Zaawansowane lasery PCSEL mogą znacznie wzmocnić lasery wojskowe

Zespół z Illinois Grainger Engineering opracował nowy typ lasera, który zapewnia większą jasność i bardziej skoncentrowaną wiązkę. Zaawansowane lasery PCSEL wykorzystują dielektryk krzemu o grubości submikronowej, aby utrzymać wiązkę przez dłuższy czas, otwierając drogę do zaawansowanej broni energetycznej, systemów LiDAR i komunikacji kosmicznej. Oto, jak lasery są przygotowywane do gruntownej modernizacji.

Technologia laserowa stale ewoluuje, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na urządzenia zasilane laserem. Obecnie urządzenia takie jak pojazdy elektryczne wykorzystują lasery do nawigacji za pomocą technologii LiDAR. Ponadto producenci przemysłowi wykorzystują lasery do wielu zastosowań, od skanowania, przez spawanie i trawienie, po wszystko pomiędzy. W związku z tym technologia laserowa stała się kluczowym elementem codziennego życia.

VCSEL

Najpopularniejszym typem laserów wykorzystywanych w tych zaawansowanych zastosowaniach są lasery z pionową wnęką rezonansową (VCSEL). Lasery VCSEL posiadają monolityczny rezonator laserowy na diodach, który generuje wiązkę promieniującą z chipa prostopadle do jego powierzchni.

Ten typ lasera idealnie nadaje się do pracy na krótkich dystansach, dzięki czemu idealnie nadaje się do zadań takich jak drukowanie laserowe, skanowanie kodów kreskowych, a nawet krótkodystansowe LiDAR-y, takie jak te dostępne w smartfonach. Zaletą laserów VCSEL jest ich przystępna cena i sprawdzona konstrukcja.

Jednak lasery VCSEL nie sprawdzają się w bardziej zaawansowanych zastosowaniach. Ich moc i zasięg są ograniczone, co czyni je przestarzałymi w kontekście rozważań nad możliwościami zaawansowanej obrony przeciwrakietowej lub komunikacji kosmicznej.

PCSEL-e

Naukowcy od dawna wiedzieli, że potrzebują potężniejszej alternatywy. Wprowadzenie w 2020 roku laserów fotonicznych emitujących światło powierzchniowo (PCSEL) otworzyło drogę do nowej generacji urządzeń zasilanych laserowo. Ten typ lasera emituje światło bezpośrednio z powierzchni za pośrednictwem kryształów fotonicznych.

Kryształy fotoniczne to podfalowe struktury periodyczne, które mogą zmieniać fale elektromagnetyczne w swoim otoczeniu. W przeciwieństwie do swoich poprzedników, wykorzystują one dwuwymiarową konstrukcję kryształu fotonicznego do dyfrakcji i łączenia wiązek światła.

Stamtąd nowo utworzona dwuwymiarowa fala stojąca przechodzi przez materiał wzmacniający, który wzmacnia jej moc. Ta strategia pozwala inżynierom na wzmocnienie wzmocnienia, a nie mocy wejściowej lasera, w celu zwiększenia jasności wiązki. W rezultacie, strategia ta umożliwiła inżynierom utrzymanie pojedynczego trybu laserowego.

Problemy z PCSEL-ami

Co istotne, pewne ograniczenia ograniczyły możliwości skalowania laserów PCSEL do współczesnych wymagań wojskowych. Po pierwsze, lasery te są wytwarzane z wykorzystaniem otworów wentylacyjnych, które pomagają urządzeniu przeciwdziałać gromadzeniu się ciepła. Próbując skalować te urządzenia do bardziej wydajnych zastosowań, inżynierowie zauważyli, że atomy półprzewodnika zaczęły wypełniać te otwory, co prowadziło do deformacji struktury kryształu fotonicznego.

Zakopane diody PCSEL: przełomowe badanie

Inżynierowie z Grainger College of Engineering na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign niedawno przedstawili sposób na złagodzenie tych problemów. Ich artykuł¹, pod tytulem "Fotopompowane lasery fotoniczne z powierzchniowo emitującym kryształem dielektrycznym”, przedstawia nowe podejście, które integruje trójkąty dielektryczne (SiO2) o grubości submikronowej jako składnik o niskim współczynniku załamania kryształu fotonicznego.

