قد تجعل تقنيات PCSEL المتقدمة الليزرات العسكرية أقوى بكثير

قدمت فريق من كلية غرينجر للهندسة بجامعة إلينوي نوعًا جديدًا من تصميم الليزر يوفر سطوعًا أعلى وحزمة أكثر تركيزًا. تدمج تقنيات PCSEL المتقدمة أكسيد السيليكون العازل المدفون دون الميكرون للحفاظ على حزمتها لفترات أطول، مما يفتح الباب أمام أسلحة الطاقة المتقدمة، وأنظمة الليدار، والاتصالات الفضائية. إليكم كيف ستشهد الليزرات ترقية كبيرة.

تتطور تقنية الليزر باستمرار لتلبية الطلب المتزايد على الأجهزة التي تعمل بالليزر. اليوم، تستخدم سيارتك الكهربائية الليزر للملاحة عبر نظام الليدار. كما تستغل الشركات الصناعية الليزر في كل شيء من المسح إلى اللحام والنقش وما بينهما. وبالتالي، أصبحت تقنية الليزر عنصرًا حيويًا في الحياة اليومية.

VCSELs

النوع الأكثر شيوعًا من الليزرات المستخدمة في هذه التطبيقات المتقدمة هو الليزر القاعدي السطحي ذو التجويف الرأسي (VCSELs). تمتلك VCSELs رنانًا ليزريًا أحاديًا على صماماتها ينتج حزمة تنبعث من الشريحة بشكل عمودي على سطحها.

هذا النوع من الليزر مثالي للمسافات القصيرة، مما يجعله مناسبًا لمهام مثل الطباعة بالليزر، ومسح الباركود، وحتى الليدار قصير المدى الموجود في هاتفك الذكي. من مزايا VCSELs أنها ميسورة التكلفة وتتمتع بتصميم مثبت.

مع ذلك، تعاني VCSELs من نقص عندما يتعلق الأمر بالتطبيقات المتقدمة. هذه الليزرات محدودة في القدرة والمسافة، مما يجعلها غير ملائمة عند مناقشة خيارات الدفاع الصاروخي المتقدم أو الاتصالات الفضائية.

PCSELs

كان العلماء يعلمون منذ زمن طويل أنهم بحاجة إلى بديل أقوى. في عام 2020، أدى تقديم الليزرات السطحية ذات البلورات الضوئية (PCSELs) إلى فتح باب لجيل جديد من الأجهزة التي تعمل بالليزر. ينبعث هذا النوع من الليزر الضوء مباشرةً من سطحه عبر البلورات الضوئية.

البلورات الضوئية هي هياكل دورية دون طول الموجة يمكنها تعديل الموجات الكهرومغناطيسية في محيطها. على عكس سابقتها، تستخدم تصميمًا ثنائي الأبعاد للبلورات الضوئية لتشتت وربط حزم الضوء معًا.

من هناك، يمر الموجة الثابتة الثنائية الأبعاد التي تشكلت حديثًا عبر مادة الكسب، مما يعزز قوتها. تسمح هذه الاستراتيجية للمهندسين بتضخيم الكسب بدلاً من إدخال طاقة الليزر لزيادة سطوع الحزمة. وبالتالي، مكنت هذه الاستراتيجية المهندسين من الحفاظ على وضع ليزر واحد.

مشكلات PCSELs

من الجدير بالذكر أن بعض القيود حدّت قدرة PCSELs على التوسع لتلبية متطلبات الجيش الحديثة. أولاً، تُصنع هذه الليزرات باستخدام ثقوب هوائية تساعد الجهاز على مقاومة تراكم الحرارة. عندما حاول المهندسون توسيع هذه الأجهزة لتطبيقات أكثر قوة، لاحظوا أن ذرات شبه الموصل تبدأ بملء هذه الثقوب، مما يؤدي إلى تشوه بنية البلورة الضوئية.

PCSELs ذات العازل المدفون: دراسة رائدة

كشف مهندسون من كلية غرينجر للهندسة بجامعة إلينوي أوربانا-شامبين مؤخرًا عن طريقة لتخفيف هذه المشكلات. ورقتهم¹، بعنوان “Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers“، تُظهر نهجًا جديدًا يدمج مثلثات عازل مدفونة دون الميكرون (SiO2) كعنصر منخفض الانكسار في البلورة الضوئية.

