Edistykselliset PCSEL-laitteet voisivat tehdä sotilaslasereista paljon vahvempia

Illinois Grainger Engineeringin tiimi on esitellyt uudentyyppisen lasersuunnittelun, joka tarjoaa suuremman kirkkauden ja keskitetymmän säteen. Edistykselliset PCSEL-laserit sisältävät mikronia ohuempaa, haudattua dielektristä piidioksidia säteen ylläpitämiseksi pidempään, mikä avaa oven edistyneille energia-aseille, LiDAR-järjestelmille ja avaruusviestinnälle. Näin laserit tulevat saamaan merkittävän päivityksen.

Laserteknologia kehittyy jatkuvasti vastatakseen laserkäyttöisten laitteiden kasvavaan kysyntään. Nykyään esimerkiksi sähköautot käyttävät lasereita LiDAR-navigointiin. Lisäksi teollisuusvalmistajat hyödyntävät lasereita kaikkeen skannauksesta hitsaukseen, syövytykseen ja kaikkeen siltä väliltä. Sellaisenaan laserteknologiasta on tullut olennainen osa jokapäiväistä elämää.

VCSELit

Näissä huippuluokan sovelluksissa yleisin käytetty lasertyyppi on pystysuoraan onteloon perustuva pintaemittoiva laser (VCSEL). VCSEL-lasereissa on diodeissaan monoliittinen laserresonaattori, joka tuottaa sirusta kohtisuorassa sen pintaan nähden lähtevän säteen.

Tämän tyyppinen laser sopii ihanteellisesti lyhyille etäisyyksille, joten se sopii erinomaisesti esimerkiksi lasertulostukseen, viivakoodin skannaukseen ja jopa lyhyen matkan LiDAR-lasertekniikkaan, kuten älypuhelimissa olevaan. VCSEL-lasereiden etuna on niiden edullisuus ja toimivaksi todistettu rakenne.

VCSEL-lasereilla on kuitenkin puutteita kehittyneempien sovellusten osalta. Näiden lasereiden teho ja kantama ovat rajalliset, minkä vuoksi ne ovat tarpeettomia keskusteltaessa edistyneen ohjuspuolustuksen tai avaruusviestinnän vaihtoehdoista.

PCSEL-yksiköt

Tutkijat ovat jo pitkään tienneet tarvitsevansa tehokkaamman vaihtoehdon. Vuonna 2020 fotonikiteisten pinta-emittoivalasereiden (PCSEL) esittely avasi oven uuden sukupolven laserkäyttöisille laitteille. Tämän tyyppinen laser säteilee valoa suoraan pinnaltaan fotonisten kiteiden kautta.

Fotonikiteet ovat aallonpituutta lyhyempiä jaksollisia rakenteita, jotka voivat muuttaa läheisyydessään olevia sähkömagneettisia aaltoja. Toisin kuin edeltäjänsä, ne hyödyntävät kaksiulotteista fotonikiderakennettaan valonsäteiden diffraktoimiseen ja kytkemiseen toisiinsa.

Sieltä juuri muodostunut kaksiulotteinen seisova aalto kulkee vahvistusmateriaalin läpi, mikä vahvistaa sen tehoa. Tämä strategia antaa insinööreille mahdollisuuden vahvistaa vahvistusta laserin tehonsyötön sijaan säteen kirkkauden lisäämiseksi. Näin ollen tämä strategia mahdollisti yhden laserointimoodin ylläpitämisen.

Ongelmia PCSEL-elementtien kanssa

Merkillepantavaa on, että jotkin rajoitukset ovat rajoittaneet PCSEL-lasereiden skaalautumista nykyaikaisiin sotilasvaatimuksiin. Ensinnäkin nämä laserit valmistetaan käyttämällä ilmareikiä, jotka auttavat laitetta torjumaan lämmön kertymistä. Kun insinöörit yrittivät skaalata näitä laitteita tehokkaampiin käyttötapauksiin, he huomasivat, että puolijohteen atomit alkoivat täyttää näitä reikiä, mikä johti fotonisen kiderakenteen muodonmuutokseen.

Haudatut dielektriset PCSEL-elementit: läpimurtotutkimus

Illinoisin yliopiston Urbana-Champaignin Grainger College of Engineeringin insinöörit paljastivat hiljattain keinon näiden ongelmien lieventämiseksi. Heidän artikkelissaan¹, nimeltään “Fotopumpatut haudatut dielektriset fotonikiteiset pinta-emittoivat laserit”, esittelee uuden lähestymistavan, joka integroi submikronin kokoisia haudattuja dielektrisiä kolmioita (SiO2) fotonisen kiteen matalan indeksin komponenttina.

