Τα Προηγμένα PCSELs Θα Μπορούσαν να Καταστήσουν τα Στρατιωτικά Λέιζερ Πολλά Πιο Ισχυρά

Μία ομάδα από το Grainger Engineering του Ιλινόις παρουσίασε ένα νέο τύπο σχεδίου λέιζερ που προσφέρει μεγαλύτερη φωτεινότητα και πιο συγκεντρωμένη δέσμη. Τα προχωρημένα PCSELs ενσωματώνουν υπο-μικρομετρικό ενσωματωμένο διαλεκτρικό πυρίτιο (SiO2) για να διατηρούν τη δέσμη τους για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα, ανοίγοντας το δρόμο για προηγμένα ενεργειακά όπλα, συστήματα LiDAR και διαστημικές επικοινωνίες. Δείτε πώς τα λέιζερ θα υποστούν μια σημαντική αναβάθμιση.

Η τεχνολογία των λέιζερ εξελίσσεται συνεχώς για να καλύψει τη αυξανόμενη ζήτηση για συσκευές που λειτουργούν με λέιζερ. Σήμερα, αντικείμενα όπως το ηλεκτρικό σας όχημα χρησιμοποιούν λέιζερ για πλοήγηση μέσω LiDAR. Επίσης, οι βιομηχανικοί κατασκευαστές αξιοποιούν τα λέιζερ για όλα, από τη σάρωση μέχρι τη συγκόλληση, τη χάραξη και ό,τι μεταξύ τους. Ως εκ τούτου, η τεχνολογία των λέιζερ έχει γίνει κρίσιμο στοιχείο της καθημερινής ζωής.

VCSELs

Ο πιο κοινός τύπος λέιζερ που χρησιμοποιείται σε αυτές τις υψηλής τεχνολογίας εφαρμογές είναι τα κατακόρυφα-κάπσα επιφανειακά εκπεμπόμενα λέιζερ (VCSELs). Τα VCSELs διαθέτουν μονολιθικό αντηλιακό λέιζερ στα διόδους τους, το οποίο παράγει μια δέσμη που εκτοξεύεται από το chip κάθετα στην επιφάνειά του.

Αυτό το στυλ λέιζερ είναι ιδανικό για μικρές αποστάσεις, καθιστώντας το κατάλληλο για εργασίες όπως η εκτύπωση με λέιζερ, η σάρωση κωδικών QR και ακόμη και το βραχυαπόσταση LiDAR που βρίσκεται στο smartphone σας. Τα πλεονεκτήματα των VCSELs είναι ότι είναι προσιτά και διαθέτουν αποδεδειγμένο σχεδιασμό.

Ωστόσο, τα VCSELs παρουσιάζουν ελλείψεις όταν πρόκειται για πιο προχωρημένες εφαρμογές. Αυτά τα λέιζερ περιορίζονται σε ισχύ και απόσταση, καθιστώντας τα παρωχημένα όταν συζητούνται επιλογές για προηγμένη άμυνα κατά πυραύλων ή διαστημικές επικοινωνίες.

PCSELs

Οι επιστήμονες έχουν γνωρίσει εδώ και πολύ καιρό ότι χρειάζονται μια πιο ισχυρή εναλλακτική. Το 2020, η εισαγωγή των λέιζερ επιφανειακής εκπομπής κρυστάλλων φωτονίων (PCSELs) άνοιξε το δρόμο για μια νέα γενιά συσκευών που λειτουργούν με λέιζερ. Αυτό το στυλ λέιζερ εκπέμπει φως απευθείας από την επιφάνειά του μέσω κρυστάλλων φωτονίων.

Οι κρύσταλλοι φωτονίων είναι υπο-κυματικούς περιοδικούς δομές που μπορούν να τροποποιούν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στην περιοχή τους. Σε αντίθεση με τους προγόνους τους, χρησιμοποιούν το δισδιάστατο σχέδιο κρυστάλλου φωτονίων για να διαθλούν και να συνδέουν τις δέσμες φωτός μεταξύ τους.

Από εκεί, το νεοδημιουργημένο δισδιάστατο στάσιμο κύμα περνάει μέσα από το υλικό ενίσχυσης, το οποίο ενισχύει την ισχύ του. Αυτή η στρατηγική επιτρέπει στους μηχανικούς να ενισχύουν το κέρδος αντί για την εισροή ισχύος του λέιζερ, αυξάνοντας τη φωτεινότητα της δέσμης. Συνεπώς, αυτή η προσέγγιση επέτρεψε στους μηχανικούς να διατηρήσουν ένα ενιαίο λειτουργικό τρόπο εκπομπής.

