Avanserte PCSEL-er kan gjøre militære lasere mye sterkere

Et team fra Illinois Grainger Engineering har introdusert en ny type laserdesign som gir høyere lysstyrke og en mer konsentrert stråle. De avanserte PCSEL-ene bruker submikron nedgravd dielektrisk silisiumdioksid for å opprettholde strålen over lengre perioder, noe som åpner døren for avanserte energivåpen, LiDAR-systemer og romkommunikasjon. Slik er lasere klare til å få en større oppgradering.

Laserteknologi er i stadig utvikling for å møte den økende etterspørselen etter laserdrevne enheter. I dag bruker ting som elbiler lasere for å navigere via LiDAR. I tillegg har du industriprodusenter som bruker lasere til alt fra skanning til sveising, etsing og alt i mellom. Som sådan har laserteknologi blitt en avgjørende del av hverdagen.

VCSEL

Den vanligste typen lasere som brukes i disse avanserte applikasjonene er vertikale hulroms overflateemitterende lasere (VCSEL-er). VCSEL-er har en monolittisk laserresonator på diodene sine som produserer en stråle som projiserer fra brikken vinkelrett på overflaten.

Denne lasertypen er ideell for korte avstander, noe som gjør den ideell for oppgaver som laserutskrift, strekkodeskanning og til og med LiDAR over korte avstander, slik som den du finner på smarttelefonen din. Fordelene med VCSEL-er er at de er rimelige og har en velprøvd design.

VCSEL-er mangler imidlertid når det gjelder mer avanserte applikasjoner. Disse laserne har begrenset effekt og avstandskapasitet, noe som gjør dem foreldet når man diskuterer alternativer for avansert missilforsvar eller romkommunikasjon.

PCSEL-er

Forskere har lenge visst at de trengte et kraftigere alternativ. I 2020 åpnet introduksjonen av fotonisk-krystall overflateemitterende lasere (PCSEL-er) døren for en ny generasjon innen laserdrevne enheter. Denne typen laser sender ut lys direkte fra overflaten via fotoniske krystaller.

Fotoniske krystaller er periodiske strukturer med underbølgelengde som kan endre elektromagnetiske bølger i nærheten. I motsetning til forgjengerne bruker de sin todimensjonale fotoniske krystalldesign til å diffraktere og koble lysstråler sammen.

Derfra passerer den nydannede todimensjonale stående bølgen gjennom forsterkningsmateriale, som forsterker effekten. Denne strategien lar ingeniører forsterke forsterkningen i stedet for lasereffekttilførselen for å øke strålens lysstyrke. Følgelig gjorde denne strategien det mulig for ingeniører å opprettholde en enkelt lasermodus.

Problemer med PCSEL-er

Det er verdt å merke seg at noen restriksjoner har begrenset PCSEL-enes evne til å skalere opp til moderne militære krav. For det første er disse laserne produsert med lufthull, som hjelper enheten med å bekjempe termisk oppbygging. Da ingeniører prøvde å skalere opp disse enhetene for kraftigere bruksscenarioer, la de merke til at atomene i halvlederen begynte å fylle ut disse hullene, noe som resulterte i at den fotoniske krystallstrukturen ble deformert.

Nedgravde dielektriske PCSEL-er: En banebrytende studie

Ingeniører fra Grainger College of Engineering ved University of Illinois Urbana-Champaign avduket nylig en måte å redusere disse problemene på. Deres artikkel¹, med tittelen “Fotopumpede nedgravde dielektriske fotoniske krystalloverflateemitterende lasere,» demonstrerer en ny tilnærming som integrerer submikron nedgravde dielektriske (SiO2) trekanter som lavindekskomponenten i den fotoniske krystallen.

Kilde - IEEE Fotonikk Tidsskrift

Ingeniørene begynte med å fylle de vanlige luftgapene med solid dielektrisk materiale. Denne tilnærmingen sørget for at de fotoniske krystallene ikke ville deformeres under gjenvekst. Den nye designen tillot enheten å spre varme raskere, noe som økte effektiviteten og holdbarheten.

Ifølge rapporten deres innkapslet ingeniørene de fotoniske krystallene fullstendig. Mer spesifikt ble sidelengdene til den dielektriske trekanten satt til 200 til 260 nm. Bruken av silisiumdioksid gjorde det også mulig for krystallene å vokse rundt det dielektriske materialet, noe som ga overlegen støtte og forbedret ytelse.

Testing av nedgravde dielektriske PCSEL-er

For å teste teorien sin, fabrikerte ingeniørene nedgravde dielektriske PCSEL-er og utsatte dem for flere fotopumpeeksperimenter. Mer spesifikt brukte teamet et langpassfilter i et flytende nitrogenkjølt InGaAs lineært arrayspektrometer og InGaAs SWIR-kameraer for å overvåke laserspektrene og feltmønstrene.

Teamet brukte også et justert dikroisk filter plassert mellom linsen og PCSEL for å overvåke fjernbildemønstre. Denne tilnærmingen projiserte et 1.5 um-lys på en skjerm som var satt opp 65 mm fra prøven. Disse testene avdekket noen interessante resultater.

Resultater: Avansert PCSEL-ytelse

Den nye laserdesignen viste mer kraft og pålitelighet enn forgjengerne. I tillegg viste den motstand mot termisk ledningsevne, selv ved konstant og tung bruk. Enda mer interessant er det at laseren kunne avfyres ved romtemperatur og med lysbølgelengder som er trygge for det menneskelige øyet.