المصدر – IEEE Photonics Journal

بدأ المهندسون بملء الفجوات الهوائية المعتادة بمادة عازلة صلبة. ضمنت هذه الطريقة عدم تشوه البلورات الضوئية أثناء النمو المتجدد. سمح التصميم الجديد للجهاز بتبديد الحرارة بمعدل أسرع، مما يعزز الكفاءة والمتانة.

وفقًا لتقريرهم، قام المهندسون بتغليف البلورات الضوئية بالكامل. تحديدًا، تم ضبط أطوال أضلاع المثلث العازل بين 200 إلى 260 نانومتر. كما أن استخدام أكسيد السيليكون مكن البلورات من النمو حول المادة العازلة، مما وفر دعمًا فائقًا وأداءً محسّنًا.

اختبار PCSELs ذات العازل المدفون

لاختبار نظريتهم، صمم المهندسون PCSELs ذات العازل المدفون وأجروا عليها عدة تجارب للضخ الضوئي. استخدم الفريق بشكل خاص مرشح مرور طويل في مطياف صفيفي خطي InGaAs مبرد بالنيتروجين السائل وكاميرات InGaAs SWIR لمراقبة طيف الليزر وأنماط الحقل.

كما استخدم الفريق مرشحًا ثنائي اللون محاذيًا وضع بين العدسة وPCSEL لمراقبة أنماط الصورة البعيدة. أسقط هذا النهج ضوءًا بطول 1.5 ميكرومتر على شاشة وضعت على بعد 65 مم من العينة. كشفت هذه الاختبارات عن بعض النتائج المثيرة للاهتمام.

النتائج: أداء PCSELs المتقدمة

أظهر التصميم الجديد للليزر قدرة أكبر وموثوقية أعلى مقارنةً بالسابقين. بالإضافة إلى ذلك، أظهر مقاومة للانتقال الحراري حتى عند الاستخدام المستمر والثقيل. وما هو أكثر إثارة هو أن الليزر يمكن تشغيله في درجة حرارة الغرفة وعلى أطوال موجية ضوئية آمنة للعين البشرية.

فوائد PCSELs المتقدمة

هناك العديد من الفوائد التي يجلبها PCSEL المطور إلى السوق. أولاً، سيفتح الباب أمام ليزرات أكثر استقرارًا وإسقاطًا لفترات أطول. ستستخدم هذه الأجهزة طاقة أقل بكثير ويمكنها البقاء باردة أثناء التشغيل المستمر.

تحسين الموثوقية

فائدة أخرى هي موثوقيتها على المدى الطويل. كانت الإصدارات السابقة من PCSELs تشهد تراجعًا في الأداء مع مرور الوقت حيث بدأت البلورات التي تشكل الحزمة بالتدهور بسبب تداخل الذرات. يلغي هذا النهج الأخير هذه المشكلة، مما يعني أن هذه الأجهزة تتمتع بعمر افتراضي أطول بكثير.

زيادة قدرة الطاقة

الفائدة الرئيسية للـ PCSELs هي قدرتها على التعامل مع طاقة أكبر بكثير. تجعل هذه القدرة منها مثالية للأسلحة الموجهة للطاقة من الجيل التالي. تُعتبر هذه الأنظمة مستقبل العتاد العسكري لعدة أسباب، بما في ذلك أنها تمتلك ذخيرة شبه لا نهائية، محدودة فقط بإمداد الطاقة.

تطبيقات PCSELs في العالم الحقيقي

هناك قائمة طويلة من التطبيقات للليزرات الأكثر موثوقية والقوة العالية. ستجد هذه الأجهزة موطئ قدمها في كل شيء من الطائرات بدون طيار إلى السيارات الكهربائية وحتى المركبات الفضائية. هناك بالفعل الكثير من الأشخاص الذين يرون هذه التقنية أساسية لتصاميم العتاد العسكري المستقبلية.

أنظمة الليدار من الجيل التالي

يُغيّر الليدار الطريقة التي يتفاعل بها الناس ويرون بها العالم. بالفعل، يساعد الليدار عالي القدرة في رسم خرائط للمناطق غير المعروفة في أعماق الغابات أو قاع المحيط. ستصبح هذه الأنظمة أكثر صمودًا وقدرة مع زيادة طاقة الليزرات التي تستخدمها.

