Mga Laser Bilang Pangunahing Teknolohiya ng Modernong Mundo at Hinaharap

Potensyal ng mga Laser

Since the first laser was built in 1960, and ang mga siyentistang nasa likod ng pisikang nagpayagan nito ay ginawaran ng Nobel Prize sa Pisika noong 1964, patuloy na nakakahanap ang teknolohiya ng mga bagong aplikasyon.  Lasers are commonly used for:

• pag-ukit at pag-imprenta,
• komunikasyong fiber optiko,
• optical na disk,
• paggawa ng semiconductor,
• operasyon,
• paggamot sa pangangalagang pangkalusugan,
• pagsusukat,
• targeting militar.

Building upon this, the near future may even see them become crucial in manufacturing processes(welding, 3D printing), satellite telecommunication, propelling spaceships, biotech, computing (photonics), nuclear fusion, and even weapons.

Mga Prinsipyo ng Laser

Laser is an acronym standing for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. The key idea behind laser technology is to produce “coherent” light instead of ordinary light.

Ang mga coherent na sinag ng ilaw ay lumilikha ng napakakitid na ilaw sa isang solong haba ng alon na hindi kumakalat sa mahabang distansya.

Pinagmulan: Britannica

Ang paraan upang lumikha ng laser ay ang pagsigla sa mga atom ng emitter, karaniwang gawa sa gas ngunit maaari ring likido o solid, upang maglabas sila ng ilaw at mahuli at maipakita ang karamihan ng ilaw sa loob ng laser hanggang ito ay makalabas bilang isang coherent na sinag ng ilaw.

Pinagmulan: University of Kwazulu-Natali

Maaaring gawin ang mga laser para sa malawak na hanay ng mga haba ng ilaw, bawat isa ay gumagamit ng sariling materyal upang lumikha ng ilaw, na nagbabago kung paano ito gumagana. Ang iba’t ibang haba ng alon ay magdadala ng iba’t ibang antas ng enerhiya, at maaabsorb nang iba depende sa materyal na tinatarget.

Halimbawa, kahit sa larangan ng medisina, maraming iba’t ibang laser ang maaaring gamitin depende sa layunin.

Pinagmulan: University of Kwazulu-Natali

(Ang mga mambabasa na interesado sa mga siyentipikong prinsipyo sa likod ng laser ay maaaring basahin “Principles of Laser” upang matuto pa).

Pagpapabuti ng Teknolohiyang Laser

Over the years, lasers have greatly improved. New materials increased the available wavelengths, with CO₂, ruby, titanium-sapphire, and quantum dots lasers (na mismo ay nagkamit ng Nobel Prize sa Pisika noong 2023).

Binuksan nito ang posibilidad para sa ultra-short pulse lasers, pati na rin ang mga laser na pinino para sa tiyak na mga aplikasyon sa paggawa at medisina.

Ang mga low-power laser ay mabilis na naging sapat na mura upang maisama sa mga code bar scanner noong 1970s. Pagkatapos, ginamit ito upang basahin ang datos na naka-imbak sa mga CD, at kalaunan sa mga DVD at Blu-Ray na disk.

Pinagmulan: Laser Warfare

Maaaring may mga bagong anyo ng laser sa hinaharap, halimbawa, “open-air lasers”, na maaaring mas matibay at magaan.

Mga Aplikasyon ng Laser

Obserbasyon sa Napakaliit na Panahon

One of the applications of ultrashort laser pulses is to “illuminate” a target very briefly, in the order of the femtosecond, one million of a billionth of a second.

Ginagawang posible nito ang pagmamasid sa mga penomena tulad ng mga kemikal na reaksyon ng molekula na dati ay itinuturing na instant.

Pinagmulan: Nobel Prize

Further progress is even opening a whole new scientific field, attosecond science (1/1000^th of a femtosecond). With it, scientists can study the dynamics ng elektron sa loob ng mga atom at molekula, at ang materyal sa condensed phase ay maaaring masuri.