Źródło - Czasopismo IEEE Photonics

Inżynierowie rozpoczęli prace od wypełnienia standardowych szczelin powietrznych stałym materiałem dielektrycznym. Takie podejście zapewniło, że kryształy fotoniczne nie odkształcą się podczas ponownego wzrostu. Nowa konstrukcja pozwoliła urządzeniu na szybsze odprowadzanie ciepła, co przełożyło się na wzrost wydajności i trwałości.

Według raportu, inżynierowie całkowicie zamknęli kryształy fotoniczne. Dokładniej, długości boków trójkąta dielektrycznego zostały ustawione w zakresie od 200 do 260 nm. Ponadto, zastosowanie dwutlenku krzemu umożliwiło kryształom wzrost wokół materiału dielektrycznego, zapewniając lepsze wsparcie i lepszą wydajność.

Testowanie zakopanych dielektrycznych diod PCSEL

Aby przetestować swoją teorię, inżynierowie skonstruowali zakopane dielektryczne lasery PCSEL i poddali je kilku eksperymentom z fotopompowaniem. Zespół wykorzystał filtr długoprzepustowy w spektrometrze liniowym InGaAs chłodzonym ciekłym azotem oraz kamery SWIR InGaAs do monitorowania widm laserowych i wzorów pola.

Zespół wykorzystał również wyrównany filtr dichroiczny umieszczony między soczewką a PCSEL do monitorowania dalekich wzorów obrazu. To podejście polegało na rzutowaniu światła o średnicy 1.5 μm na ekran umieszczony w odległości 65 mm od próbki. Testy te przyniosły interesujące wyniki.

Wyniki: Zaawansowana wydajność PCSEL

Nowa konstrukcja lasera charakteryzowała się większą mocą i niezawodnością niż poprzednie modele. Ponadto wykazywała odporność na przewodnictwo cieplne, nawet przy ciągłym i intensywnym użytkowaniu. Co ciekawsze, laser mógł być emitowany w temperaturze pokojowej i przy długościach fal światła bezpiecznych dla ludzkiego oka.

Zaawansowane korzyści PCSEL

Zmodernizowane lasery PCSEL przynoszą rynkowi wiele korzyści. Po pierwsze, otwierają drogę do bardziej spójnych i dłuższych laserów projekcyjnych. Urządzenia te zużywają znacznie mniej energii i pozostają chłodniejsze podczas ciągłej pracy.

Poprawiona niezawodność

Kolejną zaletą jest ich długotrwała niezawodność. Poprzednie wersje PCSEL-ów charakteryzowały się spadkiem wydajności z czasem, ponieważ kryształy, które pomagały w formowaniu wiązki, zaczęły ulegać degradacji z powodu interferencji atomów. Najnowsze podejście eliminuje ten problem, co oznacza, że urządzenia te mają znacznie dłuższą żywotność.

Zwiększona moc

Główną zaletą PCSEL jest to, że mogą one obsługiwać znacznie większą moc. Ta zdolność sprawia, że idealnie nadają się do broni kierowanej nowej generacji. Systemy te są postrzegane jako przyszłość sprzętu wojskowego z kilku powodów, między innymi dlatego, że dysponują niemal nieograniczoną amunicją, ograniczoną jedynie przez źródło zasilania.

Zastosowania PCSEL w świecie rzeczywistym

Istnieje długa lista zastosowań dla bardziej niezawodnych i mocniejszych laserów. Urządzenia te znajdą zastosowanie we wszystkim, od dronów po pojazdy elektryczne, a nawet statki kosmiczne. Już teraz wiele osób uważa tę technologię za kluczową dla przyszłych projektów sprzętu wojskowego.

