Fortgeschrittene PCSELs könnten Militärlaser viel stärker machen

Ein Team der Illinois Grainger Engineering hat ein neues Laserdesign vorgestellt, das höhere Helligkeit und einen stärker konzentrierten Strahl liefert. Die fortschrittlichen PCSELs integrieren submikron‑große, im Inneren vergrabene dielektrische Siliziumdioxid‑Schichten, um ihren Strahl über längere Zeiträume aufrechtzuerhalten, und öffnen damit die Tür zu fortschrittlichen Energiewaffen, LiDAR‑Systemen und Raumfahrtkommunikation. So werden Laser ein bedeutendes Upgrade erhalten.

VCSELs

Der am häufigsten in diesen High‑End‑Anwendungen eingesetzte Lasertyp sind Vertical‑Cavity Surface‑Emitting Laser (VCSELs). VCSELs besitzen einen monolithischen Laserkavitätsresonator auf ihren Dioden, der einen Strahl erzeugt, der senkrecht zur Chip‑Oberfläche austritt.

Diese Laserart ist ideal für kurze Entfernungen und eignet sich daher für Aufgaben wie Laserdruck, Barcode‑Scannen und sogar Kurzstrecken‑LiDAR, wie es in Ihrem Smartphone zu finden ist. Die Vorteile von VCSELs liegen in ihrer Erschwinglichkeit und ihrem bewährten Design.

Allerdings stoßen VCSELs bei fortschrittlicheren Anwendungen an ihre Grenzen. Diese Laser sind in ihrer Leistung und Reichweite begrenzt, wodurch sie bei Diskussionen über fortschrittliche Raketenabwehr oder Raumfahrtkommunikation unbrauchbar werden.

PCSELs

Wissenschaftler wussten schon lange, dass sie eine leistungsstärkere Alternative benötigen. 2020 ermöglichte die Einführung von Photonic‑Crystal Surface‑Emitting Lasern (PCSELs) eine neue Generation laserbetriebener Geräte. Diese Laserart emittiert Licht direkt von ihrer Oberfläche mittels photonischer Kristalle.

Photonische Kristalle sind subwellenlängenperiodische Strukturen, die elektromagnetische Wellen in ihrer Umgebung verändern können. Im Gegensatz zu ihren Vorgängern nutzen sie ein zweidimensionales photonisches Kristalldesign, um Lichtstrahlen zu diffraktieren und zu koppeln.

Anschließend durchläuft die neu gebildete zweidimensionale stehende Welle das Verstärkermaterial, das ihre Leistung verstärkt. Diese Strategie ermöglicht es Ingenieuren, den Verstärkungsfaktor statt der Laserleistung zu erhöhen, um die Strahlhelligkeit zu steigern. Folglich konnten Ingenieure einen einzelnen Lasermodus beibehalten.

Problems with PCSELs

Insbesondere haben einige Beschränkungen die Fähigkeit von PCSELs eingeschränkt, den modernen militärischen Anforderungen zu entsprechen. Einerseits werden diese Laser mit Luftlöchern gefertigt, die dem Bauteil helfen, thermische Aufheizung zu verhindern. Als Ingenieure versuchten, diese Geräte für leistungsstärkere Anwendungsfälle zu skalieren, bemerkten sie, dass die Atome des Halbleiters begannen, diese Löcher zu füllen, wodurch die photonische Kristallstruktur deformiert wurde.

Buried Dielectric PCSELs: A Breakthrough Study

Ingenieure des Grainger College of Engineering an der University of Illinois Urbana‑Champaign haben kürzlich einen Weg vorgestellt, diese Probleme zu mindern. Ihr Papier¹ mit dem Titel „Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers“ demonstriert einen neuen Ansatz, bei dem submikron‑große, im Inneren vergrabene dielektrische (SiO2) Dreiecke als niederbrechendes Element des photonischen Kristalls integriert werden.

Quelle – IEEE Photonics Journal

Die Ingenieure begannen damit, die üblichen Luftzwischenräume mit festem dielektrischem Material zu füllen. Dieser Ansatz stellte sicher, dass die photonischen Kristalle während des Nachwachsens nicht deformierten. Das neue Design ermöglichte es dem Bauteil, Wärme schneller abzuleiten, was die Effizienz und Haltbarkeit steigerte.

Laut ihrem Bericht haben die Ingenieure die photonischen Kristalle vollständig verkapselt. Konkret wurden die Seitenlängen der dielektrischen Dreiecke auf 200 bis 260 nm festgelegt. Außerdem ermöglichte die Verwendung von Siliziumdioxid den Kristallen, um das dielektrische Material herum zu wachsen, was eine überlegene Unterstützung und verbesserte Leistung bietet.

Testing the Buried Dielectric PCSELs

Um ihre Theorie zu prüfen, fertigten die Ingenieure vergrabene dielektrische PCSELs und führten mehrere Photopumping‑Experimente durch. Konkret nutzte das Team einen Long‑Pass‑Filter in einem flüssig‑stickstoffgekühlten InGaAs‑Linear‑Array‑Spektrometer sowie InGaAs‑SWIR‑Kameras, um die Laserspektren und Feldmuster zu überwachen.

Das Team setzte außerdem einen ausgerichteten dichroitischen Filter zwischen Linse und PCSEL ein, um Fernbildmuster zu beobachten. Dieser Ansatz projizierte ein 1,5‑µm‑Licht auf eine Leinwand, die 65 mm vom Probenobjekt entfernt aufgebaut war. Diese Tests zeigten einige interessante Ergebnisse.

