يمكن لتقنيات PCSEL المتقدمة أن تجعل الليزر العسكري أقوى بكثير

قدّم فريق من شركة إلينوي غرينجر للهندسة تصميمًا جديدًا لليزر يوفر سطوعًا أعلى وشعاعًا أكثر تركيزًا. تحتوي أجهزة PCSEL المتطورة على ثاني أكسيد السيليكون العازل المدفون بسماكة دون الميكرون للحفاظ على شعاعها لفترات أطول، مما يفتح الباب أمام تطوير أسلحة طاقة متطورة، وأنظمة ليدار، واتصالات فضائية. إليكم كيف ستحظى أجهزة الليزر بتحديثات جذرية.

تتطور تقنية الليزر باستمرار لتلبية الطلب المتزايد على الأجهزة التي تعمل بالليزر. واليوم، تستخدم أجهزة مثل سيارتك الكهربائية الليزر للتنقل عبر تقنية LiDAR. كما يستخدم المصنّعون الصناعيون الليزر في كل شيء، من المسح الضوئي إلى اللحام والنقش، وما بينهما. وهكذا، أصبحت تقنية الليزر جزءًا لا يتجزأ من حياتنا اليومية.

فكسسيلس

أكثر أنواع الليزر شيوعًا في هذه التطبيقات المتطورة هي ليزرات انبعاث السطح ذات التجويف الرأسي (VCSELs). تحتوي ليزرات VCSEL على مرنان ليزر أحادي على ثنائياتها، يُنتج شعاعًا ينطلق من الشريحة بشكل عمودي على سطحها.

يُعد هذا النوع من الليزر مثاليًا للمسافات القصيرة، مما يجعله مثاليًا لمهام مثل الطباعة بالليزر، ومسح الباركود، وحتى استخدام تقنية LiDAR قصيرة المدى، كتلك الموجودة على هاتفك الذكي. ومن مزايا أجهزة VCSEL أنها ميسورة التكلفة وذات تصميم مجرب.

مع ذلك، تفتقر ليزرات VCSEL إلى التطبيقات الأكثر تقدمًا. فهي محدودة في قدرتها على التحمل ومدى دقتها، مما يجعلها غير مناسبة عند مناقشة خيارات الدفاع الصاروخي المتقدم أو الاتصالات الفضائية.

PCSELs

أدرك العلماء منذ زمن طويل حاجتهم إلى بديل أكثر فعالية. في عام ٢٠٢٠، فتح طرح ليزرات الفوتون البلورية السطحية (PCSELs) الباب أمام جيل جديد من الأجهزة التي تعمل بالليزر. يُصدر هذا النوع من الليزر الضوء مباشرةً من سطحه عبر بلورات فوتونية.

البلورات الفوتونية هي هياكل دورية ذات طول موجي فرعي، قادرة على تغيير الموجات الكهرومغناطيسية المحيطة بها. وعلى عكس سابقاتها، تستخدم هذه البلورات تصميمها البلوري الفوتوني ثنائي الأبعاد لحيود أشعة الضوء وربطها ببعضها.

من هناك، تمر الموجة الدائمة ثنائية الأبعاد المُشكّلة حديثًا عبر مادة الكسب، مما يُضخّم قوتها. تُمكّن هذه الاستراتيجية المهندسين من تضخيم الكسب بدلًا من طاقة الليزر المُدخلة لزيادة سطوع الشعاع. وبالتالي، مكّنت هذه الاستراتيجية المهندسين من الحفاظ على وضع ليزر واحد.

مشاكل مع PCSELs

تجدر الإشارة إلى أن بعض القيود حدّت من قدرة أجهزة PCSEL على تلبية المتطلبات العسكرية الحديثة. أولًا، تُصنع هذه الليزرات باستخدام ثقوب هوائية، مما يساعد الجهاز على مقاومة التراكم الحراري. وبينما حاول المهندسون تطوير هذه الأجهزة لاستخدامات أكثر فعالية، لاحظوا أن ذرات أشباه الموصلات تبدأ بملء هذه الثقوب، مما يؤدي إلى تشوه بنية البلورة الفوتونية.

PCSELs العازلة المدفونة: دراسة رائدة

كشف مهندسون من كلية غرينجر للهندسة بجامعة إلينوي في أوربانا-شامبين مؤخرًا عن طريقة للتخفيف من حدة هذه المشكلات. وقد تضمنت ورقتهم البحثية¹بعنوان "ليزرات باعثة للضوء من سطح بلوري عازل مدفون مضخوخ ضوئيًا"يوضح نهجًا جديدًا يدمج مثلثات عازلة مدفونة دون الميكرون (SiO2) كمكون منخفض المؤشر للبلورة الفوتونية.

