PCSEL tiên tiến có thể làm cho tia laser quân sự mạnh hơn nhiều

Một nhóm nghiên cứu từ Illinois Grainger Engineering đã giới thiệu một loại thiết kế laser mới, cung cấp độ sáng cao hơn và chùm tia tập trung hơn. Các PCSEL tiên tiến này kết hợp silicon dioxide điện môi được chôn dưới kích thước siêu nhỏ để duy trì chùm tia trong thời gian dài hơn, mở ra cánh cửa cho vũ khí năng lượng tiên tiến, hệ thống LiDAR và thông tin liên lạc không gian. Dưới đây là cách laser được thiết lập để có một bản nâng cấp lớn.

Công nghệ laser không ngừng phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về các thiết bị sử dụng năng lượng laser. Ngày nay, các vật dụng như xe điện (EV) của bạn sử dụng laser để định vị thông qua LiDAR. Ngoài ra, các nhà sản xuất công nghiệp cũng tận dụng laser cho mọi thứ, từ quét đến hàn, khắc, v.v. Vì vậy, công nghệ laser đã trở thành một thành phần thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày.

VCSEL

Loại laser phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng cao cấp này là laser phát xạ bề mặt khoang thẳng đứng (VCSEL). VCSEL có bộ cộng hưởng laser nguyên khối trên diode, tạo ra chùm tia chiếu từ chip vuông góc với bề mặt của nó.

Kiểu laser này lý tưởng cho khoảng cách ngắn, rất phù hợp cho các tác vụ như in laser, quét mã vạch và thậm chí cả LiDAR tầm ngắn như trên điện thoại thông minh. Ưu điểm của VCSEL là giá cả phải chăng và thiết kế đã được kiểm chứng.

Tuy nhiên, VCSEL lại thiếu các ứng dụng tiên tiến hơn. Các tia laser này bị hạn chế về công suất và khả năng tầm xa, khiến chúng trở nên lỗi thời khi thảo luận về các lựa chọn cho hệ thống phòng thủ tên lửa tiên tiến hoặc thông tin liên lạc không gian.

PCSEL

Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng họ cần một giải pháp thay thế mạnh mẽ hơn. Năm 2020, sự ra đời của laser phát xạ bề mặt tinh thể quang tử (PCSEL) đã mở ra cánh cửa cho một thế hệ thiết bị laser mới. Kiểu laser này phát ra ánh sáng trực tiếp từ bề mặt thông qua các tinh thể quang tử.

Tinh thể quang tử là cấu trúc tuần hoàn dưới bước sóng, có khả năng biến đổi sóng điện từ trong vùng lân cận. Khác với các tinh thể tiền nhiệm, chúng sử dụng thiết kế tinh thể quang tử hai chiều để nhiễu xạ và ghép các chùm sáng lại với nhau.

Từ đó, sóng dừng hai chiều mới hình thành đi qua vật liệu khuếch đại, giúp khuếch đại công suất. Chiến lược này cho phép các kỹ sư khuếch đại độ khuếch đại thay vì công suất laser đầu vào để tăng độ sáng của chùm tia. Do đó, chiến lược này cho phép các kỹ sư duy trì một chế độ laser duy nhất.

Các vấn đề với PCSEL

Đáng chú ý, một số hạn chế đã hạn chế khả năng mở rộng của PCSEL để đáp ứng các yêu cầu quân sự hiện đại. Thứ nhất, các laser này được chế tạo bằng các lỗ khí, giúp thiết bị chống lại sự tích tụ nhiệt. Khi các kỹ sư cố gắng mở rộng quy mô thiết bị này cho các tình huống sử dụng mạnh mẽ hơn, họ nhận thấy các nguyên tử của chất bán dẫn bắt đầu lấp đầy các lỗ này, dẫn đến cấu trúc tinh thể quang tử bị biến dạng.

PCSEL điện môi chôn: Một nghiên cứu đột phá

Các kỹ sư từ Trường Cao đẳng Kỹ thuật Grainger thuộc Đại học Illinois Urbana-Champaign gần đây đã công bố một cách để giảm thiểu những vấn đề này. Bài báo của họ¹, có tiêu đềLaser phát xạ bề mặt tinh thể quang điện chôn vùi được bơm quang”, chứng minh một phương pháp mới tích hợp các tam giác điện môi chôn dưới micron (SiO2) làm thành phần có chỉ số thấp của tinh thể quang tử.