Pag-ukit at Paggawa

Maaaring gamitin ang mga laser upang magukit sa mga materyales nang napakprecise. Gayunpaman, ang problema ay kapag masyadong matagal ang paggamit ng laser, mabilis na umiinit ang materyal, na nagdudulot ng mapaminsalang shockwaves. Para sa malalakas na laser o mga materyales na nangangailangan ng walang depekto, ito ay naging problema.

Ang pinahusay na femtosecond laser ay patuloy na gumagawa ng pag-ukit ngunit sapat na maikli upang hindi mag-overheat, na nag-aalis ng problemang ito.

Pinagmulan: Nobel Prize

Sa kasalukuyan, karaniwang ginagamit ang mga laser para sa pag-drill, pagputol, pagmamarka, pag-texture, at welding ng mga metal, pati na rin ng plastik, kahoy, salamin, atbp.

“Maraming bahagi ng mga produktong gawa ngayon ang nangangailangan ng mikroskopikong tampok na maaari lamang malikha sa pamamagitan ng laser drilling.

Napakaliit, kumplikadong tampok ang maaaring gawin sa iba’t ibang materyales, gamit ang mga pamamaraan tulad ng direct write, trepanning, at mask projection, nang walang epekto ng init o pinsala sa materyal.”

Matt Nipper, direktor ng engineering para sa Laser Light Technologies, ngayon ay bahagi ng Spectrum Plastics.

Ang mga modernong makina ng laser ay kinokontrol sa pamamagitan ng advanced na software katulad ng mga CNC machine. Ang mga laser manufacturing tool ay sumasaklaw mula sa maliliit na desktop device na nagkakahalaga ng ilang libong dolyar hanggang sa mga pabrika na nagkakahalaga ng milyon-milyong dolyar.

Maaaring maging napakprecise ang mga laser na ngayon ay ginagamit na para alisin ang insulasyon mula sa mga kawad.

“Maaaring alisin ang insulasyon hanggang sa loob ng 0.005-inch na toleransiya. Maaaring i-program ang stripping upang i-ablate ang insulasyon sa anumang punto sa kahabaan ng kawad, na nagbibigay ng mataas na precision na mid-span na pag-alis.”

Matt Nipper, direktor ng engineering para sa Laser Light Technologies, ngayon ay bahagi ng Spectrum Plastics.

 3D Printing

Maraming 3D printer ang gumagamit ng laser upang tunawin ang plastik o metal na ginagamit upang mabuo ang panghuling produkto ng 3D printing. Kabilang dito ang laser-bed fusion, isang teknik na maaaring maging mas precise at mas malakas sa pamamagitan ng paggamit ng ring-shaped laser beam.

Pinagmulan: International Journal of Machine Tools and Manufacture

Dalawang laser nang sabay ay maaari ring maging karaniwang setup upang mapabilis ang proseso ng additive manufacturing.

Sa pangkalahatan, habang ang 3D printing ay nagiging mas malaking bahagi ng mga proseso ng paggawa, tulad ng tinalakay sa “3D Printing Consolidating Into The Future Of Manufacturing”, maaari nating asahan na tataas din ang demand para sa mga laser.

Mga Medikal na Paggamit

Ang matinding ilaw ng mga laser ay maaaring gamitin upang lumikha ng laser-plasma acceleration, na nagpapabilis ng mga particle tulad ng proton at electron sa napakataas na antas ng enerhiya. Maaari itong magamit para sa radiation therapy, kung saan ang mga laser ay nagbibigay-daan sa mga makina na sapat na maliit upang magkasya sa isang ospital, kabaligtaran ng mga particle accelerator na mas malaki at mas mabigat.

Ang ultra-fast laser ay ginagamit din para sa operasyon sa mata, mula sa LASIK surgery na nag-aalis ng pangangailangan ng salamin hanggang sa photocoagulation para gamutin ang diabetic retinopathy (mga sakit ng retina).

Pinagmulan: Nobel Prize

Maaaring gamitin ang mga laser para sa paggamot ng balat, mula sa pag-impluwensya lamang sa itaas na layer hanggang sa mas malalim na mga daluyan ng dugo, depende sa haba ng alon na ginamit.

Pinagmulan: Laser Focus World

Sa huli, may mga aplikasyon ang mga laser para sa mga cosmetic treatment, mula sa pagtanggal ng buhok at tattoo hanggang sa pagpapabata ng balat, pagtanggal ng peklat ng acne at pigmented blemishes (hal., mga batik ng edad at tamsi).

