Fortgeschrittene PCSELs könnten militärische Laser viel stärker machen

Ein Team von der Illinois Grainger Engineering hat einen neuen Lasertyp vorgestellt, der eine höhere Helligkeit und einen konzentrierteren Strahl bietet. Die fortschrittlichen PCSELs verwenden Sub-Mikron-Buried-Dielectric-Silicondioxid, um ihren Strahl für längere Zeiträume aufrechtzuerhalten, und öffnen damit die Tür für fortschrittliche Energie-Waffen, LiDAR-Systeme und Weltraumkommunikation. Hier erfahren Sie, wie Laser eine große Aufwertung erhalten sollen.

Laser-Technologie entwickelt sich ständig weiter, um den wachsenden Bedarf an laser-gesteuerten Geräten zu decken. Heute verwenden bereits Dinge wie Ihr Elektroauto Laser, um mittels LiDAR zu navigieren. Auch industrielle Hersteller nutzen Laser für alles, von Scannen bis Schweißen, Gravieren und alles dazwischen. Daher ist Laser-Technologie zu einem wichtigen Bestandteil des täglichen Lebens geworden.

VCSELs

Die am häufigsten verwendeten Lasertypen in diesen High-End-Anwendungen sind vertikal-cavity-surface-emitting-Laser (VCSELs). VCSELs haben einen monolithischen Laser-Resonator auf ihren Dioden, der einen Strahl erzeugt, der senkrecht zur Oberfläche des Chips projiziert wird.

Dieser Lasertyp ist ideal für kurze Distanzen und daher geeignet für Aufgaben wie Laser-Drucken, Barcode-Scannen und sogar kurze LiDAR-Distanzen wie auf Ihrem Smartphone. Die Vorteile von VCSELs sind, dass sie erschwinglich und eine bewährte Konstruktion haben.

Allerdings mangelt es VCSELs an Leistung und Distanz-Fähigkeiten, was sie für fortschrittlichere Anwendungen wie moderne Raketen-Abwehr- oder Weltraum-Kommunikationssysteme untauglich macht.

PCSELs

Wissenschaftler haben lange gewusst, dass sie eine leistungsstärkere Alternative benötigen. Im Jahr 2020 öffnete die Einführung von photonic-crystal-surface-emitting-Lasern (PCSELs) die Tür für eine neue Generation laser-gesteuerter Geräte. Dieser Lasertyp emittiert Licht direkt von seiner Oberfläche mittels photonischer Kristalle.

Photonische Kristalle sind subwellenlängige periodische Strukturen, die elektromagnetische Wellen in ihrer Umgebung verändern können. Im Gegensatz zu ihren Vorgängern nutzen sie ihre zweidimensionale photonische Kristall-Struktur, um Lichtstrahlen zu diffraktieren und zu koppeln.

Dadurch entsteht eine neue zweidimensionale stehende Welle, die durch das Gewinn-Material verläuft, das ihre Leistung verstärkt. Diese Strategie ermöglicht es Ingenieuren, den Gewinn anstelle der Laser-Leistung zu erhöhen, um die Helligkeit des Strahls zu erhöhen. Folglich ermöglichte diese Strategie es Ingenieuren, einen einzelnen Laser-Modus aufrechtzuerhalten.

Probleme mit PCSELs

Es gibt jedoch einige Einschränkungen, die die Fähigkeit von PCSELs, auf moderne militärische Anforderungen zu skalieren, begrenzen. Einerseits werden diese Laser mit Luftlöchern hergestellt, die helfen, die thermische Belastung zu reduzieren. Als Ingenieure jedoch versuchten, diese Geräte für leistungsstärkere Anwendungsfälle zu skalieren, stellten sie fest, dass die Atome des Halbleiter-Materials beginnen, diese Löcher zu füllen, was dazu führt, dass die photonische Kristall-Struktur deformiert wird.

Buried Dielectric PCSELs: Ein Durchbruch

Ingenieure von der Grainger College of Engineering an der University of Illinois Urbana-Champaign haben kürzlich eine Möglichkeit präsentiert, diese Probleme zu überwinden. Ihre Studie¹, mit dem Titel “Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers”, demonstriert einen neuen Ansatz, der Sub-Mikron-Buried-Dielectric-(SiO2)-Dreiecke als niedrig-index-Komponente des photonischen Kristalls integriert.