Nguồn - Tạp chí IEEE Photonics

Các kỹ sư bắt đầu bằng cách lấp đầy các khe hở thông thường bằng vật liệu điện môi rắn. Phương pháp này đảm bảo các tinh thể quang tử không bị biến dạng trong quá trình tái sinh. Thiết kế mới cho phép thiết bị tản nhiệt nhanh hơn, tăng hiệu suất và độ bền.

Theo báo cáo của họ, các kỹ sư đã đóng gói hoàn toàn các tinh thể quang tử. Cụ thể, chiều dài cạnh tam giác điện môi được đặt từ 200 đến 260 nm. Ngoài ra, việc sử dụng silicon dioxide cho phép các tinh thể phát triển xung quanh vật liệu điện môi, mang lại khả năng hỗ trợ vượt trội và hiệu suất được cải thiện.

Kiểm tra PCSEL điện môi chôn ngầm

Để kiểm chứng lý thuyết của mình, các kỹ sư đã chế tạo các PCSEL điện môi chôn dưới đất và tiến hành một số thí nghiệm bơm quang. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã sử dụng bộ lọc thông dài trong máy quang phổ mảng tuyến tính InGaAs làm mát bằng nitơ lỏng và camera SWIR InGaAs để theo dõi phổ laser và các mẫu trường.

Nhóm nghiên cứu cũng sử dụng một bộ lọc lưỡng sắc được căn chỉnh đặt giữa thấu kính và PCSEL để theo dõi các mẫu hình ảnh ở xa. Phương pháp này chiếu một ánh sáng 1.5 um lên màn hình được đặt cách mẫu 65 mm. Các thử nghiệm này đã cho thấy một số kết quả thú vị.

Kết quả: Hiệu suất PCSEL nâng cao

Thiết kế laser mới chứng minh được công suất và độ tin cậy cao hơn so với các thế hệ trước. Ngoài ra, nó còn cho thấy khả năng chống dẫn nhiệt, ngay cả khi sử dụng liên tục và cường độ cao. Điều thú vị hơn nữa là laser có thể được bắn ở nhiệt độ phòng và ở các bước sóng ánh sáng an toàn cho mắt người.

Lợi ích của PCSEL nâng cao

PCSEL nâng cấp mang lại nhiều lợi ích cho thị trường. Đầu tiên, chúng sẽ mở ra cánh cửa cho các tia laser chiếu ổn định và lâu hơn. Các thiết bị này sẽ tiêu thụ ít điện năng hơn và có thể giữ nhiệt tốt hơn trong quá trình hoạt động liên tục.

Cải thiện độ tin cậy

Một lợi ích khác là độ tin cậy lâu dài của chúng. Các phiên bản PCSEL trước đây sẽ bị giảm hiệu suất theo thời gian do các tinh thể giúp hình thành chùm tia bắt đầu bị phân hủy do sự can thiệp của nguyên tử. Phương pháp mới nhất này đã loại bỏ vấn đề này, đồng nghĩa với việc các thiết bị này có tuổi thọ cao hơn nhiều.

Khả năng tăng cường năng lượng

Ưu điểm chính của PCSEL là chúng có thể xử lý được nhiều năng lượng hơn. Khả năng này khiến chúng trở nên lý tưởng cho vũ khí năng lượng định hướng thế hệ tiếp theo. Những hệ thống này được coi là tương lai của phần cứng quân sự vì nhiều lý do, bao gồm việc chúng có lượng đạn gần như vô hạn, chỉ bị giới hạn bởi nguồn điện.

Ứng dụng thực tế cho PCSEL

Có một danh sách dài các ứng dụng cho laser công suất cao và đáng tin cậy hơn. Những thiết bị này sẽ được ứng dụng trong mọi thứ, từ máy bay không người lái đến xe điện, và thậm chí cả tàu vũ trụ. Đã có rất nhiều người coi công nghệ này là thiết yếu cho các thiết kế phần cứng quân sự trong tương lai.

Hệ thống LiDAR thế hệ tiếp theo

LiDAR đang thay đổi cách con người tương tác và nhìn nhận thế giới. Hiện tại, LiDAR công suất cao đang giúp lập bản đồ các khu vực chưa được biết đến sâu trong rừng rậm hoặc đáy đại dương. Các hệ thống này sẽ trở nên bền bỉ và hiệu quả hơn khi các tia laser được tăng cường công suất.

