Avanzados PCSELs podrían hacer que los láseres militares sean mucho más fuertes

Un equipo de Illinois Grainger Engineering ha introducido un nuevo tipo de diseño de láser que proporciona una mayor brillantez y un haz más concentrado. Los avanzados PCSELs incorporan dióxido de silicio enterrado submicrónico para mantener su haz durante períodos más largos, abriendo la puerta a armas de energía avanzadas, sistemas LiDAR y comunicaciones espaciales. Aquí está cómo los láseres están a punto de recibir una importante actualización.

La tecnología láser evoluciona constantemente para satisfacer la creciente demanda de dispositivos alimentados por láser. Hoy en día, artículos como su vehículo eléctrico utilizan láseres para navegar a través de LiDAR. Además, los fabricantes industriales aprovechan los láseres para todo, desde el escaneo hasta la soldadura, el grabado y todo lo que hay entre medio. Como tal, 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 de emisión 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 estilo de láser es ideal para distancias cortas, lo que lo hace ideal para tareas como la impresión láser, el escaneo de códigos de barras y甚至 el LiDAR de corta distancia como el que se encuentra en su smartphone. Las ventajas de los VCSELs son que son asequibles y tienen un diseño probado.

Sin embargo, los VCSELs carecen cuando se trata de aplicaciones más avanzadas. Estos láseres están limitados en su potencia y capacidad de distancia, lo que los hace obsoletos cuando se discuten opciones para la defensa de misiles avanzados o las comunicaciones espaciales.

PCSELs

Los científicos han sabido durante mucho tiempo que necesitaban una alternativa más poderosa. En 2020, la introducción de láseres de emisión de superficie de cristal fotónico (PCSELs) abrió la puerta a una nueva generación de dispositivos alimentados por láser. Este estilo de láser emite luz directamente desde su superficie a través de cristales fotónicos.

Los cristales fotónicos son estructuras periódicas sublongitud de onda que pueden alterar las ondas electromagnéticas en su vecindad. 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, que amplifica su potencia. Esta estrategia permite a los ingenieros amplificar la ganancia en lugar de la potencia de entrada del láser para aumentar la brillantez del haz. En consecuencia, esta estrategia permitió a los ingenieros mantener un solo modo de lásershoot.

Problemas con PCSELs

Destacablemente, algunas restricciones han limitado la capacidad de los PCSELs para escalar hasta los requisitos militares modernos. Por un lado, estos láseres se fabrican utilizando agujeros de aire, que ayudan al dispositivo a luchar contra el aumento térmico. Cuando los ingenieros intentaron escalar estos dispositivos para casos de uso más poderosos, notaron que los átomos del semiconductor comenzarían a llenar estos agujeros, lo que provocaría que la estructura del cristal fotónico se deformara.

PCSELs de dieléctrico enterrado: un estudio innovador

Los ingenieros de la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han descubierto recientemente una forma de mitigar estos problemas. Su artículo, titulado “Láseres de emisión de superficie de cristal fotónico de dieléctrico enterrado fotopumpados”, demuestra un nuevo enfoque que integra triángulos de dieléctrico enterrado submicrónico (SiO2) como el componente de bajo índice del cristal fotónico.

Fuente – IEEE Photonics Journal

Los ingenieros comenzaron llenando los agujeros de aire habituales con material dieléctrico sólido. Este enfoque garantizó que los cristales fotónicos no se deformaran durante el crecimiento. El nuevo diseño permitió que el dispositivo disipara el calor a una velocidad más rápida, lo que impulsó 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 en 200 a 260 nm. Además, el uso de dióxido de silicio permitió que los cristales crecieran alrededor del material dieléctrico, proporcionando un soporte y un rendimiento superiores.

Poner a prueba los PCSELs de dieléctrico enterrado

Para probar su teoría, los ingenieros fabricaron PCSELs de dieléctrico enterrado y los sometieron a varios experimentos de fotopumping. Específicamente, el equipo utilizó un filtro de paso largo en un espectrómetro de matriz lineal de InGaAs enfriado con nitrógeno líquido y cámaras InGaAs SWIR para monitorear los espectros de lásershoot 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 lejana. Este enfoque proyectó una luz de 1,5 μm en una pantalla que se configuró a 65 mm de distancia de la muestra. Estas pruebas revelaron algunos resultados interesantes.