Imbakan ng Datos

Ginagamit na ang mga laser para sa pag-encode ng datos sa optical na disk sa loob ng ilang dekada na. Ang mas malakas, mas maliit na haba ng alon na mga laser ay kayang mag-imbak ng datos nang mas siksik, kaya nagkaroon ng paglipat sa blue LED laser para sa Blu-Ray.

Gayunpaman, nagiging malinaw na ang mga optical disk ay hindi matibay na anyo ng imbakan ng datos.

Kaya maraming mga pamamaraan gamit ang laser ang kinokonsidera ngayon, tulad ng low-power engraving sa mga polymer, iba pang anyo ng mechanical data storage, pag-ukit ng diyamante, o 5D crystal disks.

Pinagmulan: University of Southampton

Sa anumang kaso, ang kakayahan ng mga laser na maging kasing-precise ng mga nanometer ng haba ng alon ng kanilang ilaw ay nagiging dahilan upang manatili silang paboritong paraan ng pag-record ng datos, lalo na para sa pangmatagalang imbakan.

Pag-ukit ng Semiconductor

Mula pa noong simula ng industriya, ginagamit ng mga tagagawa ng semiconductor ang mga laser upang ihanda ang materyal na ginagamit sa paggawa ng mga chip ng computer.

Isang pangunahing bentahe ay ang laser cutting at engraving ay hindi nangangailangan ng anumang kontak, at nagbubuo ng mas kaunting alikabok kaysa sa mga alternatibo, isang mahalagang bentahe para sa mga materyal na nangangailangan ng pinakamataas na antas ng kalinisan. Ang laser cutting ay mas kaunting nasasayang na materyal at hindi nagdudulot ng mga bitak.

Ginagamit ang mga laser upang magsagawa ng welding, pagtanggal ng coating, at pagmamarka ng materyal at kagamitan ng semiconductor.

Kompyutasyon

Habang ang mga klasikong silicon chip ay nagiging halos kasing liit na posible, kinokonsidera ang mga bagong anyo ng kompyutasyon upang patuloy na mapataas ang kapangyarihan ng ating mga computer at data center.

Isa sa mga ito ay photonics, na gumagamit ng ilaw sa halip na mga electron upang magdala ng computational data. Ang pamamaraan ay gumagamit ng maraming ultra-fast laser, pati na rin mga light sensor at optical fiber upang palitan ang silicon transistor at maaaring maging paraan upang mapanatiling buhay ang Batas ni Moore.

Isa pang opsyon ay ang quantum computers, na gumagamit ng quantum effect upang magsagawa ng mga kalkulasyon na karaniwang imposible para sa mga karaniwang computer. Maaaring makatulong din ang mga laser dito, mula sa infrared laser upang manipulahin ang mga atom ng hydrogen hanggang sa paggamit ng laser upang magnetisahin ang mga hindi-magnetikong substansya.

Telekomunikasyon

Bukod sa mga semiconductor at kompyutasyon, ginagamit ang mga laser sa loob ng mga dekada upang magpadala ng impormasyon.

Ang mga laser diode ay maaaring maglabas ng coherent na ilaw na may makitid na frequency, na nagpapahintulot sa maraming channel ng impormasyon na maipadala sa pamamagitan ng isang fiber optic cable. Kadalasang ginagamit ito para sa long-distance telecommunication at ginagawa gamit ang quantum dots.

Maaaring gamitin din ang mga laser para sa space telecommunication, alinman sa pagitan ng mga satelayt o sa pagitan ng mga satelayt at mga istasyon sa lupa.

Ang pangunahing bentahe ng paggamit ng laser communications kumpara sa radio waves ay ang mas mataas na bandwidth, na nagpapahintulot ng paglipat ng mas maraming datos sa mas maikling oras. Isa pang katangian ay na halos imposibleng ma-intercept ang laser telecommunication, dahil kinakailangan ang anumang pakikinig na pisikal na katabi ng tumatanggap.