Hệ thống vũ khí laser tiên tiến

Quân đội đang tìm cách tận dụng công nghệ này để tạo ra các tia laser có khả năng tiêu diệt tên lửa và phương tiện của đối phương. Những vũ khí này đã được thử nghiệm trong nhiều thập kỷ. Tuy nhiên, phải đến gần đây chúng mới bắt đầu được tích hợp vào các phương tiện. Mặc dù vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, những vũ khí laser này một ngày nào đó sẽ thống trị chiến trường trong tương lai.

Dòng thời gian áp dụng PCSEL

Có thể phải mất thêm 20 năm nữa công nghệ này mới đến được với người dân. Vẫn còn rất nhiều nghiên cứu cần được thực hiện để mở rộng thiết kế và đảm bảo an toàn cho họ. Trong khi người dân sẽ phải chờ đợi, công nghệ này có thể sẽ được sử dụng trong quân sự trong thập kỷ tới.

Gặp gỡ nhóm nghiên cứu PCSEL

Trường Cao đẳng Kỹ thuật Grainger thuộc Đại học Illinois Urbana-Champaign đã dẫn đầu nghiên cứu PCSELs. Cụ thể, Kent Choquette được liệt kê là tác giả chính của nghiên cứu. Ông nhận được sự ủng hộ mạnh mẽ từ các thành viên của nhóm Minjoo Larry Lee. Đáng chú ý, toàn bộ dự án đã nhận được tài trợ và hỗ trợ từ Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân.

Triển vọng tương lai cho PCSEL nâng cao

Các kỹ sư hiện sẽ cải tiến thiết kế hiện tại. Họ dự định làm cho thiết bị đáng tin cậy hơn và mở rộng công suất đồng thời giảm kích thước. Ngoài ra, họ sẽ nỗ lực tạo ra các quy trình chế tạo bền vững để tăng tốc quá trình sản xuất.

Đầu tư vào ngành công nghiệp Laser

Có một vài đối thủ cạnh tranh hàng đầu trong ngành công nghiệp laser. Các công ty này tiếp tục chứng kiến lợi nhuận tăng trưởng khi nhu cầu về laser công nghệ cao của họ tiếp tục tăng. Dưới đây là một công ty vẫn đang thống trị trong lĩnh vực laser và có thể hưởng lợi từ bất kỳ sự nâng cấp lớn nào về công nghệ.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE -3.46%) Gia nhập thị trường vào năm 2019 và có trụ sở chính tại Orlando, Florida. Kể từ đó, công ty chuyên sản xuất laser công suất cao và laser công nghiệp. Hiện tại, công ty cung cấp các giải pháp laser tiêu chuẩn và tùy chỉnh cho khách hàng công nghiệp.

Công ty đã đảm bảo được việc hồi hương về chất lượng nhờ hệ thống làm sạch laser, các tùy chọn cắt và thiết bị hoàn thiện đáng tin cậy. Những thiết bị phổ biến này đã chứng minh cam kết của Laser Photonics trong việc cung cấp các giải pháp laser đáng tin cậy và hiệu quả. Những ai đang tìm kiếm cơ hội tiếp cận lĩnh vực sản xuất laser phát triển nhanh chóng nên tìm hiểu thêm về Laser Photonics Corp.

Tin tức và diễn biến mới nhất về cổ phiếu Laser Photonics Corp (LASE)

PCSEL nâng cao | Kết luận

PCSEL tiên tiến sẽ mở ra một kỷ nguyên mới trong công nghệ. Các nhà khoa học đã và đang khám phá các hệ thống đẩy laser và mạng lưới truyền thông thế hệ tiếp theo. Việc đưa vào sử dụng một loại laser đáng tin cậy và an toàn hơn cho mắt sẽ chỉ góp phần thúc đẩy những nỗ lực này, dẫn đến những đổi mới to lớn hơn. Hiện tại, vẫn còn rất nhiều việc phải làm, nhưng đội ngũ kỹ sư sáng tạo này đã đặt nền móng vững chắc cho những nỗ lực trong tương lai.

Tìm hiểu về những đột phá thú vị khác đây.

Các nghiên cứu được tham khảo:

^{1. Choquette, KD, Lee, ML, Ozden, S., Guo, Z., Xu, S., & Park, JS (2024). Laser phát xạ bề mặt tinh thể quang điện chôn dưới lòng đất được bơm quang. Tạp chí IEEE Photonics, 16(3), 1–8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}