Lähde - IEEE Photonics -lehti

Insinöörit aloittivat täyttämällä tavanomaiset ilmaraot kiinteällä dielektrisellä materiaalilla. Tämä lähestymistapa varmisti, että fotoniset kiteet eivät muuttaneet muotoaan uudelleenkasvun aikana. Uusi rakenne mahdollisti laitteen lämmön nopeamman haihduttamisen, mikä paransi tehokkuutta ja kestävyyttä.

Raportin mukaan insinöörit kapseloivat fotoniset kiteet täysin. Tarkemmin sanottuna dielektristen kolmioiden sivupituudet asetettiin 200:sta 260 nm:iin. Lisäksi piidioksidin käyttö mahdollisti kiteiden kasvamisen dielektrisen materiaalin ympärille, mikä tarjosi erinomaisen tuen ja parannetun suorituskyvyn.

Haudattujen dielektristen PCSEL-elementtien testaaminen

Teoriansa testaamiseksi insinöörit valmistivat maahan haudattuja dielektrisiä PCSEL-elementtejä ja suorittivat niillä useita fotopumppauskokeita. Tarkemmin sanottuna tiimi käytti pitkäpäästösuodatinta nestemäisellä typellä jäähdytetyssä InGaAs-lineaarimatriisispektrometrissä ja InGaAs SWIR-kameroita laserspektrien ja kenttäkuvioiden monitorointiin.

Tutkimusryhmä käytti myös linssin ja PCSEL:n väliin asetettua dikroista suodatinta kaukokuvien kuvioiden tarkkailuun. Tämä lähestymistapa heijasti 1.5 μm:n valoa valkokankaalle, joka oli asetettu 65 mm:n päähän näytteestä. Nämä testit paljastivat mielenkiintoisia tuloksia.

Tulokset: Edistynyt PCSEL-suorituskyky

Uusi lasersuunnittelu osoitti edeltäjiään parempaa tehoa ja luotettavuutta. Lisäksi se osoitti lämmönjohtavuuden kestävyyttä jopa jatkuvassa ja raskaassa käytössä. Vielä mielenkiintoisempaa on, että laseria voitiin käyttää huoneenlämmössä ja ihmissilmälle turvallisilla valon aallonpituuksilla.

Edistyneiden PCSEL-laitteiden edut

Päivitetty PCSEL tuo markkinoille monia etuja. Ensinnäkin ne mahdollistavat tasaisemman ja pidempään heijastavan laserin käytön. Nämä laitteet kuluttavat paljon vähemmän virtaa ja pysyvät viileämpinä jatkuvan käytön aikana.

Parempi luotettavuus

Toinen etu on niiden pitkäaikainen luotettavuus. Aiempien PCSEL-versioiden suorituskyky heikkeni ajan myötä, kun säteen muodostamiseen osallistuneet kiteet alkoivat hajota atomien interferenssin vuoksi. Tämä uusin lähestymistapa poistaa tämän ongelman, mikä tarkoittaa, että näiden laitteiden käyttöikä on paljon pidempi.

Lisääntynyt tehokapasiteetti

PCSEL-järjestelmien tärkein etu on, että ne pystyvät käsittelemään paljon suurempaa tehoa. Tämä ominaisuus tekee niistä ihanteellisia seuraavan sukupolven suunnatun energian aseisiin. Näitä järjestelmiä pidetään sotilaskaluston tulevaisuutena useista syistä, mukaan lukien se, että niillä on lähes rajattomasti ammuksia, joita rajoittaa vain niiden virtalähde.

PCSEL-laitteiden reaalimaailman sovellukset

Luotettaville ja tehokkaammille lasereille on pitkä lista sovelluksia. Nämä laitteet löytävät kodin kaikessa droneista sähköautoihin ja jopa avaruusaluksiin. Monet ihmiset näkevät tämän teknologian ratkaisevan tärkeänä tulevaisuuden sotilaslaitteiden suunnittelussa.

Seuraavan sukupolven LiDAR-järjestelmät

LiDAR muuttaa tapaa, jolla ihmiset ovat vuorovaikutuksessa ja näkevät maailman. Tehokas LiDAR auttaa jo kartoittamaan tuntemattomia alueita syvällä viidakoissa tai merenpohjassa. Näistä järjestelmistä tulee entistä kestävämpiä ja tehokkaampia, kun niiden käyttämien lasereiden teho kasvaa.

