先进的PCSEL可以使军用激光器更加强大

伊利诺伊大学格兰杰工程公司（Grainger Engineering）的团队推出了一种新型激光器设​​计，可提供更高的亮度和更集中的光束。先进的PCSEL采用亚微米埋置介电二氧化硅，可长时间维持光束，为先进能量武器、激光雷达系统和空间通信打开了大门。以下是激光器即将实现重大升级的方式。

激光技术不断发展，以满足日益增长的激光驱动设备需求。如今，像电动汽车这样的设备利用激光雷达 (LiDAR) 进行导航。此外，工业制造商也利用激光进行各种应用，从扫描到焊接、蚀刻，以及介于两者之间的所有环节。因此，激光技术已成为日常生活中不可或缺的一部分。

VCSEL

这些高端应用中最常见的激光器类型是垂直腔面发射激光器 (VCSEL)。VCSEL 的二极管上有一个单片激光谐振器，可产生从芯片垂直于芯片表面发射的光束。

这种类型的激光器非常适合短距离应用，非常适合激光打印、条形码扫描，甚至像智能手机上的短距离激光雷达 (LiDAR) 等任务。VCSEL 的优势在于价格实惠且设计成熟。

然而，VCSEL 在更先进的应用方面有所欠缺。这些激光器的功率和发射距离有限，这使得它们在讨论先进导弹防御或空间通信方案时显得有些过时。

PCSEL

科学家们早就知道，他们需要一种更强大的替代方案。2020年，光子晶体面发射激光器（PCSEL）的问世，为新一代激光驱动设备打开了大门。这种激光器通过光子晶体直接从其表面发射光线。

光子晶体是一种亚波长周期性结构，可以改变其附近的电磁波。与前代产品不同，它们利用二维光子晶体设计来衍射和耦合光束。

从那里，新形成的二维驻波穿过增益材料，从而放大其功率。这种策略允许工程师放大增益而不是激光功率输入，从而提高光束的亮度。因此，这种策略使工程师能够保持单一激光模式。

PCSEL 的问题

值得注意的是，一些限制因素限制了PCSEL扩展至满足现代军事需求的能力。首先，这些激光器采用气孔制造，这有助于器件抵抗热量积聚。当工程师们尝试将这些器件扩展至更强大的应用场景时，他们注意到半导体原子会开始填充这些气孔，导致光子晶体结构变形。

掩埋介质PCSEL：一项突破性研究

伊利诺伊大学香槟分校格兰杰工程学院的工程师们最近发现了一种缓解这些问题的方法。他们的论文¹，标题为“光泵浦埋置介质光子晶体面发射激光器》展示了一种新方法，将亚微米埋置电介质（SiO2）三角形集成为光子晶体的低折射率组件。

资源 - IEEE 光子学杂志

工程师们首先用固体介电材料填充常见的气隙。这种方法确保了光子晶体在再生过程中不会变形。新的设计使设备能够以更快的速度散热，从而提高效率和耐用性。

根据他们的报告，工程师们对光子晶体进行了完全封装。具体来说，介电三角形的边长设定在200至260纳米之间。此外，二氧化硅的使用使晶体能够在介电材料周围生长，从而提供卓越的支撑并增强性能。

测试掩埋介质 PCSEL

为了验证他们的理论，工程师们制作了埋入式介电体腔面发射激光器（PCSEL），并对其进行了多次光泵浦实验。具体来说，该团队在液氮冷却的InGaAs线性阵列光谱仪中使用了长通滤光片，并使用InGaAs SWIR相机来监测激光光谱和场模式。

该团队还在透镜和PCSEL之间放置了一个对准的二向色滤光片来监测远像图案。这种方法将1.5微米的光投射到距离样品65毫米的屏幕上。这些测试揭示了一些有趣的结果。

结果：先进 PCSEL 性能

新的激光器设计展现出比前代产品更高的功率和可靠性。此外，即使在持续高强度使用的情况下，它也表现出了良好的抗热导性。更有趣的是，该激光器可以在室温下以人眼安全的光波长发射。