Systemy LiDAR nowej generacji

LiDAR zmienia sposób, w jaki ludzie wchodzą w interakcje i postrzegają świat. Już teraz LiDAR o dużej mocy pomaga mapować nieznane obszary głęboko w dżungli czy na dnie oceanu. Systemy te staną się bardziej odporne i wydajne w miarę zwiększania mocy laserów, z których korzystają.

Zaawansowane systemy broni laserowej

Wojsko dąży do wykorzystania tej technologii do stworzenia laserów zdolnych do niszczenia wrogich pocisków i pojazdów. Broń ta jest testowana od dziesięcioleci. Jednak dopiero niedawno zaczęto ją integrować z pojazdami. Choć wciąż znajduje się w fazie testów, ta broń zasilana laserem pewnego dnia zdominuje pola bitwy przyszłości.

Harmonogram wdrażania PCSEL

Może minąć kolejne 20 lat, zanim ta technologia trafi do cywilów. Nadal wiele pozostaje do zrobienia w zakresie udoskonalenia projektu i zapewnienia im bezpieczeństwa. Chociaż cywile będą musieli poczekać, technologia ta prawdopodobnie znajdzie zastosowanie w wojsku w ciągu najbliższej dekady.

Poznaj zespół badawczy PCSEL

Badaniem PCSEL kierował Grainger College of Engineering na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign. Kent Choquette jest wymieniony jako główny autor badania. Cieszył się on silnym wsparciem ze strony członków grupy Minjoo Larry'ego Lee. Co istotne, cały projekt otrzymał finansowanie i wsparcie od Air Force Research Laboratory.

Przyszłe perspektywy zaawansowanych PCSEL

Inżynierowie będą teraz udoskonalać swój obecny projekt. Planują zwiększyć niezawodność urządzenia i zwiększyć jego moc, jednocześnie zmniejszając jego rozmiar. Dodatkowo, będą pracować nad stworzeniem zrównoważonych procesów produkcyjnych, aby przyspieszyć proces produkcji.

Inwestowanie w branżę laserową

W branży laserowej istnieje kilku czołowych konkurentów. Firmy te stale odnotowują wzrost zysków, ponieważ popyt na ich zaawansowane technologicznie lasery stale rośnie. Oto jedna firma, która pozostaje dominującą siłą w sektorze laserowym i mogłaby skorzystać na wszelkich istotnych modernizacjach technologicznych.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE ) Firma weszła na rynek w 2019 roku i ma siedzibę w Orlando na Florydzie. Od tego czasu specjalizuje się w produkcji laserów dużej mocy i laserów przemysłowych. Obecnie oferuje klientom przemysłowym zarówno standardowe, jak i niestandardowe rozwiązania laserowe.

Firma zapewniła sobie powrót do kraju dzięki niezawodnym systemom czyszczenia laserowego, opcjom cięcia i urządzeniom wykończeniowym. Te popularne urządzenia udowodniły zaangażowanie firmy Laser Photonics w dostarczanie niezawodnych i skutecznych rozwiązań laserowych. Osoby zainteresowane dynamicznym sektorem produkcji laserowej powinny bliżej zapoznać się z ofertą Laser Photonics Corp.

Najnowsze wiadomości i wydarzenia dotyczące akcji Laser Photonics Corp (LASE)

Zaawansowane PCSEL-e | Wnioski

Zaawansowane lasery PCSEL zapoczątkują nową erę w technologii. Naukowcy już teraz badają systemy napędowe laserowe i sieci komunikacyjne nowej generacji. Wprowadzenie bardziej niezawodnego i bezpiecznego dla oka lasera do równania tylko zdynamizuje te wysiłki, prowadząc do większej innowacyjności. Na razie jest jeszcze wiele do zrobienia, ale ten zespół innowacyjnych inżynierów położył solidny fundament pod przyszłe wysiłki.

Dowiedz się o innych ciekawych przełomach w tym miejscu.

Przywoływane badania:

^{1. Choquette, KD, Lee, ML, Ozden, S., Guo, Z., Xu, S. i Park, JS (2024). Fotopompowane lasery fotoniczne emitujące powierzchnię z zakopanego dielektrycznego kryształu. Czasopismo IEEE Photonics, 16(3), 1–8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}