Halimbawa, ang mga satelayt ng Starlink ay bawat isanaglalamanng 3 laser Intersatellite Links (ISLs) na nagpapatakbo sa 200 Gbps (GigaBytes per Second) upang magpadala ng datos sa isa’t isa bago i-beam pabalik sa mga istasyon ng Starlink.

Sa hinaharap, anumang space telecommunication na may potensyal na base sa Buwan o Mars ay malamang na gagamit ng laser, dahil ito ay nagbibigay ng pinakamabilis na posibleng paglipat ng datos at pinakamataas na posibleng bandwidth.

Bioteknolohiya

Fluorescence

Isang madalas nakalimutang aplikasyon ng mga laser ay sa bioteknolohiya. Ang unang pamamaraan ay Laser Induced Fluorescence (LIF), kung saan ginagamit ang laser upang mapakilos ang mga biological tissue o molekula na maglabas ng berde o pulang ilaw pabalik, na nagbibigay-daan sa kanilang pagmamasid sa fluorescence microscope.

Pinagmulan: MicroscopyU

Ginagamit ang mga laser sa flow cytometer upang paghiwalayin ang mga selula sa isang sample din.

Isang mahalagang sub-segment ng teknik na ito ay ang LIF spectroscopy, na ginagamit sa chromatography at capillary electrophoresis, parehong napakahalagang teknik sa biochemistry para sa pagsusuri ng mga biological molecule.

Pag-sekwens ng Gene at Medisina

Isa pang patuloy na mahalagang aplikasyon ng laser sa bioteknolohiya ay ang genetic sequencing.

Pinagmulan: Memorial University

Ang pag-unlad ng teknolohiyang laser at ang pagbaba ng gastos ay naging pangunahing salik sa pagpapalawak ng gene sequencing upang maging mas pangkalahatan at magagamit ng parehong mga mananaliksik at medikal na espesyalista.

Ginagamit ang mga laser para sa pag-detect ng kanser at pagsusuri ng selula ng kanser at maaari ring gamitin upang gupitin ang manipis na hiwa ng tisyu para sa karagdagang pagsusuri.

Mga Sensor at mga Sasakyang Nagmamaneho nang Sarili.

Maaaring gamitin ang mga laser upang sukatin ang kapaligiran sa kanilang paligid. Maaari itong gamitin para sa pagposisyon ng mga laser sa mga pabrika, pagsukat ng distansya, o ang presensya ng isang hadlang.

Ang mga kumplikadong sistema ng mga laser na ito ay ginagamit sa LIDAR (Light Detection and Ranging), na gumagamit ng mga pulso ng laser light upang sukatin ang distansya ng mga bagay sa paligid nito. Ang mga LIDAR system ay karaniwang ginagamit para sa pagmamapa.

Ang mga LIDAR ay pangunahing bahagi ng karamihan sa mga sistema ng self-driving na sasakyan (maliban sa pag-asa ng Tesla sa mga kamera lamang), kabilang ang Waymo ng Google (GOOGL ).

Direktang Sandata ng Enerhiya

Habang ang mga drone ay nagiging lumalaking banta sa mga makabagong larangan ng digmaan, ang mga hukbong militar sa buong mundo ay naghahanap ng murang solusyon upang pababain ang mga ito.

Ito ay lalong mahalaga dahil ang karamihan sa mga suicide drone ay nagkakahalaga lamang ng ilang libong dolyar, kaya ang anumang missile o kahit na solusyon na batay sa baril ay madalas na mas mahal kaysa sa target.

Maaaring solusyon ang mga sandata na batay sa laser, isang sub-kategorya ng direct energy weapons (na kinabibilangan din ng microwave beam, halimbawa). Ang ideya ay gamitin ang isang malakas na sinag ng laser upang sunugin ang drone bago ito maging banta.

Pinagmulan: Laser Focus World

Dahil ang gastos ng “ammunition” ay magiging tanging gastos ng enerhiya, ito ay maaaring maging isa sa tanging praktikal na opsyon sa pangmatagalan. Ang ideya ay, gayunpaman, malayo pa sa pagiging ganap, na may ilang isyu na kailangang lutasin bago mailunsad sa aktibong larangan ng digmaan:

• Maaaring maapektuhan ang mga laser weapon ng maulap na panahon.
• Ang konsumo ng enerhiya ay napakalaki, na ginagawang mahirap ang paglikha at pag-imbak nito para sa mabilis na pagputok.
• Ang mga laser ay karaniwang medyo marupok na mga aparato, na nagiging hindi gaanong maaasahan sa front-line na papel.