Προβλήματα με τα PCSELs

Σημαντικά, ορισμένοι περιορισμοί έχουν περιορίσει την ικανότητα των PCSELs να κλιμακώνονται σύμφωνα με τις σύγχρονες στρατιωτικές απαιτήσεις. Κατ’ αρχάς, αυτά τα λέιζερ κατασκευάζονται με χρήση κενών αέρα, που βοηθούν τη συσκευή να αντιμετωπίζει τη θερμική συσσώρευση. Καθώς οι μηχανικοί προσπάθησαν να κλιμακώσουν αυτές τις συσκευές για πιο ισχυρά σενάρια χρήσης, παρατήρησαν ότι τα άτομα του ημιαγωγού άρχισαν να γεμίζουν αυτά τα κενά, με αποτέλεσμα τη δομή του κρυστάλλου φωτονίων να παραμορφώνεται.

Κατεψυγμένα Διαλεκτρικά PCSELs: Μια Επαναστατική Μελέτη

Μηχανικοί από το Grainger College of Engineering του Πανεπιστημίου του Ιλινόις Urbana-Champaign αποκάλυψαν πρόσφατα έναν τρόπο για την αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων. Η εργασία τους¹, με τίτλο “Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers“, παρουσιάζει μια νέα προσέγγιση που ενσωματώνει υπο-μικρομετρικά τριγωνικά διαλεκτρικά (SiO2) ως το στοιχείο χαμηλού δείκτη του κρυστάλλου φωτονίων.

Πηγή – IEEE Photonics Journal

Οι μηχανικοί ξεκίνησαν γεμίζοντας τα συνηθισμένα κενά αέρα με στερεό διαλεκτρικό υλικό. Αυτή η προσέγγιση εξασφάλισε ότι οι κρύσταλλοι φωτονίων δεν θα παραμορφώνονταν κατά την επαναανάπτυξη. Το νέο σχέδιο επέτρεψε στη συσκευή να διαχέει τη θερμότητα με μεγαλύτερο ρυθμό, βελτιώνοντας την αποδοτικότητα και τη διάρκεια ζωής.

Σύμφωνα με την αναφορά τους, οι μηχανικοί περιέκλεισαν πλήρως τους κρυστάλλους φωτονίων. Συγκεκριμένα, τα μήκη των πλευρών των διαλεκτρικών τριγώνων ορίστηκαν από 200 έως 260 nm. Επίσης, η χρήση πυριτίου διαλύματος (SiO2) επέτρεψε στους κρυστάλλους να αναπτυχθούν γύρω από το διαλεκτρικό υλικό, παρέχοντας ανώτερη στήριξη και βελτιωμένη απόδοση.

Δοκιμή των Κατεψυγμένων Διαλεκτρικών PCSELs

Για να δοκιμάσουν τη θεωρία τους, οι μηχανικοί κατασκεύασαν κατεψυγμένα διαλεκτρικά PCSELs και τα υπέβαλαν σε πολλές πειραματικές δοκιμές φωτοαντλίας. Συγκεκριμένα, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα φίλτρο μακράς διέλευσης σε φασματογράφο γραμμικής διάταξης InGaAs ψυγμένο με υγρό άζωτο και κάμερες InGaAs SWIR για την παρακολούθηση των φασμάτων εκπομπής και των προτύπων πεδίου.

Η ομάδα χρησιμοποίησε επίσης ένα ευθυγραμμισμένο διχρωματικό φίλτρο τοποθετημένο μεταξύ του φακού και του PCSEL για την παρακολούθηση των απομακρυσμένων προτύπων εικόνας. Αυτή η προσέγγιση προβάλλει φως 1,5 μμ σε μια οθόνη που τοποθετήθηκε 65 mm μακριά από το δείγμα. Αυτές οι δοκιμές αποκάλυψαν ενδιαφέροντα αποτελέσματα.

Αποτελέσματα: Απόδοση Προηγμένων PCSELs

Το νέο σχέδιο λέιζερ έδειξε μεγαλύτερη ισχύ και αξιοπιστία από τα προηγούμενα. Επιπλέον, παρουσίασε αντοχή στη θερμική αγωγιμότητα, ακόμη και υπό συνεχή και έντονη χρήση. Ακόμη πιο ενδιαφέρον είναι ότι το λέιζερ μπορεί να λειτουργήσει σε θερμοκρασία δωματίου και σε μήκη κύματος φωτός που είναι ασφαλή για το ανθρώπινο μάτι.

