Вдосконалені PCSEL можуть зробити військові лазери набагато потужнішими

Команда з Іллінойського Grainger Engineering представила новий тип лазерної конструкції, яка забезпечує вищу яскравість та більш концентрований промінь. Удосконалені PCSEL містять субмікронний діелектричний діоксид кремнію для підтримки променя протягом тривалішого часу, відкриваючи шлях для передової енергетичної зброї, систем LiDAR та космічного зв'язку. Ось як лазери планують отримати суттєве оновлення.

Лазерні технології постійно розвиваються, щоб задовольнити зростаючий попит на пристрої на лазерному дроті. Сьогодні такі пристрої, як ваш електромобіль, використовують лазери для навігації за допомогою LiDAR. Крім того, промислові виробники використовують лазери для всього: від сканування до зварювання, травлення та всього між ними. Таким чином, лазерні технології стали важливим компонентом повсякденного життя.

VCSEL

Найпоширенішим типом лазерів, що використовуються в цих високопродуктивних застосуваннях, є лазери з вертикальним резонатором та поверхневим випромінюванням (VCSEL). VCSEL мають монолітний лазерний резонатор на своїх діодах, який створює промінь, що проектується з чіпа перпендикулярно до його поверхні.

Цей тип лазера ідеально підходить для коротких відстаней, що робить його ідеальним для таких завдань, як лазерний друк, сканування штрих-кодів і навіть LiDAR на короткі відстані, як той, що є у вашому смартфоні. Переваги VCSEL полягають у тому, що вони доступні та мають перевірену конструкцію.

Однак, VCSEL не мають переваг у більш просунутих застосуваннях. Ці лазери обмежені за потужністю та дальністю дії, що робить їх застарілими, коли йдеться про варіанти передової протиракетної оборони або космічного зв'язку.

PCSEL

Вчені давно знали, що їм потрібна потужніша альтернатива. У 2020 році поява фотонно-кристалічних лазерів з поверхневим випромінюванням (PCSEL) відкрила двері для нового покоління лазерних пристроїв. Цей тип лазера випромінює світло безпосередньо зі своєї поверхні через фотонні кристали.

Фотонні кристали – це субхвильові періодичні структури, які можуть змінювати електромагнітні хвилі поблизу. На відміну від своїх попередників, вони використовують свою двовимірну конструкцію фотонного кристала для дифракції та об'єднання світлових променів.

Звідти новоутворена двовимірна стояча хвиля проходить через матеріал підсилення, що підсилює її потужність. Ця стратегія дозволяє інженерам посилювати коефіцієнт підсилення, а не вхідну потужність лазера, щоб збільшити яскравість променя. Отже, ця стратегія дозволила інженерам підтримувати один режим генерації лазера.

Проблеми з PCSEL

Примітно, що деякі обмеження обмежують можливості PCSEL масштабуватися відповідно до сучасних військових вимог. По-перше, ці лазери виготовляються з використанням повітряних отворів, які допомагають пристрою боротися з тепловим накопиченням. Коли інженери намагалися масштабувати ці пристрої для більш потужних сценаріїв використання, вони помітили, що атоми напівпровідника починають заповнювати ці отвори, що призводить до деформації фотонно-кристалічної структури.

Закопані діелектричні PCSEL: проривне дослідження

Інженери з Інженерного коледжу Грейнджера при Університеті Іллінойсу Урбана-Шампейн нещодавно представили спосіб пом'якшення цих проблем. У своїй статті...¹, під назвою «Фотонно-кристалічні лазери з фотонакачуванням, закопані в діелектричних шарах, що випромінюють поверхневе випромінювання«», демонструє новий підхід, який інтегрує субмікронні трикутники діелектрика (SiO2) як низькоіндексний компонент фотонного кристала.

Джерело - Журнал IEEE Photonics

Інженери почали із заповнення звичайних повітряних зазорів твердим діелектричним матеріалом. Такий підхід гарантував, що фотонні кристали не деформуватимуться під час повторного росту. Нова конструкція дозволила пристрою швидше розсіювати тепло, що підвищило ефективність та довговічність.

Згідно з їхнім звітом, інженери повністю інкапсулювали фотонні кристали. Зокрема, довжина сторін діелектричного трикутника була встановлена від 200 до 260 нм. Крім того, використання діоксиду кремнію дозволило кристалам рости навколо діелектричного матеріалу, забезпечуючи чудову підтримку та покращені характеристики.

Тестування заглиблених діелектричних PCSEL

Щоб перевірити свою теорію, інженери виготовили закопані діелектричні PCSEL та провели кілька експериментів з фотонакачуванням. Зокрема, команда використовувала довгопрохідний фільтр у лінійному матричному спектрометрі InGaAs з рідким азотом та InGaAs SWIR-камери для моніторингу спектрів лазерного випромінювання та картин поля.

Команда також використовувала узгоджений дихроїчний фільтр, розміщений між лінзою та PCSEL, для моніторингу зображень на відстані. Цей підхід проектував світло розміром 1.5 мкм на екран, встановлений на відстані 65 мм від зразка. Ці тести показали деякі цікаві результати.

Результати: Розширена продуктивність PCSEL

Нова конструкція лазера продемонструвала більшу потужність та надійність, ніж попередники. Крім того, вона показала стійкість до теплопровідності, навіть за умови постійного та інтенсивного використання. Ще цікавіше те, що лазер міг працювати за кімнатної температури та на довжинах хвиль світла, безпечних для людського ока.

