Fortschrittliche PCSELs könnten Militärlaser deutlich leistungsfähiger machen

Ein Team von Illinois Grainger Engineering hat ein neues Laserdesign vorgestellt, das höhere Helligkeit und einen konzentrierteren Strahl bietet. Die fortschrittlichen PCSELs enthalten submikronisiertes dielektrisches Siliziumdioxid, um ihren Strahl länger aufrechtzuerhalten. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für fortschrittliche Energiewaffen, LiDAR-Systeme und die Weltraumkommunikation. So werden Laser deutlich verbessert.

Die Lasertechnologie entwickelt sich ständig weiter, um der wachsenden Nachfrage nach laserbetriebenen Geräten gerecht zu werden. Heute nutzen beispielsweise Elektrofahrzeuge Laser zur Navigation mittels LiDAR. Auch Industrieunternehmen nutzen Laser für verschiedenste Anwendungen, vom Scannen über Schweißen und Ätzen bis hin zu vielen weiteren Anwendungen. Lasertechnologie ist daher zu einem unverzichtbaren Bestandteil unseres Alltags geworden.

VCSELs

Der in diesen High-End-Anwendungen am häufigsten verwendete Lasertyp sind oberflächenemittierende Laser mit vertikaler Kavität (VCSELs). VCSELs verfügen über einen monolithischen Laserresonator auf ihren Dioden, der einen Strahl erzeugt, der senkrecht zur Chipoberfläche austritt.

Dieser Lasertyp eignet sich ideal für kurze Distanzen und eignet sich daher ideal für Aufgaben wie Laserdruck, Barcode-Scannen und sogar LiDAR für kurze Distanzen, wie es auf Smartphones zu finden ist. Die Vorteile von VCSELs liegen in ihrer Erschwinglichkeit und ihrem bewährten Design.

Für anspruchsvollere Anwendungen sind VCSELs jedoch nicht geeignet. Diese Laser sind in ihrer Leistung und Reichweite begrenzt und daher für die Raketenabwehr oder die Weltraumkommunikation obsolet.

PCSELs

Wissenschaftler wissen seit langem, dass sie eine leistungsfähigere Alternative benötigen. Im Jahr 2020 öffnete die Einführung von oberflächenemittierenden Photonenkristalllasern (PCSELs) die Tür für eine neue Generation laserbetriebener Geräte. Dieser Lasertyp emittiert Licht über photonische Kristalle direkt von seiner Oberfläche.

Photonische Kristalle sind periodische Strukturen mit einer Wellenlänge unterhalb der Wellenlänge, die elektromagnetische Wellen in ihrer Umgebung verändern können. Im Gegensatz zu ihren Vorgängern nutzen sie ihr zweidimensionales photonisches Kristalldesign, um Lichtstrahlen zu beugen und zu koppeln.

Von dort durchläuft die neu gebildete zweidimensionale stehende Welle ein Verstärkungsmaterial, das ihre Leistung verstärkt. Diese Strategie ermöglicht es den Ingenieuren, die Verstärkung anstelle der Laserleistung zu erhöhen, um die Strahlhelligkeit zu steigern. Folglich ermöglichte diese Strategie den Ingenieuren, einen einzigen Lasermodus beizubehalten.

Probleme mit PCSELs

Insbesondere einige Einschränkungen haben die Fähigkeit von PCSELs, modernen militärischen Anforderungen gerecht zu werden, eingeschränkt. So werden diese Laser beispielsweise mit Luftlöchern hergestellt, die dem Gerät helfen, thermische Stauungen zu vermeiden. Als Ingenieure versuchten, diese Geräte für leistungsstärkere Anwendungsszenarien zu skalieren, bemerkten sie, dass die Atome des Halbleiters diese Löcher füllten, was zu einer Verformung der photonischen Kristallstruktur führte.

Vergrabene dielektrische PCSELs: Eine bahnbrechende Studie

Ingenieure des Grainger College of Engineering an der University of Illinois Urbana-Champaign haben kürzlich eine Methode vorgestellt, um diese Probleme zu mildern. Ihre Arbeit¹mit dem Titel „Photogepumpte vergrabene dielektrische photonische Kristall-Oberflächenemittierende Laser„“ demonstriert einen neuen Ansatz, der vergrabene dielektrische Dreiecke (SiO2) im Submikrometerbereich als niedrigbrechende Komponente des photonischen Kristalls integriert.