المصدر - مجلة IEEE للفوتونيات

بدأ المهندسون بملء فجوات الهواء المعتادة بمادة عازلة صلبة. ضمن هذا النهج عدم تشوه البلورات الفوتونية أثناء إعادة نموها. سمح التصميم الجديد للجهاز بتبديد الحرارة بمعدل أسرع، مما زاد من كفاءته ومتانته.

وفقًا لتقريرهم، قام المهندسون بتغليف البلورات الفوتونية بالكامل. وتحديدًا، تم ضبط أطوال أضلاع المثلث العازل بين 200 و260 نانومتر. كما مكّن استخدام ثاني أكسيد السيليكون البلورات من النمو حول المادة العازلة، مما وفر دعمًا فائقًا وأداءً مُحسّنًا.

اختبار العوازل الكهربائية المدفونة PCSELs

لاختبار نظريتهم، صنع المهندسون مركبات PCSEL عازلة مدفونة، وأخضعوها لعدة تجارب ضخ ضوئي. وتحديدًا، استخدم الفريق مرشحًا طويل المدى في مطياف صفيف خطي من InGaAs مُبرّد بالنيتروجين السائل، وكاميرات SWIR من InGaAs لمراقبة أطياف الليزر وأنماط المجال.

استخدم الفريق أيضًا مرشحًا ثنائي اللون مُحاذيًا وُضع بين العدسة وجهاز PCSEL لمراقبة أنماط الصور البعيدة. وقد سلط هذا الأسلوب ضوءًا بقطر 1.5 ميكرومتر على شاشة وُضعت على بُعد 65 مم من العينة. وقد كشفت هذه الاختبارات عن نتائج مثيرة للاهتمام.

النتائج: أداء PCSELs المتقدم

أظهر تصميم الليزر الجديد قوةً وموثوقيةً أكبر من سابقاته. كما أظهر مقاومةً للتوصيل الحراري، حتى مع الاستخدام المستمر والكثيف. والأمر الأكثر إثارةً للاهتمام هو إمكانية إطلاق الليزر في درجة حرارة الغرفة وبأطوال موجية ضوئية آمنة للعين البشرية.

فوائد PCSELs المتقدمة

تُقدّم أجهزة PCSEL المُحسّنة العديد من المزايا في السوق. أولًا، ستُتيح المجال لأجهزة ليزر أكثر ثباتًا وأطول عمرًا. ستستهلك هذه الأجهزة طاقة أقل بكثير، وستبقى أكثر برودةً أثناء التشغيل المُستمر.

موثوقية محسنة

من مزاياها الأخرى موثوقيتها طويلة الأمد. شهدت الإصدارات السابقة من أجهزة PCSEL انخفاضًا في الأداء مع مرور الوقت، حيث بدأت البلورات التي تُشكل الشعاع بالتدهور بسبب تداخل الذرات. أما هذا النهج الأحدث، فيقضي على هذه المشكلة، ما يعني أن عمر هذه الأجهزة أطول بكثير.

زيادة قدرة الطاقة

الميزة الرئيسية لأنظمة PCSELs هي قدرتها على تحمل طاقة أكبر بكثير. هذه القدرة تجعلها مثالية لأسلحة الطاقة الموجهة من الجيل التالي. تُعتبر هذه الأنظمة مستقبل المعدات العسكرية لعدة أسباب، منها امتلاكها ذخيرة شبه لا نهائية، محدودة فقط بمصدر طاقتها.

تطبيقات واقعية لـ PCSELs

هناك قائمة طويلة من التطبيقات لأشعة الليزر الأكثر موثوقية وقوة. ستجد هذه الأجهزة مكانًا لها في كل شيء، من الطائرات بدون طيار إلى المركبات الكهربائية، وحتى المركبات الفضائية. وهناك بالفعل الكثير ممن يرون هذه التقنية أساسية لتصميمات المعدات العسكرية المستقبلية.

أنظمة ليدار من الجيل التالي

يُغيّر الليدار طريقة تفاعل الناس ورؤيتهم للعالم. وبالفعل، يُساعد الليدار عالي القدرة على رسم خرائط لمناطق مجهولة في أعماق الغابات أو قاع المحيط. وستزداد هذه الأنظمة متانة وكفاءةً مع ازدياد قوة الليزر الذي تستخدمه.