Malamang, ang unang malakihang pag-deploy ng laser-based weaponry ay para sa mga nakapirming pasilidad tulad ng mga base militar at mga barko.

Nuklear na Pagsasanib

Sa kasalukuyan, ang pangunahing estratehiya para makamit ang nuclear fusion ay ang paggamit ng mga tokamak, at mga hugis-donut na estruktura na gumagamit ng magnetic fields upang i-kontrol ang plasma.

Tulad ng ipinaliwanag namin sa “Nuclear Fusion – The Ultimate Clean Energy Solution on the Horizon”, ito ay, gayunpaman, hindi lamang ang posibleng paraan upang makamit ang nuclear fusion. Isa pang opsyon ay ang paggamit ng mga laser upang subukang gawing napakainit ang mga atom ng hydrogen na magbanggaan, na agad lumikha ng mga shockwave, na nagtutulak sa mga atom ng hydrogen na magsama.

Isang magandang halimbawa ay ang U.S. National Ignition Facility (NIF), na naggagabay, nagpapalakas, nagrerefleksyon, at nagfofocus ng 192 malalakas na sinag ng laser papunta sa isang target na halos kasing laki ng pambura ng lapis. Ito ay naghahatid ng 500 trilyong watt ng peak power sa isang punto.

Pinagmulan: Britannica

Ang mga sistemang ito ay magagandang kandidato para sa potensyal na komersyal na nuclear fusion, at maaaring maging kapaki-pakinabang din para sa pulsed fusion propulsion para sa mga sasakyang pangkalawakan na naglalakbay sa malalim na kalawakan.

Mga Aplikasyon sa Kalawakan

Astropisika

Ang Astrophysics ay madalas na humaharap sa napaka-eksentrikong kondisyon ng presyon at temperatura, na mahirap tularan sa Earth. Halimbawa, ang komposisyon ng mga bituin o ng mga gas giant na planeta.

X-ray free-electron Lasers (XFELs) maaaring makatulong sa pag-aaral ng ganitong Warm Dense Matter (WDM), na maaaring magbunga ng mas mahusay na sasakyang pangkalawakan at mga nuclear fusion engine.

Orbital na Solar

Isang lumalaking posibilidad para sa malinis na enerhiya ay ang orbital solar. Ito ay dahil ang gastos ng paglulunsad ng isang power system sa orbit ay mabilis na bumababa, na ginagawang posible ang ideya ng pag-angat ng libu-libong tonelada ng kargamento sa orbit o paggawa sa kalawakan.

Tulad ng aming tinalakay sa “Space-Based Energy Solutions For Endless Clean Energy”, ang enerhiyang nalikha ay maaaring i-beam pabalik sa Earth gamit ang microwave beam o malalakas na laser.

Layag Solar

Isa pang posibleng gamit ng laser sa kalawakan ay ang solar sail. Ang pangunahing ideya ay bagaman ang mga photon ay walang masa, nagdadala pa rin sila ng napakaliit na momentum.

Sa walang timbang na kapaligiran ng malalim na kalawakan, ang maliit na puwersang ito ay maaaring sapat upang mapabilis ang isang sasakyang pangkalawakan.

Ang solar sail ay magiging malaking layag na gawa sa foil na kayang hulihin ang liwanag at gawing propulsion. Ang mga laser system na nasa orbit o sa buwan ay maaaring magpadala ng mas maraming liwanag sa ganitong sistema at magpabilis nito sa bilis na hindi kayang maabot ng kemikal na rocket.

Pinagmulan: For All Mankind TV

Ang metodong ito ay maaaring magamit pa para sa interstellar na paglalakbay, dahil teoritikal na maaaring itulak ang isang sasakyang pangkalawakan hanggang 20% ng bilis ng liwanag gamit ang kilalang pisika.