Quelle - IEEE Photonics Journal

Die Ingenieure füllten zunächst die üblichen Luftspalte mit festem dielektrischem Material. Dieser Ansatz stellte sicher, dass sich die photonischen Kristalle beim Nachwachsen nicht verformten. Das neue Design ermöglichte dem Gerät eine schnellere Wärmeableitung, was Effizienz und Haltbarkeit steigerte.

Laut ihrem Bericht haben die Ingenieure die photonischen Kristalle vollständig eingekapselt. Die Seitenlängen der dielektrischen Dreiecke wurden dabei auf 200 bis 260 nm festgelegt. Durch die Verwendung von Siliziumdioxid konnten die Kristalle zudem um das dielektrische Material herum wachsen, was für besseren Halt und verbesserte Leistung sorgte.

Testen der vergrabenen dielektrischen PCSELs

Um ihre Theorie zu testen, stellten die Ingenieure vergrabene dielektrische PCSELs her und unterzogen sie mehreren Photopump-Experimenten. Konkret nutzte das Team einen Langpassfilter in einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten InGaAs-Linearspektrometer und InGaAs-SWIR-Kameras zur Überwachung der Laserspektren und Feldmuster.

Das Team verwendete außerdem einen ausgerichteten dichroitischen Filter zwischen Linse und PCSEL, um Bildmuster in der Ferne zu überwachen. Dieser Ansatz projizierte ein 1.5-µm-Licht auf einen 65 mm von der Probe entfernt aufgestellten Bildschirm. Diese Tests lieferten einige interessante Ergebnisse.

Ergebnisse: Erweiterte PCSEL-Leistung

Das neue Laserdesign zeigte mehr Leistung und Zuverlässigkeit als seine Vorgänger. Zudem war es selbst bei ständiger und intensiver Beanspruchung wärmeleitfähig. Noch interessanter ist, dass der Laser bei Raumtemperatur und mit für das menschliche Auge ungefährlichen Lichtwellenlängen gezündet werden konnte.

Vorteile von Advanced PCSELs

Die verbesserten PCSEL bieten dem Markt zahlreiche Vorteile. Sie ermöglichen beispielsweise die Entwicklung gleichmäßigerer und längerer Laserprojektionen. Diese Geräte verbrauchen deutlich weniger Strom und bleiben im Dauerbetrieb kühler.

Verbesserte Zuverlässigkeit

Ein weiterer Vorteil ist ihre langfristige Zuverlässigkeit. Bei früheren PCSEL-Versionen ließ die Leistung mit der Zeit nach, da die Kristalle, die den Strahl bildeten, aufgrund von Atominterferenzen zu zerfallen begannen. Dieser neue Ansatz beseitigt dieses Problem, was zu einer deutlich längeren Lebensdauer dieser Geräte führt.

Erhöhte Leistungsfähigkeit

Der Hauptvorteil von PCSELs liegt in ihrer deutlich höheren Leistungsfähigkeit. Diese Fähigkeit macht sie ideal für Energiewaffen der nächsten Generation. Diese Systeme gelten aus mehreren Gründen als die Zukunft der militärischen Ausrüstung, unter anderem weil sie über nahezu unbegrenzte Munition verfügen, die nur durch ihre Stromversorgung begrenzt ist.

Reale Anwendungen für PCSELs

Es gibt eine lange Liste von Anwendungen für zuverlässigere und leistungsstärkere Laser. Diese Geräte werden in allen möglichen Bereichen eingesetzt, von Drohnen über Elektrofahrzeuge bis hin zu Raumfahrzeugen. Viele halten diese Technologie bereits für entscheidend für zukünftige militärische Hardware-Designs.

LiDAR-Systeme der nächsten Generation

LiDAR verändert die Art und Weise, wie Menschen interagieren und die Welt wahrnehmen. Bereits jetzt hilft leistungsstarkes LiDAR dabei, unbekannte Regionen tief im Dschungel oder auf dem Meeresboden zu kartieren. Mit zunehmender Leistung der verwendeten Laser werden diese Systeme robuster und leistungsfähiger.

