़र चिप 0.4 m की छोटी दूरी पर 40 m/s की वेग मापन तक पहुँच सकती थी, और दृश्य रिज़ॉल्यूशन <2 cm था। यह भी संभव है कि गति मापन 40 m/s से अधिक हो, लेकिन प्रयोगात्मक सेटअप तेज़ परीक्षणों की अनुमति नहीं देता था।

ये छोटे-रेंज प्रदर्शन महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि पारंपरिक LiDAR सिस्टम अक्सर इसे, तेज़ गति वाले वस्तुओं के साथ, संभालने में संघर्ष करते हैं, और यह स्व-चालित तकनीक के लिए बड़ी समस्या है जिसे निकट और तेज़ गति वाले वस्तुओं को स्पष्ट रूप से देखना आवश्यक है।

स्रोत: Light Science & Applications

छोटे आकार के LiDAR का महत्व: लाभ और उपयोग के मामले

अब तक, लेज़र फ़्रीक्वेंसी नियंत्रण का विकास अपेक्षाकृत सीमित रहा है। इससे इन प्रणालियों के आकार, वजन और ऊर्जा खपत के कारण व्यावहारिक तैनाती पर गंभीर प्रतिबंध लगे हैं।

इसलिए स्व-चालित कारें और अन्य स्वायत्त वाहन (जैसे ड्रोन) तथा उपकरण (रोबोटिक्स) इस तकनीक के पहले स्पष्ट संभावित उपयोग हैं। यह क्षेत्र दो मुद्दों से बाधित रहा है: कारों को सुरक्षित रूप से चलाने के लिए पर्याप्त स्मार्ट AI बनाना, और LiDAR की लागत एवं आकार जो AI को पर्यावरण की सटीक दृष्टि प्रदान करने में बाधा बनते हैं। लिथियम नियोबेट फोटॉनिक्स इन दोनों में से दूसरे समस्या को ठीक समय पर हल कर सकता है, जब AI इस काम के लिए पर्याप्त सक्षम हो रहे हैं।

यह अल्ट्रा-प्रेसाइज़ लेज़र माप का एकमात्र अनुप्रयोग नहीं है। उन्नत निर्माण भी निरंतर माप और कैलिब्रेशन के लिए LiDAR का उपयोग करता है। टेलीकम्यूनिकेशन, क्वांटम कम्युनिकेशन, माइक्रोवेव उत्पादन, और सेंसर भी पॉकेट-आकार, कम लागत, और कम ऊर्जा खपत वाले लेज़र माप से लाभान्वित हो सकते हैं। वैज्ञानिक ग्रैविटेशनल वेव, डार्क मैटर अवलोकन, और अन्य उन्नत भौतिकी गणनाओं के लिए भी लेज़र का उपयोग करते हैं। अल्ट्रा-प्रेसाइज़ वेग मीटर (स्पीड मापन) बेहतर इनर्शियल कन्फाइनमेंट न्यूक्लियर फ्यूज़न के विकास में भी महत्वपूर्ण हो सकते हैं, इसलिए यह समग्र वैज्ञानिक प्रगति में भी मदद कर सकता है।

लेज़र तकनीक में निवेश

लेज़र आधुनिक तकनीक के अनगिनत हिस्सों में मौजूद हैं, ऑप्टिकल डिस्क से लेकर सर्जरी उपकरण, 3D प्रिंटिंग, अर्धचालक, निर्माण, और जीनोम सीक्वेंसर तक, एक $17.8B बाजार जो 2030 तक 7.8% CAGR से बढ़ने की उम्मीद है।

आप कई ब्रोकरों के माध्यम से लेज़र-संबंधित कंपनियों में निवेश कर सकते हैं, और यहाँ, securities.io पर, हमने USA, Canada, Australia, UK, और कई अन्य देशों के लिए सर्वश्रेष्ठ ब्रोकरों की सिफ़ारिशें दी हैं।

यदि आप विशिष्ट कंपनियों को चुनने में रुचि नहीं रखते, तो आप iShares U.S. Technology ETF (IYW) या ProShares Nanotechnology ETF (TINY) जैसे तकनीकी ETFs में भी निवेश कर सकते हैं, भले ही अभी कोई विशेष लेज़र‑केवल ETF उपलब्ध नहीं है, जो नैनोटेक और तकनीकी स्टॉक्स में अधिक विविध एक्सपोज़र प्रदान करेगा।

