Avancerede PCSEL’er kan gøre militære lasere meget stærkere

Et team fra Illinois Grainger Engineering har introduceret en ny type laserdesign, der giver højere lysstyrke og en mere koncentreret stråle. De avancerede PCSEL’er integrerer sub-mikron indlejret dielektrisk siliciumdioxid for at bevare deres stråle i længere perioder, hvilket åbner døren for avancerede energivåben, LiDAR-systemer og rumkommunikation. Sådan får lasere en betydelig opgradering.

Laserteknologi udvikler sig konstant for at imødekomme den stigende efterspørgsel efter laser-drevne enheder. I dag bruger ting som din elbil lasere til navigation via LiDAR. Derudover udnytter industrielle producenter lasere til alt fra scanning til svejsning, ætseprocesser og alt derimellem. På den måde er laserteknologi blevet en afgørende komponent i hverdagen.

VCSEL’er

Den mest almindelige type laser, der anvendes i disse avancerede applikationer, er vertikalt-kavitet overfladeudsendende lasere (VCSEL’er). VCSEL’er har en monolitisk laserresonator på deres dioder, som producerer en stråle, der udsendes fra chippen vinkelret på overfladen.

Denne type laser er ideel til korte afstande, hvilket gør den velegnet til opgaver som laserudskrivning, stregkodescanning og endda kortdistance-LiDAR som den, der findes på din smartphone. Fordelene ved VCSEL’er er, at de er prisvenlige og har et gennemprøvet design.

Dog mangler VCSEL’er, når det gælder mere avancerede anvendelser. Disse lasere er begrænsede i deres effekt- og afstandskapacitet, hvilket gør dem forældede i diskussioner om avanceret missilforsvar eller rumkommunikation.

PCSEL’er

Forskere har længe vidst, at de havde brug for et kraftigere alternativ. I 2020 åbnede introduktionen af fotonisk-krystal overfladeudsendende lasere (PCSEL’er) døren for en ny generation af laser-drevne enheder. Denne type laser udsender lys direkte fra sin overflade via fotoniske krystaller.

Fotoniske krystaller er subbølgelængde periodiske strukturer, der kan ændre elektromagnetiske bølger i deres nærhed. I modsætning til deres forgængere udnytter de deres todimensionale fotoniske krystaldesign til at diffraktere og koble lysstråler sammen.

Derefter passerer den nyformede todimensionale stående bølge gennem forstærkningsmaterialet, som forstærker dens effekt. Denne strategi gør det muligt for ingeniører at forstærke forstærkningen i stedet for laserens inputeffekt for at øge strålens lysstyrke. Som følge heraf gjorde denne strategi det muligt for ingeniører at opretholde en enkelt lasningstilstand.

Problemer med PCSEL’er

Især har visse begrænsninger hæmmet PCSEL’ernes evne til at skaleres op til moderne militære krav. For det første fremstilles disse lasere ved hjælp af luftlommer, som hjælper enheden med at bekæmpe termisk opbygning. Da ingeniører forsøgte at skalere disse enheder op til mere kraftfulde anvendelsestilfælde, bemærkede de, at atomerne i halvlederen begyndte at udfylde disse lommer, hvilket førte til, at den fotoniske krystalstruktur blev deformeret.

Indlejrede dielektriske PCSEL’er: En banebrydende undersøgelse

Ingeniører fra Grainger College of Engineering ved University of Illinois Urbana-Champaign har for nylig præsenteret en metode til at afbøde disse problemer. Deres artikel¹, med titlen “Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers“, demonstrerer en ny tilgang, der integrerer sub-mikron indlejrede dielektriske (SiO2) trekanter som den lavindeks komponent i den fotoniske krystal.

Kilde – IEEE Photonics Journal

Ingeniørerne begyndte med at fylde de sædvanlige luftlommer med fast dielektrisk materiale. Denne tilgang sikrede, at de fotoniske krystaller ikke deformeres under genvækst. Det nye design gjorde det muligt for enheden at aflede varme hurtigere, hvilket øgede effektiviteten og holdbarheden.

Ifølge deres rapport indkapslede ingeniørerne de fotoniske krystaller fuldstændigt. Specifikt blev sidelængderne på de dielektriske trekanter sat til mellem 200 og 260 nm. Desuden gjorde brugen af siliciumdioxid det muligt for krystallerne at vokse omkring det dielektriske materiale, hvilket gav overlegen støtte og forbedret ydeevne.

Test af de indlejrede dielektriske PCSEL’er

For at teste deres teori fremstillede ingeniørerne indlejrede dielektriske PCSEL’er og udsatte dem for flere fotopumpningsforsøg. Specifikt brugte holdet et langbåndspasfilter i et flydende nitrogen-kølet InGaAs lineært arrayspektrometer og InGaAs SWIR-kameraer til at overvåge lasningsspektret og feltmønstrene.

Holdet anvendte også et justeret dichroisk filter placeret mellem linsen og PCSEL’en for at overvåge fjerne billedmønstre. Denne tilgang projicerede et 1,5-µm lys på en skærm, der var placeret 65 mm fra prøven. Disse tests afslørede nogle interessante resultater.