Pamumuhunan sa Teknolohiyang Laser

Ang mga laser ay naroroon sa hindi mabilang na bahagi ng modernong teknolohiya, mula sa optical disk hanggang sa mga kasangkapang pang-operasyon, 3D printing, semiconductor, paggawa, at mga genome sequencer, na may $17.8B na merkado na inaasahang lalago ng 7.8% CAGR hanggang 2030.

Maaari kang mamuhunan sa mga kumpanyang may kaugnayan sa laser sa pamamagitan ng maraming broker, at dito, sa securities.io, matatagpuan mo ang aming mga rekomendasyon para sa pinakamahusay na mga broker sa USA, Canada, Australia, UK, at marami pang ibang bansa.

Kung hindi ka interesado sa pagpili ng partikular na kumpanya, maaari ka ring tumingin sa mga technology ETF tulad ng iShares U.S. Technology ETF (IYW) o ProShares Nanotechnology ETF (TINY) kahit na walang dedikadong laser-only ETF, na magbibigay ng mas diversified na exposure upang makinabang sa mga nanotech at tech stocks.

Maaari mo ring matutunan kung paano mamuhunan sa gallium sa aming dedikadong ulat, dahil ang gallium ay isang susi na elemento para sa paggawa ng laser, na kasalukuyang nasa gitna ng US-China trade war

Kumpanya ng Laser

II-VI Marlow / Coherent

Ang Coherent ay isang malaking industriyal na konglomerado na may higit sa 26,000 na empleyado at nangunguna sa teknolohiyang laser, na resulta ng pagsasanib ng advanced material na II-VI (COHR ) Marlow at ng gumagawa ng laser na Coherent.

Ang kumpanya ay eksperto sa advanced na materyales na ginagamit sa mga laser, optics, at photonics, tulad ng indium phosphide, epitaxial wafers, at gallium arsenide. Lumago ito nang malaki dahil sa maraming acquisition sa nakaraang dekada.

Pinagmulan: Coherent

Kumuha ang kumpanya ng 29% ng kita nito mula sa laser nang direkta, habang ang natitira ay kaugnay ng mga kagamitan tulad ng optical fiber, at electronics. Ang kategoryang instrumentation ay karamihan ay kinabibilangan ng life sciences at mga medikal na aplikasyon.

Pinagmulan: Coherent

Ang presensya ng kumpanya sa advanced na materyales tulad ng thermophotovoltaics (na tinalakay namin sa isang nakaraang artikulo), silicon carbide, mga laser, at electronics ay tumutulong dito na makinabang mula sa mga estruktural na trend tulad ng paglago ng precision manufacturing, additive manufacturing (3D printing), electrification, at renewable energies.

Kamakailan, inihiwalay ng kumpanya ang kanyang silicon carbide na negosyo sa isang bagong entidad, na 75% pag-aari ng Coherent, at ang natitira ay pantay na pag-aari ng mga kasosyo nitong Mitsubishi Electric (na nagdadala ng silicon carbide power IP) at Denso (na nagdadala ng aktibidad bilang automotive supplier sa electrification at power semiconductors).

Ito ay dahil ang silicon carbide ay nagiging sariling teknolohiya, karamihan ginagamit sa high-power na aplikasyon tulad ng EVs, baterya, at renewable energy.

Ang Coherent ay isang lider sa LIDAR at 3D-digital sensing, kabilang para sa mga self-driving na aplikasyon, biotech Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, at mga laser para sa paggawa ng semiconductor. Inaasahan nitong ang mga pangunahing merkado nito ay lalaki ng 8-20%.

Pinagmulan: Coherent

Ang iba pang potensyal na bagong aplikasyon ng mga laser tulad ng direct energy weapons, photonic computing, nuclear fusion, at spacetech ay maaaring pantay-pantay na makatulong upang mapanatili ang pangmatagalang paglago ng kumpanya.

Sa kabuuan, ang Coherent ay pinakamalapit na “pure play” na pampublikong nakalistang kumpanya ng laser para sa mga mamumuhunan na interesado sa sektor, na may malakas na vertical integration at higit sa 3,100 na patente na nagpoprotekta sa mga inobasyon nito.