शीर्ष सार्वजनिक लेज़र और फोटॉनिक्स कंपनियां

Coherent (II-VI Marlow): लेज़र नवाचार में एक नेता

Coherent एक बड़ा औद्योगिक समूह है जिसमें 26,000+ कर्मचारी हैं और लेज़र तकनीक में अग्रणी है। यह उन्नत सामग्री II-VI (COHR ) Marlow के साथ लेज़र निर्माता Coherent के विलय से बना है।

यह कंपनी लेज़र, ऑप्टिक्स और फोटॉनिक्स में उपयोग होने वाली उन्नत सामग्रियों जैसे इंडियम फॉस्फाइड, एपिटैक्सियल वेफ़र, और गैलियम आर्सेनाइड में विशेषज्ञ है।

यह मुख्यतः पिछले दशक में कई अधिग्रहणों के कारण बढ़ी, 2013 में $600M राजस्व से 2024 में $4.7B तक।

कंपनी का 29% राजस्व सीधे लेज़रों से आता है, जबकि बाकी ऑप्टिकल फाइबर और इलेक्ट्रॉनिक्स जैसे संबंधित उपकरणों से जुड़ा है। उपकरण वर्ग मुख्यतः जीवन विज्ञान और चिकित्सा अनुप्रयोगों को शामिल करता है।

स्रोत: Coherent

कंपनी की उपस्थिति उन्नत सामग्रियों जैसे थर्मोफोटovoltaics (जिसका हमने पिछले लेख में चर्चा की), सिलिकॉन कार्बाइड, लेज़र, और इलेक्ट्रॉनिक्स में इसे सटीक निर्माण, एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (3D प्रिंटिंग), इलेक्ट्रिफिकेशन, और नवीकरणीय ऊर्जा जैसे संरचनात्मक रुझानों से लाभ मिलता है।

कंपनी ने हाल ही में अपने सिलिकॉन कार्बाइड व्यवसाय को एक नई इकाई में विभाजित किया है, जिसका 75% Coherent के पास है, बाकी भाग समान रूप से उसके साझेदार Mitsubishi Electric (जो सिलिकॉन कार्बाइड पावर IP लाता है) और Denso (जो इलेक्ट्रिफिकेशन और पावर सेमीकंडक्टर्स में ऑटोमोटिव सप्लायर के रूप में अपनी गतिविधि लाता है) के पास है।

यह इसलिए है क्योंकि सिलिकॉन कार्बाइड धीरे-धीरे अपनी स्वयं की तकनीक बन रहा है, मुख्यतः ईवी, बैटरियों, और नवीकरणीय ऊर्जा जैसे उच्च शक्ति अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है।

Coherent LiDAR और 3D-डिजिटल सेंसिंग में एक नेता है, जिसमें स्व-चालित अनुप्रयोग शामिल हैं, बायोटेक नेक्स्ट जेनरेशन सीक्वेंसिंग (NGS) फ्लो सेल्स, और अर्धचालक निर्माण के लिए लेज़र। यह अपने मुख्य बाजारों के 8‑20% की वृद्धि की अपेक्षा करता है।

स्रोत: Coherent

लेज़र के अन्य संभावित नए अनुप्रयोग जैसे डायरेक्ट एनर्जी वेपन्स, फोटॉनिक कंप्यूटिंग, न्यूक्लियर फ्यूज़न, और स्पेसटेक भी कंपनी की दीर्घकालिक वृद्धि को समान रूप से समर्थन दे सकते हैं।

समग्र रूप से, Coherent उन निवेशकों के लिए “शुद्ध‑प्ले” सार्वजनिक रूप से ट्रेडेड लेज़र कंपनी के सबसे निकट है जो इस क्षेत्र में रुचि रखते हैं, जिसमें मजबूत वर्टिकल इंटीग्रेशन और 3,100+ पेटेंट हैं जो उसकी नवाचारों की रक्षा करते हैं।

Coherent पहले से ही बड़े पैमाने पर लिथियम नियोबेट वेफ़र बनाता है, जिससे यह उन कंपनियों में से एक है जो इस लेख में चर्चा किए गए नवाचार को व्यावसायिक चरण में लाने के लिए सबसे बेहतर स्थिति में हैं।

नवीनतम Coherent (COHR) स्टॉक समाचार और विकास

उल्लेखित अध्ययन

^{1. Xue, S., Li, M., Lopez-rios, R., et al. Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology. Light Sci Appl 14, 209 (2025). https://www.coherent.com/optics/crystals/bulk-optical-materials/lithium-niobate-wafers}