Quelle – IEEE Photonics Journal

Die Ingenieure begannen damit, die üblichen Luftlöcher mit festem Dielektrikum-Material zu füllen. Dieser Ansatz gewährleistete, dass die photonischen Kristalle während des Wiederaufwachsens nicht deformiert werden. Die neue Konstruktion ermöglichte es dem Gerät, Wärme mit einer höheren Effizienz abzuführen, was die Effizienz und Haltbarkeit erhöhte.

Laut ihrem Bericht haben die Ingenieure die photonischen Kristalle vollständig eingeschlossen. Insbesondere wurden die Seitenlängen der Dielektrikum-Dreiecke auf 200 bis 260 nm festgelegt. Die Verwendung von Siliziumdioxid ermöglichte es den Kristallen, um das Dielektrikum-Material herum zu wachsen, was eine überlegene Unterstützung und verbesserte Leistung bot.

Testen der Buried Dielectric PCSELs

Um ihre Theorie zu testen, haben die Ingenieure Buried-Dielectric-PCSELs hergestellt und sie verschiedenen photopump-Experimenten unterzogen. Insbesondere verwendeten sie ein Langpass-Filter in einem flüssig-nitrogen-kühlten InGaAs-Linear-Array-Spektrometer und InGaAs-SWIR-Kameras, um die Laser-Spektren und Feldmuster zu überwachen.

Das Team verwendete auch einen justierten Dichroic-Filter, der zwischen der Linse und dem PCSEL platziert war, um die Fern-Bildmuster zu überwachen. Dieser Ansatz projizierte ein 1,5-μm-Licht auf einen Bildschirm, der 65 mm von der Probe entfernt war. Diese Tests ergaben einige interessante Ergebnisse.

Ergebnisse: Leistung der fortschrittlichen PCSELs

Die neue Laser-Konstruktion zeigte mehr Leistung und Zuverlässigkeit als ihre Vorgänger. Darüber hinaus zeigte sie Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischer Leitfähigkeit, sogar bei konstanter und intensiver Nutzung. Noch interessanter ist, dass der Laser bei Raumtemperatur und bei Lichtwellenlängen, die für das menschliche Auge sicher sind, abgefeuert werden kann.

Vorteile der fortschrittlichen PCSELs

Es gibt viele Vorteile, die die aufgewerteten PCSELs auf den Markt bringen. Einerseits werden sie die Tür für konsistentere und längere Projektions-Laser öffnen. Diese Geräte werden viel weniger Leistung verbrauchen und können während konstanter Betriebs kühler bleiben.

Verbesserte Zuverlässigkeit

Ein weiterer Vorteil ist ihre langfristige Zuverlässigkeit. Frühere Versionen von PCSELs würden über die Zeit eine abnehmende Leistung aufweisen, da die Kristalle, die halfen, den Strahl zu bilden, aufgrund von Atom-Interferenzen zu degenerieren begannen. Dieser neueste Ansatz eliminiert dieses Problem, was bedeutet, dass diese Geräte eine viel längere Lebensdauer haben.

Erhöhte Leistungsfähigkeit

Der Hauptvorteil von PCSELs ist, dass sie viel mehr Leistung verarbeiten können. Diese Fähigkeit macht sie ideal für die nächste Generation von gerichteten Energie-Waffen. Diese Systeme gelten als die Zukunft der militärischen Hardware, da sie nahezu unendlich Munition haben, begrenzt nur durch ihre Energieversorgung.

Echte Anwendungen für PCSELs

Es gibt eine lange Liste von Anwendungen für zuverlässigere und leistungsstärkere Laser. Diese Geräte werden in allem von Drohnen bis hin zu Elektroautos und sogar Raumfahrzeugen eingesetzt. Viele Menschen sehen diese Technologie bereits als entscheidend für zukünftige militärische Hardware-Designs an.