Fordeler med avanserte PCSEL-er

Det er mange fordeler med den oppgraderte PCSEL-en. For det første vil den åpne døren for mer konsistente og lengre projiseringslasere. Disse enhetene vil bruke mye mindre strøm og kan holde seg kjøligere under konstant drift.

Forbedret pålitelighet

En annen fordel er deres langsiktige pålitelighet. Tidligere versjoner av PCSEL-er ville oppleve synkende ytelse over tid ettersom krystallene som bidro til å danne strålen begynte å brytes ned på grunn av atominterferens. Denne nyeste tilnærmingen eliminerer dette problemet, noe som betyr at disse enhetene har en mye lengre levetid.

Økt strømkapasitet

Hovedfordelen med PCSEL-er er at de kan håndtere mye mer kraft. Denne egenskapen gjør dem ideelle for neste generasjons rettet energivåpen. Disse systemene blir sett på som fremtiden for militært utstyr av flere grunner, inkludert at de har nesten uendelig ammunisjon, kun begrenset av strømforsyningen.

Virkelige applikasjoner for PCSEL-er

Det finnes en lang liste med bruksområder for mer pålitelige og kraftigere lasere. Disse enhetene vil finne et hjem i alt fra droner til elbiler og til og med romfartøy. Det er allerede mange som ser denne teknologien som avgjørende for fremtidige militære maskinvaredesign.

Neste generasjons LiDAR-systemer

LiDAR endrer måten folk samhandler og ser verden på. Allerede nå bidrar kraftige LiDAR-systemer til å kartlegge ukjente områder dypt inne i jungelen eller på havbunnen. Disse systemene vil bli mer robuste og kapable etter hvert som laserne de bruker får mer kraft.

Avanserte laservåpensystemer

Militæret ønsker å bruke denne teknologien til å lage lasere som kan ta ut fiendens missiler og kjøretøy. Disse våpnene har blitt testet i flere tiår. Det var imidlertid ikke før nylig at de begynte å se integrering i kjøretøy. Selv om de fortsatt er i testfasen, vil disse laserdrevne våpnene en dag herske over fremtidens slagmarker.

Tidslinje for PCSEL-adopsjon

Det kan ta ytterligere 20 år før denne teknologien finner veien til sivile. Det er fortsatt mye forskning som må gjøres når det gjelder å skalere opp designet og sikre deres sikkerhet. Selv om sivile må vente, vil denne teknologien sannsynligvis bli tatt i bruk i militæret innen det neste tiåret.

Møt PCSEL-forskningsteamet

Grainger College of Engineering ved University of Illinois Urbana-Champaign ledet PCSELs-studien. Kent Choquette er spesifikt oppført som hovedforfatter av studien. Han hadde sterk støtte fra medlemmer av Minjoo Larry Lee-gruppen. Det er verdt å merke seg at hele prosjektet mottok finansiering og støtte fra Air Force Research Laboratory,

Fremtidsutsikter for avanserte PCSEL-er

Ingeniørene skal nå forbedre sitt nåværende design. De planlegger å gjøre enheten mer pålitelig og øke kraften samtidig som de reduserer formfaktoren. I tillegg skal de jobbe med å lage bærekraftige produksjonsprosesser for å få fart på produksjonsprosessen.

Investering i laserindustrien

Det finnes noen få ledende konkurrenter i laserbransjen. Disse selskapene fortsetter å se økende fortjeneste ettersom etterspørselen etter deres høyteknologiske lasere fortsetter å vokse. Her er ett selskap som fortsatt er en dominerende kraft i lasersektoren og kan dra nytte av større oppgraderinger av teknologien.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE -3.46%) kom inn på markedet i 2019 og har hovedkontor i Orlando, Florida. Siden den gang har selskapet spesialisert seg på høyeffekts- og industriell laserproduksjon. Det tilbyr for tiden en blanding av standard og tilpassede laserløsninger til industrielle kunder.

Selskapet sikret seg hjemtransport for kvalitet takket være sine pålitelige laserrensesystemer, skjærealternativer og etterbehandlingsenheter. Disse populære enhetene har bidratt til å demonstrere Laser Photonics' forpliktelse til å levere pålitelige og effektive laserløsninger. De som ønsker eksponering for den raske laserproduksjonssektoren bør gjøre mer research på Laser Photonics Corp.

Siste nytt og utvikling for Laser Photonics Corp (LASE)-aksjen

Avanserte PCSEL-er | Konklusjon

Avanserte PCSEL-er vil innlede en ny æra innen teknologi. Forskere har allerede utforsket neste generasjons laserfremdriftssystemer og kommunikasjonsnettverk. Introduksjonen av en mer pålitelig og øyesikker laser i ligningen vil bare bidra til å forsterke denne innsatsen, noe som fører til større innovasjon. Foreløpig er det fortsatt mye arbeid som må gjøres, men dette teamet av innovative ingeniører har lagt et solid grunnlag for fremtidig innsats.

Lær om andre kule gjennombrudd her..

Referert til studier:

^{1. Choquette, KD, Lee, ML, Ozden, S., Guo, Z., Xu, S., og Park, JS (2024). Fotopumpede nedgravde dielektriske fotoniske krystalloverflateemitterende lasereIEEE Photonics Journal, 16(3), 1–8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}