أنظمة الأسلحة الليزرية المتقدمة

يسعى الجيش إلى استخدام هذه التقنية لإنتاج أسلحة ليزر قادرة على تدمير صواريخ ومركبات العدو. وقد خضعت هذه الأسلحة للاختبار لعقود، إلا أنها لم تُدمج في المركبات إلا مؤخرًا. وبينما لا تزال هذه الأسلحة التي تعمل بالليزر في مراحل الاختبار، ستسيطر يومًا ما على ساحات القتال في المستقبل.

الجدول الزمني لاعتماد PCSELs

قد يستغرق الأمر عشرين عامًا أخرى قبل أن تصل هذه التقنية إلى المدنيين. لا يزال هناك الكثير من الأبحاث التي يتعين إجراؤها لتطوير التصميم وضمان سلامتهم. وبينما سيضطر المدنيون للانتظار، يُرجَّح أن تُستخدم هذه التقنية عسكريًا خلال العقد المقبل.

تعرف على فريق البحث في PCSEL

قادت كلية غرينجر للهندسة بجامعة إلينوي في أوربانا-شامبين دراسة PCSELs. ويُذكر أن كينت شوكيت هو المؤلف الرئيسي للدراسة، وقد حظي بدعم قوي من أعضاء مجموعة مينجو لاري لي. والجدير بالذكر أن المشروع بأكمله تلقى تمويلًا ودعمًا من مختبر أبحاث القوات الجوية.

التوقعات المستقبلية لـ PCSELs المتقدمة

سيعمل المهندسون الآن على تحسين تصميمهم الحالي. ويخططون لجعل الجهاز أكثر موثوقية وزيادة قوته مع تقليل حجمه. بالإضافة إلى ذلك، سيعملون على ابتكار عمليات تصنيع مستدامة لتسريع عملية التصنيع.

الاستثمار في صناعة الليزر

هناك عدد من الشركات الرائدة في صناعة الليزر. تواصل هذه الشركات تحقيق أرباح متزايدة مع استمرار نمو الطلب على ليزرها عالي التقنية. هذه شركة واحدة لا تزال قوة مهيمنة في قطاع الليزر، ويمكن أن تستفيد من أي تحديثات كبيرة في هذه التقنية.

شركة ليزر فوتونيكس

شركة ليزر فوتونيكس (LASE ) دخلت السوق عام ٢٠١٩، ويقع مقرها الرئيسي في أورلاندو، فلوريدا. ومنذ ذلك الحين، تخصصت الشركة في إنتاج الليزر عالي القدرة والصناعي. وتقدم حاليًا مجموعة متنوعة من حلول الليزر القياسية والمخصصة للعملاء الصناعيين.

حصلت الشركة على ضمان الجودة بفضل أنظمة تنظيف الليزر الموثوقة، وخيارات القطع، وأجهزة التشطيب. وقد ساهمت هذه الأجهزة الشائعة في إثبات التزام شركة Laser Photonics بتقديم حلول ليزر موثوقة وفعالة. على الراغبين في الانخراط في قطاع تصنيع الليزر سريع التطور البحث أكثر في شركة Laser Photonics Corp.

أحدث أخبار وتطورات أسهم شركة Laser Photonics Corp (LASE)

اختبارات PCSEL المتقدمة | الخاتمة

ستُبشّر أجهزة PCSEL المتقدمة بعصر جديد في التكنولوجيا. وقد بدأ العلماء بالفعل باستكشاف الجيل القادم من أنظمة الدفع بالليزر وشبكات الاتصالات. إن إدخال ليزر أكثر موثوقية وأمانًا للعين في هذه المعادلة سيُسهم في تعزيز هذه الجهود، مما يؤدي إلى مزيد من الابتكار. في الوقت الحالي، لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به، لكن هذا الفريق من المهندسين المبتكرين قد أرسى أساسًا متينًا للجهود المستقبلية.

تعرف على المزيد من الاكتشافات الرائعة الأخرى اضغط هنا.

الدراسات المشار إليها:

^{1. تشوكيت، كيه دي، لي، إم إل، أوزدن، إس، جو، زد، شو، إس، وبارك، جيه إس (2024). ليزرات باعثة للضوء من سطح بلوري عازل مدفون مضخوخ ضوئيًامجلة IEEE للفوتونيات، 16(3)، 1-8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}