Переваги розширених PCSEL

Оновлений PCSEL пропонує багато переваг на ринку. По-перше, він відкриває можливості для більш стабільних та довготривалих лазерів, що проектують світло. Ці пристрої споживатимуть набагато менше енергії та зможуть залишатися холоднішими під час постійної роботи.

Покращена надійність

Ще однією перевагою є їхня довгострокова надійність. Попередні версії PCSEL з часом демонстрували зниження продуктивності, оскільки кристали, які допомагали формувати промінь, починали деградувати через атомну інтерференцію. Цей новітній підхід усуває цю проблему, а це означає, що ці пристрої мають набагато довший термін служби.

Збільшена потужність

Головною перевагою PCSEL є те, що вони можуть витримувати набагато більшу потужність. Ця здатність робить їх ідеальними для зброї спрямованої енергії наступного покоління. Ці системи розглядаються як майбутнє військової техніки з кількох причин, зокрема через те, що вони мають майже нескінченний запас боєприпасів, обмежений лише їхнім джерелом живлення.

Реальні застосування PCSEL

Існує довгий список застосувань для надійніших та потужніших лазерів. Ці пристрої знайдуть своє застосування в усьому: від дронів до електромобілів і навіть космічних апаратів. Вже зараз багато людей вважають цю технологію вирішальною для майбутніх розробок військової техніки.

Системи LiDAR наступного покоління

Лідар змінює те, як люди взаємодіють та бачать світ. Потужний Лідар вже допомагає картографувати невідомі регіони глибоко в джунглях або на океанському дні. Ці системи стануть більш стійкими та функціональними, оскільки лазери, які вони використовують, зростатимуть потужністю.

Передові лазерні системи зброї

Військові прагнуть використати цю технологію для створення лазерів, здатних знищувати ворожі ракети та транспортні засоби. Ця зброя проходить випробування вже десятиліттями. Однак лише нещодавно її почали інтегрувати в транспортні засоби. Хоча ця лазерна зброя все ще перебуває на стадії випробувань, одного дня вона керуватиме полями битв майбутнього.

Графік впровадження PCSEL

Може пройти ще 20 років, перш ніж ця технологія потрапить до цивільного населення. Ще потрібно провести багато досліджень щодо масштабування розробки та забезпечення їхньої безпеки. Хоча цивільним доведеться почекати, ця технологія, ймовірно, знайде військове застосування протягом наступного десятиліття.

Зустрічайте дослідницьку команду PCSEL

Дослідження PCSEL проводив Інженерний коледж Грейнджера при Університеті Іллінойсу в Урбана-Шампейн. Зокрема, Кент Чокетт вказаний як головний автор дослідження. Він мав сильну підтримку членів групи Мінджу Ларрі Лі. Примітно, що весь проект отримав фінансування та підтримку від Дослідницької лабораторії ВПС,

Перспективи для передових PCSEL

Тепер інженери вдосконалять свій поточний дизайн. Вони планують зробити пристрій надійнішим та збільшити його потужність, одночасно зменшуючи його форм-фактор. Крім того, вони працюватимуть над створенням екологічно чистих виробничих процесів для пришвидшення виробничого процесу.

Інвестування в лазерну галузь

У лазерній галузі є кілька провідних претендентів. Ці компанії продовжують спостерігати зростання прибутків, оскільки попит на їхні високотехнологічні лазери продовжує зростати. Ось одна компанія, яка залишається домінуючою силою в лазерному секторі та може отримати вигоду від будь-яких значних оновлень технології.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE ) вийшла на ринок у 2019 році, а штаб-квартира компанії знаходиться в Орландо, штат Флорида. З того часу компанія спеціалізується на виробництві потужних та промислових лазерів. Наразі вона пропонує промисловим клієнтам поєднання стандартних та індивідуальних лазерних рішень.

Компанія забезпечила повернення якості завдяки своїм надійним системам лазерного очищення, опціям різання та пристроям для обробки. Ці популярні пристрої допомогли продемонструвати прагнення Laser Photonics надавати надійні та ефективні лазерні рішення. Тим, хто хоче ознайомитися з динамічним сектором лазерного виробництва, варто детальніше дослідити Laser Photonics Corp.

Останні новини та події щодо акцій Laser Photonics Corp (LASE)

Розширені PCSEL | Висновок

Передові PCSEL (лазерні двигуни з лазерним двигуном) відкриють нову еру в технологіях. Вчені вже досліджують лазерні рушійні системи та комунікаційні мережі наступного покоління. Впровадження більш надійного та безпечного для очей лазера лише допоможе посилити ці зусилля, що призведе до більших інновацій. Наразі ще багато роботи попереду, але ця команда інженерів-новаторів заклала міцну основу для майбутніх зусиль.

Дізнайтеся про інші цікаві відкриття тут.

Посилання на дослідження:

^{1. Шокетт, К.Д., Лі, М.Л., Озден, С., Го, З., Сюй, С. та Парк, Дж.С. (2024). Фотонно-кристалічні лазери з фотонакачуванням на закопаних діелектричних поверхняхЖурнал фотоніки IEEE, 16(3), 1–8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}