Усовершенствованные PCSEL могут значительно повысить мощность военных лазеров

Команда компании Grainger Engineering из Иллинойса представила новый тип лазера, обеспечивающий более высокую яркость и более концентрированный луч. В усовершенствованных PCSEL используется субмикронный диэлектрик на основе диоксида кремния, что позволяет сохранять луч в течение более длительного времени, открывая путь для создания современного энергетического оружия, лидарных систем и космической связи. Вот как лазеры готовятся к серьёзному обновлению.

Лазерные технологии постоянно развиваются, чтобы удовлетворить растущий спрос на лазерные устройства. Сегодня такие устройства, как ваш электромобиль, используют лазеры для навигации с помощью лидара. Кроме того, промышленные производители используют лазеры для самых разных задач: от сканирования до сварки, травления и всего остального. Таким образом, лазерные технологии стали неотъемлемой частью повседневной жизни.

ВИЛ

Наиболее распространённым типом лазеров, используемых в этих высокотехнологичных приложениях, являются лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL). VCSEL имеют монолитный лазерный резонатор на диодах, который генерирует луч, исходящий из кристалла перпендикулярно его поверхности.

Этот тип лазера идеально подходит для работы на коротких расстояниях, что делает его идеальным для таких задач, как лазерная печать, сканирование штрихкодов и даже лидары на короткие расстояния, например, установленные в вашем смартфоне. Преимущества лазеров VCSEL заключаются в их доступности и проверенной конструкции.

Однако лазеры VCSEL не подходят для более продвинутых применений. Эти лазеры ограничены по мощности и дальности действия, что делает их устаревшими при обсуждении вариантов перспективной противоракетной обороны или космической связи.

PCSEL

Учёные давно знали, что им нужна более мощная альтернатива. В 2020 году появление фотонно-кристаллических поверхностно-излучающих лазеров (PCSEL) открыло путь новому поколению лазерных устройств. Этот тип лазеров излучает свет непосредственно со своей поверхности через фотонные кристаллы.

Фотонные кристаллы — это периодические структуры субволновой длины, способные изменять электромагнитные волны в непосредственной близости от себя. В отличие от своих предшественников, они используют двумерную фотонную кристаллическую структуру для дифракции и объединения световых лучей.

Оттуда вновь сформированная двумерная стоячая волна проходит через усиливающий материал, который усиливает её мощность. Эта стратегия позволяет инженерам увеличивать усиление, а не входную мощность лазера, для повышения яркости луча. Следовательно, эта стратегия позволила инженерам поддерживать один режим генерации.

Проблемы с PCSEL

Примечательно, что некоторые ограничения ограничивают масштабируемость PCSEL до уровня современных военных требований. Например, эти лазеры изготавливаются с использованием воздушных отверстий, которые помогают устройству противостоять накоплению тепла. Пытаясь масштабировать эти устройства для более мощных сценариев использования, инженеры заметили, что атомы полупроводника начинают заполнять эти отверстия, что приводит к деформации структуры фотонного кристалла.

Скрытые диэлектрические PCSEL: прорывное исследование

Инженеры из Инженерного колледжа Грейнджера при Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне недавно представили способ решения этих проблем. В своей работе они¹под названием «Фотонакачивающие заглубленные диэлектрические фотонно-кристаллические поверхностно-излучающие лазеры», демонстрирует новый подход, который интегрирует субмикронные скрытые диэлектрические (SiO2) треугольники в качестве низкоиндексного компонента фотонного кристалла.

Источник - Журнал фотоники IEEE

Инженеры начали с заполнения обычных воздушных зазоров твердым диэлектриком. Такой подход гарантировал, что фотонные кристаллы не деформируются во время роста. Новая конструкция позволила устройству быстрее рассеивать тепло, что повысило эффективность и долговечность.

Согласно отчёту, инженеры полностью инкапсулировали фотонные кристаллы. В частности, длины сторон диэлектрического треугольника были установлены в диапазоне от 200 до 260 нм. Кроме того, использование диоксида кремния позволило кристаллам расти вокруг диэлектрического материала, обеспечивая превосходную поддержку и улучшенные характеристики.

Тестирование скрытых диэлектрических PCSEL

Чтобы проверить свою теорию, инженеры изготовили скрытые диэлектрические PCSEL-лазеры и провели с ними несколько экспериментов по фотонакачке. В частности, команда использовала длиннополосный фильтр в линейном спектрометре на основе InGaAs, охлаждаемом жидким азотом, и коротковолновые ИК-камеры на основе InGaAs для мониторинга спектров лазерной генерации и полей.

Команда также использовала выровненный дихроичный фильтр, помещённый между линзой и PCSEL, для мониторинга дальних изображений. Этот подход проецировал свет с длиной волны 1.5 мкм на экран, расположенный на расстоянии 65 мм от образца. Эти испытания дали ряд интересных результатов.

Результаты: улучшенная производительность PCSEL

Новая конструкция лазера продемонстрировала большую мощность и надёжность по сравнению с предшественниками. Кроме того, она продемонстрировала устойчивость к теплопроводности даже при постоянном и интенсивном использовании. Ещё более интересно то, что лазер мог работать при комнатной температуре и на длинах волн света, безопасных для человеческого глаза.