Οφέλη Προηγμένων PCSELs

Υπάρχουν πολλά οφέλη που φέρνει στην αγορά το αναβαθμισμένο PCSEL. Κατ’ αρχάς, θα ανοίξει το δρόμο για πιο σταθερά και μακροχρόνια εκπεμπόμενα λέιζερ. Αυτές οι συσκευές θα χρησιμοποιούν πολύ λιγότερη ενέργεια και μπορούν να παραμένουν πιο ψυχρές κατά τη διάρκεια συνεχούς λειτουργίας.

Βελτιωμένη Αξιοπιστία

Ένα ακόμη όφελος είναι η μακροπρόθεσμη αξιοπιστία τους. Οι προηγούμενες εκδόσεις των PCSELs παρουσίαζαν μείωση της απόδοσης με την πάροδο του χρόνου, καθώς οι κρύσταλλοι που συνέθεταν τη δέσμη άρχιζαν να φθείρονται λόγω ατομικής παρεμβολής. Αυτή η πρόσφατη προσέγγιση εξαλείφει αυτό το πρόβλημα, σημαίνοντας ότι αυτές οι συσκευές έχουν πολύ μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.

Αυξημένη Ικανότητα Ισχύος

Το κύριο όφελος των PCSELs είναι ότι μπορούν να διαχειριστούν πολύ μεγαλύτερη ισχύ. Αυτή η δυνατότητα τα καθιστά ιδανικά για επόμενης γενιάς όπλα κατευθυνόμενης ενέργειας. Αυτά τα συστήματα θεωρούνται το μέλλον του στρατιωτικού εξοπλισμού για διάφορους λόγους, συμπεριλαμβανομένου του ότι διαθέτουν σχεδόν άπειρο απόθεμα πυρομαχικών, περιορισμένο μόνο από την πηγή ενέργειας.

Πραγματικές Εφαρμογές για τα PCSELs

Υπάρχει μια μακριά λίστα εφαρμογών για πιο αξιόπιστα και υψηλότερης ισχύος λέιζερ. Αυτές οι συσκευές θα βρουν χρήση σε όλα, από τα drones μέχρι τα ηλεκτρικά οχήματα και ακόμη και τα διαστημόπλοια. Υπάρχουν ήδη πολλοί που θεωρούν αυτήν την τεχνολογία κρίσιμη για τα μελλοντικά σχέδια στρατιωτικού εξοπλισμού.

Συστήματα LiDAR Επόμενης Γενιάς

Το LiDAR αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι αλληλεπιδρούν και βλέπουν τον κόσμο. Ήδη, το υψηλής ισχύος LiDAR βοηθά στη χαρτογράφηση άγνωστων περιοχών βαθιά στη ζούγκλα ή στον πυθμένα του ωκεανού. Αυτά τα συστήματα θα γίνουν πιο ανθεκτικά και ικανά καθώς τα λέιζερ που χρησιμοποιούν κερδίζουν ισχύ.

Προηγμένα Συστήματα Λέιζερ Όπλων

Ο στρατός επιδιώκει να αξιοποιήσει αυτήν την τεχνολογία για τη δημιουργία λέιζερ που μπορούν να εξουδετερώσουν εχθρικούς πύραυλους και οχήματα. Αυτά τα όπλα δοκιμάζονται εδώ και δεκαετίες. Ωστόσο, μόνο πρόσφατα άρχισαν να ενσωματώνονται σε οχήματα. Παρόλο που βρίσκονται ακόμη στα στάδια δοκιμών, αυτά τα όπλα που λειτουργούν με λέιζερ θα κυριαρχήσουν κάποια μέρα στα πεδία μάχης του μέλλοντος.

Χρονοδιάγραμμα Υιοθέτησης των PCSELs

Μπορεί να χρειαστούν ακόμη 20 χρόνια πριν αυτή η τεχνολογία φτάσει στους πολίτες. Υπάρχουν ακόμη πολλές έρευνες που πρέπει να γίνουν όσον αφορά την κλιμάκωση του σχεδίου και την εξασφάλιση της ασφάλειάς τους. Ενώ οι πολίτες θα πρέπει να περιμένουν, αυτή η τεχνολογία πιθανότατα θα δει στρατιωτική χρήση μέσα στην επόμενη δεκαετία.