Resultater: Avanceret PCSEL-ydeevne

Det nye laserdesign viste mere effekt og pålidelighed end forgængerne. Derudover udviste det modstand mod termisk ledning, selv under konstant og tung brug. Endnu mere interessant er, at laseren kan affyres ved stuetemperatur og ved lysbølgelængder, der er sikre for det menneskelige øje.

Fordele ved avancerede PCSEL’er

Der er mange fordele, som den opgraderede PCSEL bringer til markedet. For det første vil de åbne døren for mere konsistente og længerevarende lasere. Disse enheder vil bruge langt mindre strøm og kan forblive køligere under konstant drift.

Forbedret pålidelighed

En anden fordel er deres langsigtede pålidelighed. Tidligere versioner af PCSEL’er oplevede faldende ydeevne over tid, da krystallerne, der hjalp med at danne strålen, begyndte at nedbrydes på grund af atominterferens. Denne seneste tilgang eliminerer dette problem, hvilket betyder, at disse enheder har en meget længere levetid.

Øget effektkapacitet

Den primære fordel ved PCSEL’er er, at de kan håndtere meget mere effekt. Denne kapacitet gør dem ideelle til næste generations rettede energivåben. Disse systemer betragtes som fremtiden for militært udstyr af flere grunde, herunder at de har næsten ubegrænset ammunition, kun begrænset af deres strømkilde.

Reelle anvendelser af PCSEL’er

Der er en lang liste over anvendelser for mere pålidelige og højereffektive lasere. Disse enheder vil finde anvendelse i alt fra droner til elbiler og endda rumfartøjer. Der er allerede mange, der ser denne teknologi som afgørende for fremtidige militære hardwaredesigns.

Næste generations LiDAR-systemer

LiDAR ændrer den måde, folk interagerer med og ser verden på. Allerede hjælper højtydende LiDAR med at kortlægge ukendte områder dybt i jungler eller på havbunden. Disse systemer vil blive mere robuste og kapable, efterhånden som de lasere, de bruger, får mere effekt.

Avancerede laservåbensystemer

Militæret ønsker at udnytte denne teknologi til at skabe lasere, der kan nedlægge fjendtlige missiler og køretøjer. Disse våben har været under test i årtier. Det var dog først for nylig, at de begyndte at blive integreret i køretøjer. Selvom de stadig er i testfasen, vil dette laser-drevne våben en dag dominere fremtidens slagmarker.

PCSEL’ers adoptions-tidslinje

Det kan tage yderligere 20 år, før denne teknologi når civilsamfundet. Der er stadig meget forskning, der skal udføres med hensyn til at skalere designet op og sikre deres sikkerhed. Mens civile må vente, vil denne teknologi sandsynligvis blive brugt militært inden for det næste årti.

Mød PCSEL-forskerteamet

Grainger College of Engineering ved University of Illinois Urbana-Champaign ledte PCSEL-undersøgelsen. Specifikt er Kent Choquette opført som hovedforfatter af studiet. Han havde stærk støtte fra medlemmer af Minjoo Larry Lee-gruppen. Bemærkelsesværdigt modtog hele projektet finansiering og støtte fra Air Force Research Laboratory,

Fremtidsudsigten for avancerede PCSEL’er

Ingeniørerne vil nu forbedre deres nuværende design. De planlægger at gøre enheden mere pålidelig og skalere dens effekt op, samtidig med at de reducerer dens formfaktor. Derudover vil de arbejde på at skabe bæredygtige fremstillingsprocesser for at fremskynde produktionen.

Investering i laserindustrien

Der er nogle få førende aktører i laserindustrien. Disse virksomheder ser fortsat stigende overskud, efterhånden som efterspørgslen efter deres højteknologiske lasere vokser. Her er en virksomhed, der forbliver en dominerende kraft i lasersektoren og kan drage fordel af eventuelle store opgraderinger af teknologien.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE ) gik ind på markedet i 2019 og har hovedkontor i Orlando, Florida. Siden da har virksomheden specialiseret sig i produktion af højtydende og industrielle lasere. Den tilbyder i øjeblikket en blanding af standard- og tilpassede lasersystemer til industrielle kunder.

Virksomheden sikrede kvalitet gennem repatriering på grund af sine pålidelige laser-rengøringssystemer, skæremuligheder og efterbehandlingsenheder. Disse populære enheder har hjulpet med at demonstrere Laser Photonics’ engagement i at levere pålidelige og effektive lasersystemer. De, der søger eksponering mod den hurtigt bevægende laserfremstillingssektor, bør undersøge Laser Photonics Corp nærmere.

Seneste nyheder og udviklinger om Laser Photonics Corp (LASE) aktier

Avancerede PCSEL’er | Konklusion

Avancerede PCSEL’er vil indlede en ny æra inden for teknologi. Allerede har forskere udforsket næste generations laserpropulsionssystemer og kommunikationsnetværk. Introduktionen af en mere pålidelig og øjensikker laser i ligningen vil kun hjælpe med at accelerere disse bestræbelser og føre til større innovation. For nu er der stadig meget arbejde, men dette team af innovative ingeniører har lagt et solidt fundament for fremtidige indsatser.

Lær om andre spændende gennembrud her.

Studier refereret:

^{1. Choquette, K. D., Lee, M. L., Ozden, S., Guo, Z., Xu, S., & Park, J. S. (2024). Photopumped buried dielectric photonic-crystal surface-emitting lasers. IEEE Photonics Journal, 16(3), 1–8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}