أنظمة الأسلحة الليزرية المتقدمة

يسعى الجيش إلى استغلال هذه التقنية لإنشاء ليزرات يمكنها القضاء على صواريخ ومركبات العدو. خضعت هذه الأسلحة لاختبارات لعدة عقود. ومع ذلك، لم يبدأ دمجها في المركبات إلا مؤخرًا. رغم أنها لا تزال في مرحلة الاختبار، فإن هذه الأسلحة المدفوعة بالليزر ستسيطر يومًا ما على ساحات المعارك المستقبلية.

جدول تبني PCSELs

قد يستغرق الأمر 20 سنة أخرى قبل أن تصل هذه التقنية إلى المدنيين. لا يزال هناك الكثير من الأبحاث المطلوبة لتوسيع التصميم وضمان سلامته. بينما سيتعين على المدنيين الانتظار، من المحتمل أن تُستخدم هذه التقنية عسكريًا خلال العقد القادم.

تعرف على فريق بحث PCSELs

قادت كلية غرينجر للهندسة بجامعة إلينوي أوربانا-شامبين دراسة PCSELs. على وجه التحديد، يُذكر كينت تشوكيت كالمؤلف الرئيسي للدراسة. حصل على دعم قوي من أعضاء مجموعة مينجو لاري لي. ومن الجدير بالذكر أن المشروع بالكامل تلقى تمويلًا ودعمًا من مختبر أبحاث القوات الجوية،

نظرة مستقبلية على PCSELs المتقدمة

سيعمل المهندسون الآن على تحسين تصميمهم الحالي. يخططون لجعل الجهاز أكثر موثوقية وتوسيع طاقته مع تقليل حجمه. بالإضافة إلى ذلك، سيعملون على إنشاء عمليات تصنيع مستدامة لتسريع عملية الإنتاج.

الاستثمار في صناعة الليزر

هناك عدد قليل من المتنافسين الرائدين في صناعة الليزر. تستمر هذه الشركات في تحقيق أرباح متزايدة مع تزايد الطلب على ليزرها عالي التقنية. إليكم شركة واحدة لا تزال قوة مهيمنة في قطاع الليزر ويمكن أن تستفيد من أي ترقيات كبيرة للتقنية.

Laser Photonics Corp

دخلت شركة Laser Photonics Corp (LASE ) السوق في عام 2019 ومقرها في أورلاندو، فلوريدا. منذ ذلك الحين، تخصصت الشركة في إنتاج الليزر عالي القدرة والصناعي. تقدم حاليًا مزيجًا من حلول الليزر القياسية والمخصصة للعملاء الصناعيين.

حصلت الشركة على سمعة طيبة للجودة بفضل أنظمة تنظيف الليزر الموثوقة، وخيارات القطع، وأجهزة التشطيب. ساعدت هذه الأجهزة الشائعة في إظهار التزام Laser Photonics بتقديم حلول ليزر موثوقة وفعالة. ينبغي لأولئك الذين يسعون للحصول على تعرض لقطاع تصنيع الليزر السريع البحث أكثر عن شركة Laser Photonics Corp.

آخر أخبار وتطورات أسهم Laser Photonics Corp (LASE)

PCSELs المتقدمة | الخلاصة

ستفتح PCSELs المتقدمة بابًا لعصر جديد في التكنولوجيا. بالفعل، يستكشف العلماء أنظمة دفع ليزرية من الجيل التالي وشبكات الاتصال. سيعزز إدخال ليزر أكثر موثوقية وآمن للعين هذه الجهود، مما يؤدي إلى مزيد من الابتكار. في الوقت الحالي، لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين إنجازه، لكن فريق المهندسين المبتكرين وضع أساسًا صلبًا للجهود المستقبلية.

تعرف على اختراقات أخرى رائعة هنا.

الدراسات المشار إليها:

^{1. Choquette, K. D., Lee, M. L., Ozden, S., Guo, Z., Xu, S., & Park, J. S. (2024). ليزرات سطحية صادرة من البلورة الضوئية ذات العازل المدفون مضخوخة بالضوء. IEEE Photonics Journal, 16(3), 1–8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}