Resultados: rendimiento de PCSELs avanzados

El nuevo diseño de láser demostró más potencia y confiabilidad que sus predecesores. Además, mostró resistencia a la conductividad térmica, incluso cuando se utilizaba constantemente y con mucha intensidad. Incluso más interesante es que el láser podía dispararse a temperatura ambiente y a longitudes de onda de luz seguras para el ojo humano.

Beneficios de los PCSELs avanzados

Hay muchos beneficios que el PCSEL mejorado aporta al mercado. Por un lado, abrirán la puerta a láseres más consistentes y con proyección más larga. Estos dispositivos utilizarán mucha menos potencia y pueden permanecer más fríos durante las operaciones constantes.

Confiabilidad mejorada

Otro beneficio es su confiabilidad a largo plazo. Las versiones anteriores de los PCSELs verían un rendimiento en declive con el tiempo, ya que los cristales que ayudaban a formar el haz comenzarían a degradarse debido a la interferencia atómica. Este enfoque más reciente elimina este problema, lo que significa que estos dispositivos tienen una vida útil mucho más larga.

Capacidad de potencia aumentada

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

Aplicaciones en el mundo real para PCSELs

Hay una larga lista de aplicaciones para láseres más confiables y potentes. Estos dispositivos encontrarán un hogar en todo, desde drones hasta vehículos eléctricos e incluso naves espaciales. Ya hay mucha gente que ve esta tecnología como crucial para los diseños de hardware militar del futuro.

Sistemas LiDAR de próxima generación

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

Sistemas de armas láser avanzados

El ejército busca utilizar esta tecnología para crear láseres que puedan destruir misiles y vehículos enemigos. Estas armas han estado en pruebas durante décadas. Sin embargo, no fue hasta hace poco que comenzaron a integrarse en vehículos. Aunque todavía están en etapa de prueba, estas armas de energía láser dominarán los campos de batalla del futuro.

Cronograma de adopción de PCSELs

Puede pasar otra década antes de que esta tecnología llegue a los civiles. Todavía hay mucha investigación que hacer en términos de escalar el diseño y garantizar su seguridad. Mientras que los civiles tendrán que esperar, esta tecnología probablemente verá un uso militar dentro de la próxima década.

Conoce al equipo de investigación de PCSEL

La Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign lideró el estudio de PCSELs. Específicamente, Kent Choquette está enlistado como el autor principal del estudio. Tuvo un fuerte apoyo de miembros del grupo de Minjoo Larry Lee. Destacablemente, todo el proyecto recibió financiamiento y apoyo de la Fuerza Aérea de Investigación de Laboratorio.

Perspectiva futura para PCSELs avanzados

Los ingenieros ahora mejorarán su diseño actual. Planean hacer que el dispositivo sea más confiable y escalar su potencia mientras reducen su factor de forma. Además, trabajarán en la creación de procesos de fabricación sostenibles para acelerar el proceso de fabricación.

Invertir en la industria del láser

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

Laser Photonics Corp

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

La empresa obtuvo la repatriación de la calidad debido a sus sistemas de limpieza láser confiables, opciones de corte y dispositivos de acabado. Estos dispositivos populares han ayudado a demostrar el compromiso de Laser Photonics con la entrega de soluciones láser confiables y efectivas. Aquellos que buscan exposición al sector de fabricación de láser en rápida evolución deben investigar más a fondo a Laser Photonics Corp.

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

PCSELs avanzados | Conclusión

Los PCSELs avanzados marcarán el comienzo de una nueva era en la tecnología. Ya, los científicos han estado explorando sistemas de propulsión láser de próxima generación y redes de comunicación. La introducción de un láser más confiable y seguro para los ojos a la ecuación solo ayudará a impulsar estos esfuerzos, lo que llevará a una mayor innovación. Por ahora, todavía hay mucho trabajo por hacer, pero este equipo de ingenieros innovadores ha sentado una base sólida para los esfuerzos futuros.

Aprende sobre otros avances emocionantes aquí.

Estudios referenciados:

^{1. Choquette, K. D., Lee, M. L., Ozden, S., Guo, Z., Xu, S., & Park, J. S. (2024). Láseres de emisión de superficie de cristal fotónico de dieléctrico enterrado fotopumpados. IEEE Photonics Journal, 16(3), 1–8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}