Fortschrittliche Laserwaffensysteme

Das Militär möchte diese Technologie nutzen, um Laser zu entwickeln, die feindliche Raketen und Fahrzeuge ausschalten können. Diese Waffen werden seit Jahrzehnten getestet. Erst kürzlich wurden sie jedoch in Fahrzeuge integriert. Diese laserbetriebenen Waffen befinden sich zwar noch in der Testphase, werden aber eines Tages die Schlachtfelder der Zukunft beherrschen.

Zeitplan für die Einführung von PCSELs

Es könnte noch 20 Jahre dauern, bis diese Technologie auch für die Zivilbevölkerung nutzbar wird. Es gibt noch viel Forschungsarbeit zu leisten, um das Design zu skalieren und die Sicherheit zu gewährleisten. Während die Zivilbevölkerung noch warten muss, wird diese Technologie wahrscheinlich innerhalb des nächsten Jahrzehnts auch militärisch eingesetzt werden.

Lernen Sie das PCSEL-Forschungsteam kennen

Das Grainger College of Engineering der University of Illinois Urbana-Champaign leitete die PCSEL-Studie. Kent Choquette wird als Hauptautor der Studie genannt. Er erhielt starke Unterstützung von Mitgliedern der Minjoo Larry Lee-Gruppe. Das gesamte Projekt erhielt insbesondere finanzielle Unterstützung vom Air Force Research Laboratory.

Zukunftsaussichten für fortgeschrittene PCSELs

Die Ingenieure werden nun ihr aktuelles Design verbessern. Sie planen, das Gerät zuverlässiger zu machen, seine Leistung zu erhöhen und gleichzeitig den Formfaktor zu reduzieren. Darüber hinaus arbeiten sie an der Entwicklung nachhaltiger Fertigungsprozesse, um den Herstellungsprozess zu beschleunigen.

Investitionen in die Laserindustrie

In der Laserbranche gibt es einige führende Unternehmen. Diese Unternehmen verzeichnen weiterhin steigende Gewinne, da die Nachfrage nach ihren Hightech-Lasern stetig steigt. Hier ist ein Unternehmen, das weiterhin eine dominierende Kraft im Lasersektor ist und von größeren technologischen Verbesserungen profitieren könnte.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE ) Das Unternehmen ist seit 2019 auf dem Markt und hat seinen Hauptsitz in Orlando, Florida. Seitdem hat es sich auf die Produktion von Hochleistungslasern für die Industrie spezialisiert. Es bietet seinen Industriekunden derzeit eine Mischung aus Standard- und kundenspezifischen Laserlösungen an.

Das Unternehmen sicherte sich dank seiner zuverlässigen Laserreinigungssysteme, Schneideoptionen und Nachbearbeitungsgeräte einen guten Ruf. Diese beliebten Geräte unterstreichen das Engagement von Laser Photonics für zuverlässige und effektive Laserlösungen. Wer in die schnelllebige Laserfertigung einsteigen möchte, sollte sich näher mit Laser Photonics Corp. befassen.

Aktuelle Aktiennachrichten und Entwicklungen zur Laser Photonics Corp (LASE)

Fortgeschrittene PCSELs | Fazit

Fortschrittliche PCSELs werden ein neues technologisches Zeitalter einläuten. Wissenschaftler erforschen bereits Laserantriebssysteme und Kommunikationsnetzwerke der nächsten Generation. Die Einführung eines zuverlässigeren und augensicheren Lasers wird diese Bemühungen beschleunigen und zu mehr Innovation führen. Derzeit bleibt noch viel zu tun, aber dieses Team innovativer Ingenieure hat eine solide Grundlage für zukünftige Bemühungen gelegt.

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Zitierte Studien:

^{1. Choquette, KD, Lee, ML, Ozden, S., Guo, Z., Xu, S., & Park, JS (2024). Photogepumpte vergrabene dielektrische photonische Kristall-OberflächenemissionslaserIEEE Photonics Journal, 16(3), 1–8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}