Nächste Generation von LiDAR-Systemen

LiDAR verändert die Art und Weise, wie Menschen interagieren und die Welt sehen. Bereits jetzt hilft hochleistungsfähiges LiDAR dabei, unbekannte Regionen tief in den Dschungel oder auf dem Meeresboden zu kartieren. Diese Systeme werden noch widerstandsfähiger und leistungsfähiger, wenn die Laser, die sie verwenden, an Leistung gewinnen.

Fortgeschrittene Laser-Waffensysteme

Das Militär strebt danach, diese Technologie zu nutzen, um Laser zu erstellen, die feindliche Raketen und Fahrzeuge ausschalten können. Diese Waffen werden seit Jahrzehnten getestet. Erst kürzlich begannen sie jedoch, in Fahrzeuge integriert zu werden. Obwohl sie noch in der Testphase sind, werden diese laser-gesteuerten Waffen eines Tages die Schlachtfelder der Zukunft beherrschen.

Zeitplan für die Einführung von PCSELs

Es könnte noch 20 Jahre dauern, bis diese Technologie den Weg zu den Verbrauchern findet. Es gibt noch viel Forschung zu tun, um das Design zu skalieren und die Sicherheit zu gewährleisten. Während die Verbraucher warten müssen, wird diese Technologie wahrscheinlich innerhalb des nächsten Jahrzehnts militärisch eingesetzt.

Das PCSEL-Forschungsteam kennenlernen

Die Grainger College of Engineering an der University of Illinois Urbana-Champaign leitete die PCSELs-Studie. Insbesondere ist Kent Choquette als Hauptautor der Studie aufgeführt. Er erhielt starke Unterstützung von Mitgliedern der Minjoo Larry Lee-Gruppe. Bemerkenswerterweise erhielt das gesamte Projekt Finanzierung und Unterstützung von der Air Force Research Laboratory.

Zukunftsausblick für fortschrittliche PCSELs

Die Ingenieure werden nun an ihrer aktuellen Konstruktion arbeiten, um sie zuverlässiger zu machen und ihre Leistung zu erhöhen, während sie ihre Größe reduzieren. Darüber hinaus werden sie an der Entwicklung nachhaltiger Fertigungsprozesse arbeiten, um den Herstellungsprozess zu beschleunigen.

Investitionen in die Laser-Industrie

Es gibt einige führende Anbieter in der Laser-Industrie. Diese Unternehmen sehen weiterhin wachsende Gewinne, da die Nachfrage nach ihren High-Tech-Lasern weiterhin steigt. Hier ist ein Unternehmen, das in der Laser-Branche eine dominierende Rolle spielt und von jedem großen Upgrade der Technologie profitieren könnte.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE ) ist seit 2019 auf dem Markt und hat seinen Hauptsitz in Orlando, Florida. Seit dieser Zeit hat das Unternehmen sich auf die Herstellung von High-Power- und Industrie-Lasern spezialisiert. Es bietet derzeit eine Mischung aus Standard- und maßgeschneiderten Laser-Lösungen für industrielle Kunden an.

Das Unternehmen hat sich aufgrund seiner zuverlässigen Laser-Reinigungssysteme, Schneid-Optionen und Finish-Geräte einen Ruf für Qualität erarbeitet. Diese beliebten Geräte haben geholfen, Laser Photonics’ Engagement für die Lieferung zuverlässiger und effektiver Laser-Lösungen zu demonstrieren. Diejenigen, die eine Beteiligung an der schnellen Laser-Herstellungsbranche suchen, sollten weitere Recherchen über Laser Photonics Corp durchführen.

Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu Laser Photonics Corp (LASE)

Fortgeschrittene PCSELs | Fazit

Fortgeschrittene PCSELs werden eine neue Ära in der Technologie einleiten. Bereits jetzt erforschen Wissenschaftler nächste Generationen von Laser-Antriebssystemen und Kommunikationsnetzwerken. Die Einführung eines zuverlässigeren und augensicheren Lasers in die Gleichung wird diese Bemühungen nur noch weiter vorantreiben und zu noch mehr Innovation führen. Für den Moment gibt es noch viel Arbeit zu leisten, aber dieses Team von innovativen Ingenieuren hat einen soliden Grundstein für zukünftige Bemühungen gelegt.

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Studien:

^{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}