Los PCSELs avanzados podrían hacer que los láseres militares sean mucho más potentes

Un equipo de Illinois Grainger Engineering ha presentado un nuevo tipo de diseño de láser que ofrece mayor brillo y un haz más concentrado. Los PCSELs avanzados incorporan dióxido de silicio dieléctrico submicrónico enterrado para mantener su haz durante períodos más prolongados, abriendo la puerta a armas de energía avanzadas, sistemas LiDAR y comunicaciones espaciales. Así es como los láseres están a punto de recibir una importante mejora.

La tecnología láser evoluciona constantemente para satisfacer la creciente demanda de dispositivos impulsados por láser. Hoy en día, artículos como su vehículo eléctrico utilizan láseres para navegar mediante LiDAR. Además, los fabricantes industriales aprovechan los láseres para todo, desde escaneo hasta soldadura, grabado y todo lo que hay entre medio. Por lo tanto, la tecnología láser se ha convertido en un componente crucial de la vida cotidiana.

VCSELs

El tipo más común de láseres utilizados en estas aplicaciones de alta gama son los láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSELs). Los VCSELs tienen un resonador láser monolítico en sus diodos que produce un haz que se proyecta desde el chip perpendicular a su superficie.

Este tipo de láser es ideal para distancias cortas, lo que lo hace perfecto para tareas como impresión láser, escaneo de códigos de barras e incluso LiDAR de corto alcance como el que se encuentra en su teléfono inteligente. Las ventajas de los VCSELs son que son asequibles y cuentan con un diseño probado.

Sin embargo, los VCSELs presentan limitaciones cuando se trata de aplicaciones más avanzadas. Estos láseres están limitados en su potencia y alcance, lo que los vuelve obsoletos al considerar opciones para defensa de misiles avanzada o comunicaciones espaciales.

PCSELs

Los científicos han sabido durante mucho tiempo que necesitaban una alternativa más potente. En 2020, la introducción de los láseres emisores de superficie de cristal fotónico (PCSELs) abrió la puerta a una nueva generación de dispositivos impulsados por láser. Este tipo de láser emite luz directamente desde su superficie mediante cristales fotónicos.

Los cristales fotónicos son estructuras periódicas sublongitud de onda que pueden alterar las ondas electromagnéticas en su entorno. A diferencia de sus predecesores, utilizan su diseño de cristal fotónico bidimensional para difractar y acoplar haces de luz juntos.

A partir de ahí, la onda estacionaria bidimensional recién formada pasa a través del material de ganancia, lo que amplifica su potencia. Esta estrategia permite a los ingenieros amplificar la ganancia en lugar de la potencia de entrada del láser para aumentar el brillo del haz. En consecuencia, esta estrategia permitió a los ingenieros mantener un único modo de láser.

Problemas con los PCSELs

Cabe destacar que algunas restricciones han limitado la capacidad de los PCSELs para escalar a los requisitos militares modernos. Por un lado, estos láseres se fabrican utilizando agujeros de aire, lo que ayuda al dispositivo a combatir la acumulación de calor. Cuando los ingenieros intentaron escalar estos dispositivos para escenarios de uso más potentes, observaron que los átomos del semiconductor comenzaban a rellenar esos agujeros, lo que provocaba la deformación de la estructura del cristal fotónico.

PCSELs de dieléctrico enterrado: Un estudio revolucionario

Los ingenieros del Grainger College of Engineering de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign revelaron recientemente una forma de mitigar estos problemas. Su artículo¹, titulado “Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers“, demuestra un nuevo enfoque que integra triángulos de dieléctrico enterrado (SiO2) submicrónicos como el componente de bajo índice del cristal fotónico.

Fuente – IEEE Photonics Journal

Los ingenieros comenzaron rellenando los habituales huecos de aire con material dieléctrico sólido. Este enfoque garantizó que los cristales fotónicos no se deformaran durante el recubrimiento. El nuevo diseño permitió que el dispositivo disipara el calor a una velocidad mayor, mejorando la eficiencia y la durabilidad.

Según su informe, los ingenieros encapsularon completamente los cristales fotónicos. Específicamente, las longitudes de los lados de los triángulos dieléctricos se establecieron entre 200 y 260 nm. Además, el uso de dióxido de silicio permitió que los cristales crecieran alrededor del material dieléctrico, proporcionando un soporte superior y un rendimiento mejorado.

Pruebas de los PCSELs de dieléctrico enterrado

Para probar su teoría, los ingenieros fabricaron PCSELs de dieléctrico enterrado y los sometieron a varios experimentos de fotobombeo. Específicamente, el equipo utilizó un filtro de paso largo en un espectrómetro de matriz lineal InGaAs enfriado con nitrógeno líquido y cámaras InGaAs SWIR para monitorear los espectros de láser y los patrones de campo.

El equipo también utilizó un filtro dicróico alineado colocado entre la lente y el PCSEL para monitorear los patrones de imagen a distancia. Este método proyectó una luz de 1,5 µm sobre una pantalla ubicada a 65 mm del muestra. Estas pruebas revelaron algunos resultados interesantes.