Results: Advanced PCSELs Performance

Das neue Laserdesign zeigte mehr Leistung und Zuverlässigkeit als Vorgängermodelle. Darüber hinaus erwies es sich gegenüber thermischer Leitfähigkeit resistent, selbst 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.

Advanced PCSELs Benefits

Der verbesserte PCSEL bietet zahlreiche Vorteile für den Markt. Erstens wird er die Tür zu konsistenteren und länger strahlenden Lasern öffnen. Diese Geräte verbrauchen deutlich weniger Energie und bleiben bei Dauerbetrieb kühler.

Improved Reliability

Ein weiterer Vorteil ist ihre langfristige Zuverlässigkeit. Frühere PCSEL‑Versionen erlebten im Laufe der Zeit einen Leistungsabfall, da die Kristalle, die den Strahl bildeten, durch atomare Interferenzen degradierten. Dieser neue Ansatz beseitigt dieses Problem, sodass die Geräte eine deutlich längere Lebensdauer besitzen.

Increased Power Capability

Der Hauptvorteil von PCSELs ist, dass sie deutlich mehr Leistung bewältigen können. Diese Fähigkeit macht sie ideal für die nächste Generation von gerichteten Energiewaffen. Diese Systeme gelten aus mehreren Gründen als die Zukunft militärischer Hardware, unter anderem weil sie praktisch unbegrenzte Munition besitzen, die nur durch die Stromversorgung begrenzt wird.

Real-World Applications for PCSELs

Es gibt eine lange Liste von Anwendungen für zuverlässigere und leistungsstärkere Laser. Diese Geräte finden Einsatz in allem, von Drohnen über Elektrofahrzeuge bis hin zu Raumfahrzeugen. Bereits jetzt sehen viele diese Technologie als entscheidend für zukünftige militärische Hardware‑Designs.

Next-Generation LiDAR Systems

LiDAR verändert, wie Menschen interagieren und die Welt wahrnehmen. Bereits jetzt hilft leistungsstarkes LiDAR, unbekannte Regionen tief im Dschungel oder auf dem Meeresgrund zu kartieren. Diese Systeme werden widerstandsfähiger und leistungsfähiger, sobald die von ihnen genutzten Laser mehr Leistung erhalten.

Advanced Laser Weapon Systems

Das Militär will diese Technologie nutzen, um Laser zu entwickeln, die feindliche Raketen und Fahrzeuge ausschalten können. Diese Waffen werden seit Jahrzehnten getestet. Erst kürzlich begannen sie, in Fahrzeuge integriert zu werden. Obwohl sie sich noch in der Testphase befinden, werden diese laserbasierten Waffen eines Tages die Schlachtfelder der Zukunft beherrschen.

PCSELs Adoption Timeline

Es könnte weitere 20 Jahre dauern, bis diese Technologie den zivilen Markt erreicht. Es gibt noch viel Forschung hinsichtlich der Skalierung des Designs und der Sicherheit. Während Zivilisten warten müssen, wird diese Technologie voraussichtlich innerhalb des nächsten Jahrzehnts militärisch eingesetzt werden.

Meet the PCSEL Research Team

Das Grainger College of Engineering an der University of Illinois Urbana‑Champaign leitete die PCSEL‑Studie. Konkret ist Kent Choquette als Hauptautor der Studie aufgeführt. Er erhielt starke Unterstützung von Mitgliedern der Minjoo‑Larry‑Lee‑Gruppe. Bemerkenswert ist, dass das gesamte Projekt von dem Air Force Research Laboratory finanziert und unterstützt wurde,

Future Outlook for Advanced PCSELs

Die Ingenieure werden ihr aktuelles Design nun weiter verbessern. Sie planen, das Gerät zuverlässiger zu machen und die Leistung zu skalieren, während sie das Formfaktor reduzieren. Zusätzlich arbeiten sie an nachhaltigen Fertigungsprozessen, um die Produktionszeit zu verkürzen.

Investing in the Laser Industry

Es gibt einige führende Akteure in der Laserindustrie. Diese Unternehmen verzeichnen weiterhin steigende Gewinne, da die Nachfrage nach ihren High‑Tech‑Lasern wächst. Hier ist ein Unternehmen, das nach wie vor eine dominante Kraft im Lasersektor darstellt und von größeren Technologie‑Upgrades profitieren könnte.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE ) trat 2019 in den Markt ein und hat seinen Hauptsitz in Orlando, Florida. Seitdem hat sich das Unternehmen auf die Produktion von Hochleistungs‑ und Industrielasern spezialisiert. Es bietet derzeit eine Mischung aus Standard‑ und kundenspezifischen Laserlösungen für industrielle Kunden an.

Das Unternehmen sicherte sich aufgrund seiner zuverlässigen Laser‑Reinigungssysteme, Schneidemöglichkeiten und Veredelungsgeräte einen Qualitätsrücklauf. Diese beliebten Geräte haben das Engagement von Laser Photonics gezeigt, zuverlässige und effektive Laserlösungen zu liefern. Wer eine Beteiligung am schnelllebigen Lasermarkt sucht, sollte weitere Recherchen zu Laser Photonics Corp anstellen.

Latest Laser Photonics Corp (LASE) Stock News and Developments

Advanced PCSELs | Conclusion

Fortschrittliche PCSELs werden eine neue Ära der Technologie einläuten. Wissenschaftler erforschen bereits nächste Generation von Laser‑Antriebssystemen und Kommunikationsnetzen. Die Einführung eines zuverlässigeren und augensicheren Lasers wird diese Bemühungen weiter beschleunigen und zu größerer Innovation führen. Noch gibt es viel zu tun, doch dieses Team innovativer Ingenieure hat eine solide Grundlage für zukünftige Vorhaben geschaffen.

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Studienreferenzen:

^{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}