先进 PCSEL 的优势

升级后的 PCSEL 为市场带来了诸多益处。首先，它们将为更稳定、投射时间更长的激光器打开大门。这些设备的功耗将大幅降低，并且在持续运行期间能够保持更低的温度。

更高的可靠性

另一个优势是其长期可靠性。先前版本的PCSEL性能会随着时间的推移而下降，因为用于形成光束的晶体会因原子干扰而开始劣化。而最新的方法消除了这个问题，这意味着这些器件的使用寿命更长。

增强的功率能力

PCSEL 的主要优势在于它们能够处理更大的功率。这一特性使其成为下一代定向能武器的理想选择。这些系统被视为军事硬件的未来，原因有很多，其中包括它们拥有几乎无限的弹药，仅受电源限制。

PCSEL 的实际应用

更可靠、更高功率的激光器有着广泛的应用前景。这些设备将广泛应用于无人机、电动汽车甚至航天器等各种领域。目前已有许多人认为这项技术对未来军事硬件设计至关重要。

下一代激光雷达系统

激光雷达正在改变人们互动和观察世界的方式。高功率激光雷达已经帮助绘制丛林深处或海底的未知区域。随着所用激光器功率的提升，这些系统将变得更加灵活和强大。

先进激光武器系统

军方试图利用这项技术制造能够摧毁敌方导弹和车辆的激光器。这些武器已经进行了数十年的测试。然而，直到最近，它们才开始被集成到车辆中。虽然仍处于测试阶段，但这些激光武器终有一天会主宰未来的战场。

PCSEL 采用时间表

这项技术可能还需要20年才能真正普及到民用。在扩大设计规模和确保其安全性方面，仍有许多研究工作要做。虽然民用方面还需要等待，但这项技术很可能在未来十年内应用于军事领域。

认识 PCSEL 研究团队

伊利诺伊大学香槟分校格兰杰工程学院领导了PCSELs研究。具体来说，肯特·乔凯特（Kent Choquette）被列为该研究的主要作者。他得到了Minjoo Larry Lee小组成员的大力支持。值得注意的是，整个项目得到了空军研究实验室（Air Force Research Laboratory）的资助和支持。

先进PCSEL的未来展望

工程师们将改进目前的设计。他们计划提高设备的可靠性，提升其功率，同时减小其体积。此外，他们还将致力于开发可持续的制造工艺，以加快生产速度。

投资激光行业

激光行业有几家领先的竞争者。随着市场对其高科技激光器的需求持续增长，这些公司的利润也在持续增长。以下是一家在激光领域仍然占据主导地位的公司，并且可能从该技术的任何重大升级中受益。

激光光子学公司

激光光子学公司 (LASE ) 该公司于2019年进入市场，总部位于佛罗里达州奥兰多。自成立以来，该公司一直专注于高功率和工业激光器的生产。目前，该公司为工业客户提供标准和定制的激光解决方案。

该公司凭借其可靠的激光清洁系统、切割选项和精加工设备，凭借其卓越的品质赢得了客户的青睐。这些广受欢迎的设备彰显了Laser Photonics致力于提供可靠高效的激光解决方案的决心。那些希望在快速发展的激光制造领域有所作为的人，应该对Laser Photonics Corp进行更深入的研究。

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先进的 PCSEL | 结论

先进的PCSEL将开启技术的新纪元。科学家们已经在探索下一代激光推进系统和通信网络。引入更可靠、更人眼安全的激光器，必将进一步推动这些研究，带来更大的创新。目前，我们仍有许多工作要做，但这支富有创新精神的工程师团队已经为未来的努力奠定了坚实的基础。

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参考研究：

^{1. Choquette, KD、Lee, ML、Ozden, S.、Guo, Z.、Xu, S. 和 Park, JS (2024)。 光泵浦埋置介质光子晶体面发射激光器. IEEE 光子学杂志, 16(3), 1-8。 https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}