Resultados: Rendimiento de los PCSELs avanzados

El nuevo diseño de láser demostró más potencia y fiabilidad que sus predecesores. Además, mostró resistencia a la conductividad térmica, incluso bajo uso constante y intensivo. Aún más interesante es que el láser puede dispararse a temperatura ambiente y en longitudes de onda de luz seguras para el ojo humano.

Beneficios de los PCSELs avanzados

Existen muchos beneficios que el PCSEL mejorado aporta al mercado. En primer lugar, abrirá la puerta a láseres más consistentes y de mayor duración de proyección. Estos dispositivos utilizarán mucho menos energía y podrán mantenerse más frescos durante operaciones continuas.

Mayor fiabilidad

Otro beneficio es su fiabilidad a largo plazo. Las versiones anteriores de los PCSELs mostraban un rendimiento decreciente con el tiempo, ya que los cristales que ayudaban a formar el haz comenzaban a degradarse debido a la interferencia atómica. Este último enfoque elimina ese problema, lo que significa que estos dispositivos tienen una vida útil mucho más larga.

Mayor capacidad de potencia

El principal beneficio de los PCSELs es que pueden manejar mucho más potencia. Esta capacidad los hace ideales para armas de energía dirigida de próxima generación. Estos sistemas se consideran el futuro del hardware militar por varias razones, incluida la casi infinita munición, limitada solo por su suministro de energía.

Aplicaciones del mundo real para los PCSELs

Existe una larga lista de aplicaciones para láseres más fiables y de mayor potencia. Estos dispositivos encontrarán uso en todo, desde drones hasta vehículos eléctricos e incluso naves espaciales. Ya hay muchas personas que consideran esta tecnología crucial para los diseños futuros de hardware militar.

Sistemas LiDAR de próxima generación

El LiDAR está cambiando la forma en que las personas interactúan y ven el mundo. Ya, el LiDAR de alta potencia está ayudando a mapear regiones desconocidas en lo profundo de las selvas o del fondo oceánico. Estos sistemas se volverán más resistentes y capaces a medida que los láseres que utilizan ganen potencia.

Sistemas avanzados de armas láser

El ejército busca utilizar esta tecnología para crear láseres que puedan eliminar misiles y vehículos enemigos. Estas armas han estado en pruebas durante décadas. Sin embargo, no fue hasta recientemente que comenzaron a integrarse en vehículos. Aunque aún están en fase de pruebas, estas armas impulsadas por láser algún día dominarán los campos de batalla del futuro.

Cronología de adopción de los PCSELs

Podrían pasar otros 20 años antes de que esta tecnología llegue a los civiles. Aún queda mucha investigación por hacer en cuanto a escalar el diseño y garantizar su seguridad. Aunque los civiles tendrán que esperar, es probable que esta tecnología vea uso militar dentro de la próxima década.

Conozca al equipo de investigación de PCSELs

El Grainger College of Engineering de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign lideró el estudio de los PCSELs. Específicamente, Kent Choquette figura como autor principal del estudio. Contó con un fuerte apoyo de miembros del grupo Minjoo Larry Lee. Cabe destacar que todo el proyecto recibió financiación y apoyo del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea,

Perspectivas futuras para los PCSELs avanzados

Los ingenieros ahora mejorarán su diseño actual. Planean hacer el dispositivo más fiable y escalar su potencia mientras reducen su factor de forma. Además, trabajarán en crear procesos de fabricación sostenibles para acelerar la producción.

Invertir en la industria láser

Existen algunos contendientes líderes en la industria láser. Estas empresas siguen viendo crecientes beneficios a medida que la demanda de sus láseres de alta tecnología aumenta. Aquí hay una empresa que sigue siendo una fuerza dominante en el sector láser y que podría beneficiarse de cualquier mejora importante de la tecnología.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE ) ingresó al mercado en 2019 y tiene su sede en Orlando, Florida. Desde entonces, la empresa se ha especializado en la producción de láseres de alta potencia e industriales. Actualmente ofrece una combinación de soluciones láser estándar y personalizadas para clientes industriales.

La empresa aseguró la reputación de calidad gracias a sus sistemas de limpieza láser fiables, opciones de corte y dispositivos de acabado. Estos dispositivos populares han demostrado el compromiso de Laser Photonics con la entrega de soluciones láser fiables y efectivas. Aquellos que buscan exposición al sector de fabricación láser de rápido movimiento deberían investigar más sobre Laser Photonics Corp.

Últimas noticias y desarrollos de acciones de Laser Photonics Corp (LASE)

PCSELs avanzados | Conclusión

Los PCSELs avanzados inaugurarán una nueva era tecnológica. Ya, los científicos han estado explorando sistemas de propulsión láser de próxima generación y redes de comunicación. La introducción de un láser más fiable y seguro para los ojos solo potenciará estos esfuerzos, conduciendo a una mayor innovación. Por ahora, aún queda mucho trabajo por hacer, pero este equipo de ingenieros innovadores ha sentado una base sólida para futuros avances.

Conozca otros avances interesantes aquí.

Estudios citados:

^{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}