Edistyneet laserasejärjestelmät

Armeija pyrkii hyödyntämään tätä teknologiaa luodakseen lasereita, jotka voivat tuhota vihollisen ohjuksia ja ajoneuvoja. Näitä aseita on testattu vuosikymmeniä. Vasta äskettäin niitä alettiin kuitenkin integroida ajoneuvoihin. Vaikka ne ovat vielä testausvaiheessa, nämä laserkäyttöiset aseet tulevat jonain päivänä hallitsemaan tulevaisuuden taistelukenttiä.

PCSEL-järjestelmien käyttöönottoaikajana

Voi kestää vielä 20 vuotta ennen kuin tämä teknologia on siviilien saatavilla. Suunnittelun laajentamiseksi ja heidän turvallisuutensa varmistamiseksi on vielä paljon tutkimusta tehtävänä. Vaikka siviilien on odotettava, tätä teknologiaa käytetään todennäköisesti sotilaskäytössä seuraavan vuosikymmenen aikana.

Tapaa PCSEL-tutkimustiimi

PCSEL-tutkimusta johti Illinoisin yliopiston Urbana-Champaignin Graingerin teknillinen korkeakoulu. Kent Choquette on listattu tutkimuksen pääkirjoittajaksi. Hänellä oli vahva tuki Minjoo Larry Lee -ryhmän jäseniltä. Huomionarvoista on, että koko projekti sai rahoitusta ja tukea ilmavoimien tutkimuslaboratoriolta.

Edistyneiden PCSEL-laitteiden tulevaisuudennäkymät

Insinöörit parantavat nyt nykyistä suunnitteluaan. He aikovat tehdä laitteesta luotettavamman ja skaalata sen tehoa samalla kun sen muotokerrointa pienennetään. Lisäksi he työskentelevät kestävien valmistusprosessien luomiseksi valmistusprosessin nopeuttamiseksi.

Investoinnit laserteollisuuteen

Laserteollisuudessa on muutamia johtavia kilpailijoita. Näiden yritysten voitot kasvavat jatkuvasti, kun niiden huipputeknologisten lasereiden kysyntä kasvaa. Tässä on yksi yritys, joka on edelleen hallitseva voima lasersektorilla ja voisi hyötyä kaikista merkittävistä teknologiapäivityksistä.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE ) tuli markkinoille vuonna 2019 ja sen pääkonttori sijaitsee Orlandossa, Floridassa. Siitä lähtien yritys on erikoistunut suurteho- ja teollisuuslasereiden tuotantoon. Tällä hetkellä se tarjoaa teollisuusasiakkaille sekä vakio- että räätälöityjä laserratkaisuja.

Yritys varmisti laadun kotiuttamisen luotettavien laserpuhdistusjärjestelmiensä, leikkausvaihtoehtojensa ja viimeistelylaitteidensa ansiosta. Nämä suositut laitteet ovat auttaneet osoittamaan Laser Photonicsin sitoutumisen luotettavien ja tehokkaiden laserratkaisujen toimittamiseen. Niiden, jotka haluavat tutustua nopeasti kehittyvään laservalmistussektoriin, kannattaa tutustua Laser Photonics Corp:iin tarkemmin.

Laser Photonics Corp:n (LASE) uusimmat osakeuutiset ja kehityskulut

Edistyneet PCSEL-arvot | Yhteenveto

Edistykselliset PCSEL-teknologiat aloittavat uuden aikakauden teknologiassa. Tutkijat ovat jo tutkineet seuraavan sukupolven laserpropulsiojärjestelmiä ja tietoliikenneverkkoja. Luotettavamman ja silmille turvallisemman laserin lisääminen yhtälöön vain vauhdittaa näitä ponnisteluja, mikä johtaa suurempaan innovaatioon. Toistaiseksi on vielä paljon työtä tehtävänä, mutta tämä innovatiivisten insinöörien tiimi on luonut vankan perustan tulevaisuuden ponnisteluille.

Lue lisää muista hienoista läpimurroista täältä.

Viittaustutkimukset:

^{1. Choquette, KD, Lee, ML, Ozden, S., Guo, Z., Xu, S. ja Park, JS (2024). Fotopumpatut haudatut dielektriset fotonikiteiset pinta-emittoivat laseritIEEE Photonics Journal, 16(3), 1–8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}