Γνωρίστε την Ομάδα Έρευνας PCSEL

Το Grainger College of Engineering του Πανεπιστημίου του Ιλινόις Urbana-Champaign ηγήθηκε της μελέτης PCSELs. Συγκεκριμένα, ο Kent Choquette αναφέρεται ως κύριος συγγραφέας της μελέτης. Έλαβε ισχυρή υποστήριξη από μέλη της ομάδας Minjoo Larry Lee. Σημαντικό είναι ότι ολόκληρο το έργο χρηματοδοτήθηκε και υποστηρίχθηκε από το Εργαστήριο Έρευνας του Αεροπορικού Στρατού,

Μελλοντική Προοπτική για τα Προηγμένα PCSELs

Οι μηχανικοί θα βελτιώσουν τώρα το τρέχον σχέδιο τους. Σκοπεύουν να κάνουν τη συσκευή πιο αξιόπιστη και να αυξήσουν την ισχύ της μειώνοντας ταυτόχρονα το μέγεθός της. Επιπλέον, θα εργαστούν για τη δημιουργία βιώσιμων διαδικασιών κατασκευής ώστε να επιταχύνουν τη διαδικασία παραγωγής.

Επένδυση στη Βιομηχανία Λέιζερ

Υπάρχουν μερικοί κορυφαίοι ανταγωνιστές στη βιομηχανία λέιζερ. Αυτές οι εταιρείες συνεχίζουν να βλέπουν αυξανόμενα κέρδη καθώς η ζήτηση για τα υψηλής τεχνολογίας λέιζερ τους αυξάνεται. Εδώ είναι μια εταιρεία που παραμένει κυρίαρχη δύναμη στον τομέα των λέιζερ και θα μπορούσε να ωφεληθεί από τυχόν σημαντικές αναβαθμίσεις της τεχνολογίας.

Laser Photonics Corp

Η Laser Photonics Corp (LASE ) εισήλθε στην αγορά το 2019 και έχει την έδρα της στο Orlando, Φλόριντα. Από τότε, η εταιρεία έχει εξειδικευτεί στην παραγωγή υψηλής ισχύος και βιομηχανικών λέιζερ. Προς το παρόν προσφέρει ένα μείγμα τυπικών και προσαρμοσμένων λύσεων λέιζερ σε βιομηχανικούς πελάτες.

Η εταιρεία εξασφάλισε επαναφορά για την ποιότητα λόγω των αξιόπιστων συστημάτων καθαρισμού λέιζερ, των επιλογών κοπής και των τελικών συσκευών. Αυτές οι δημοφιλείς συσκευές έχουν βοηθήσει να αποδείξουν τη δέσμευση της Laser Photonics στην παροχή αξιόπιστων και αποτελεσματικών λύσεων λέιζερ. Όσοι επιδιώκουν έκθεση στον γρήγορα εξελισσόμενο τομέα κατασκευής λέιζερ θα πρέπει να ερευνήσουν περισσότερο την Laser Photonics Corp.

Τελευταία Ειδησεία και Ανάπτυξη Μετοχών Laser Photonics Corp (LASE)

Προηγμένα PCSELs | Συμπέρασμα

Τα Προηγμένα PCSELs θα σηματοδοτήσουν μια νέα εποχή στην τεχνολογία. Ήδη, οι επιστήμονες εξερευνούν συστήματα προώθησης λέιζερ επόμενης γενιάς και δίκτυα επικοινωνίας. Η εισαγωγή ενός πιο αξιόπιστου και ασφαλούς για το μάτι λέιζερ στην εξίσωση θα ενισχύσει αυτές τις προσπάθειες, οδηγώντας σε μεγαλύτερη καινοτομία. Προς το παρόν, υπάρχει ακόμη πολύ δουλειά που πρέπει να γίνει, αλλά αυτή η ομάδα καινοτόμων μηχανικών έχει θέσει μια σταθερή βάση για μελλοντικές προσπάθειες.

Μάθετε για άλλα συναρπαστικά επιτεύγματα εδώ.

Μελέτες Αναφοράς:

^{1. Choquette, K. D., Lee, M. L., Ozden, S., Guo, Z., Xu, S., & Park, J. S. (2024). Φωτοαντλούμενα κατεψυγμένα διαλεκτρικά φωτοκρυσταλλικά επιφανειακά εκπεμπόμενα λέιζερ. IEEE Photonics Journal, 16(3), 1–8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}