Преимущества расширенных PCSEL

Усовершенствованный PCSEL предлагает рынку множество преимуществ. Во-первых, он открывает путь к более стабильным и дальним лазерам. Эти устройства будут потреблять гораздо меньше энергии и смогут меньше нагреваться при непрерывной работе.

Улучшенная надежность

Ещё одним преимуществом является их долговременная надёжность. Производительность предыдущих версий PCSEL со временем снижалась, поскольку кристаллы, формирующие пучок, начинали разрушаться из-за атомной интерференции. Новый подход устраняет эту проблему, а значит, срок службы этих устройств значительно увеличивается.

Увеличенная мощность

Главное преимущество PCSEL заключается в том, что они способны выдерживать гораздо большую мощность. Эта способность делает их идеальными для оружия направленной энергии следующего поколения. Эти системы рассматриваются как будущее военной техники по нескольким причинам, в том числе из-за практически бесконечного боезапаса, ограниченного только источником питания.

Реальные приложения для PCSEL

Существует множество областей применения более надёжных и мощных лазеров. Эти устройства найдут применение повсюду: от беспилотников до электромобилей и даже космических аппаратов. Многие уже сейчас считают эту технологию критически важной для будущих разработок военной техники.

Системы LiDAR нового поколения

Лидар меняет то, как люди взаимодействуют и видят мир. Мощный лидар уже помогает картировать неизвестные регионы в глубинах джунглей или на дне океана. Эти системы будут становиться всё более надёжными и эффективными по мере увеличения мощности используемых лазеров.

Современные системы лазерного оружия

Военные стремятся использовать эту технологию для создания лазеров, способных поражать вражеские ракеты и технику. Испытания этого оружия проводились десятилетиями. Однако лишь недавно оно стало применяться на транспортных средствах. Хотя это лазерное оружие всё ещё находится на стадии испытаний, однажды оно будет доминировать на полях сражений будущего.

Хронология внедрения PCSEL

Может пройти ещё 20 лет, прежде чем эта технология станет доступна гражданскому населению. Предстоит ещё много исследований для масштабирования конструкции и обеспечения безопасности. Гражданскому населению придётся подождать, но, вероятно, в течение ближайшего десятилетия эта технология найдёт применение в военных целях.

Познакомьтесь с исследовательской группой PCSEL

Инженерный колледж Грейнджера при Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне руководил исследованием PCSELs. В частности, Кент Чокетт указан в качестве главного автора исследования. Он пользовался активной поддержкой членов группы Минджу Ларри Ли. Примечательно, что весь проект финансировался и поддерживался Исследовательской лабораторией ВВС США.

Перспективы развития усовершенствованных PCSEL

Теперь инженеры будут совершенствовать текущую конструкцию. Они планируют сделать устройство более надёжным и увеличить его мощность, одновременно уменьшив его габариты. Кроме того, они будут работать над созданием экологичных производственных процессов для ускорения производства.

Инвестиции в лазерную промышленность

В лазерной отрасли есть несколько ведущих игроков. Эти компании продолжают получать растущие прибыли, поскольку спрос на их высокотехнологичные лазеры продолжает расти. Вот одна из компаний, которая остаётся доминирующей силой в лазерном секторе и может выиграть от любой серьёзной модернизации этой технологии.

Корпорация Laser Photonics

Корпорация Laser Photonics (LASE -3.46%) Компания вышла на рынок в 2019 году, её штаб-квартира находится в Орландо, штат Флорида. С тех пор компания специализируется на производстве мощных промышленных лазеров. В настоящее время она предлагает широкий спектр стандартных и индивидуальных лазерных решений для промышленных клиентов.

Компания добилась успеха благодаря своим надежным системам лазерной очистки, опциям резки и финишным устройствам. Эти популярные устройства продемонстрировали приверженность Laser Photonics созданию надежных и эффективных лазерных решений. Тем, кто хочет познакомиться с динамично развивающимся сектором производства лазеров, стоит подробнее изучить информацию о Laser Photonics Corp.

Последние новости и разработки компании Laser Photonics Corp (LASE)

Продвинутые PCSEL | Заключение

Усовершенствованные PCSEL откроют новую эру в технологиях. Учёные уже исследуют лазерные двигательные установки и сети связи нового поколения. Внедрение более надёжного и безопасного для глаз лазера только придаст импульс этим усилиям, способствуя более широкому внедрению инноваций. Пока ещё многое предстоит сделать, но эта команда инженеров-новаторов заложила прочный фундамент для будущих разработок.

Узнайте о других интересных прорывах здесь.

Ссылки на исследования:

^{1. Чокетт, К.Д., Ли, М.Л., Озден, С., Го, З., Сюй, С. и Парк, Дж.С. (2024). Фотонакачиваемые заглубленные диэлектрические фотонно-кристаллические поверхностно-излучающие лазеры. Журнал фотоники IEEE, 16(3), 1–8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}