Edistyneet PCSEL:t voivat tehdä sotilaslasereista paljon vahvempia

Illinoisin Grainger Engineering -tiimi on esitellyt uudenlaisen laserisuunnittelun, joka tarjoaa suurempaa kirkkautta ja tiiviimmän säteen. Edistyneet PCSEL:t sisältävät submikronisia upotettuja dielektrisiä piidioksidia säteen ylläpitämiseksi pidempään, avaten tien kehittyneille energiasodankäyntiaseille, LiDAR-järjestelmille ja avaruusviestinnälle. Tässä on, miten laserit saavat merkittävän päivityksen.

Laser-teknologia kehittyy jatkuvasti vastatakseen kasvavaan kysyntään laserikäyttöisille laitteille. Nykyään esimerkiksi sähköautosi hyödyntävät laseja navigoidakseen LiDARin avulla. Lisäksi teollisuusvalmistajat käyttävät laseja kaikkeen skannauksesta hitsaukseen, etsaamiseen ja kaikkeen siltä väliltä. Näin ollen laser-teknologia on muodostunut keskeiseksi osaksi arkipäivää.

VCSELs

Yleisin näissä huippusovelluksissa käytetty laserityyppi on pystysuora kammio pintalähettävä laser (VCSEL). VCSEL:issä on monoliittinen laser resonanssi diodeissaan, joka tuottaa säteen, joka heijastuu sirusta kohtisuoraan sen pinnasta.

Tämä laserityyppi soveltuu erinomaisesti lyhyille etäisyyksille, mikä tekee siitä ihanteellisen tehtäviin kuten laserpainatus, viivakoodin skannaus ja jopa lyhyen matkan LiDAR, kuten älypuhelimessasi. VCSEL:ien etuja ovat niiden edullisuus ja todistettu suunnittelu.

Kuitenkin VCSEL:eissä on puutteita kehittyneemmissä sovelluksissa. Näiden laserien teho- ja etäisyyskyky on rajoitettu, mikä tekee niistä vanhentuneita keskusteltaessa edistyneistä ohjuspuolustus- tai avaruusviestintävaihtoehdoista.

PCSELs

Tutkijat ovat pitkään tienneet tarvitsevansa voimakkaamman vaihtoehdon. Vuonna 2020 fotoninen kristalli pintalähettävien laserien (PCSEL) käyttöönotto avasi oven uudelle sukupolvelle laserikäyttöisissä laitteissa. Tämä laserityyppi säteilee valoa suoraan pinnastaan fotonisten kristallien kautta.

Fotoniset kristallit ovat aliaaltoja lyhyempiä jaksollisia rakenteita, jotka voivat muuttaa niiden lähellä olevia sähkömagneettisia aaltoja. Toisin kuin edeltäjänsä, ne hyödyntävät kaksidimensionaalista fotoninen kristalli -suunnittelua hajottaakseen ja yhdistääkseen valonsäteitä.

Sieltä uusi kaksidimensionaalinen seisova aalto kulkee vahvistusmateriaalin läpi, mikä vahvistaa sen tehoa. Tämä strategia mahdollistaa insinööreille vahvistuksen kasvattamisen laserin syöttötehon sijaan, mikä lisää säteen kirkkautta. Tämän seurauksena insinöörit pystyvät ylläpitämään yhtä lasertilaa.

PCSEL:ien ongelmat

Erityisesti tietyt rajoitukset ovat estäneet PCSEL:ien kyvyn skaalautua nykyaikaisiin sotilasvaatimuksiin. Yksi näistä on se, että laserit valmistetaan ilmaraon avulla, mikä auttaa laitetta torjumaan lämpökuormitusta. Kun insinöörit yrittivät skaalata näitä laitteita voimakkaampiin käyttötapauksiin, he huomasivat puolijohteen atomien alkavan täyttää nämä reiät, mikä johti fotonisen kristallirakenteen muodonmuutokseen.

Upotetut dielektriset PCSEL:t: läpimurto tutkimus

Illinoisin Urbana-Champagnen yliopiston Grainger Engineering -koulun insinöörit ovat äskettäin paljastaneet tavan lieventää näitä ongelmia. Heidän ¹ numerolla varustettu julkaisunsa, otsikolla “Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers“, osoittaa uuden lähestymistavan, jossa integroidaan submikronisia upotettuja dielektrisiä (SiO2) kolmioita matalaindeksisenä komponenttina fotonisen kristallin rakenteessa.

Lähde – IEEE Photonics Journal

Insinöörit aloittivat täyttämällä tavalliset ilmaraot kiinteällä dielektrisellä materiaalilla. Tämä lähestymistapa varmisti, että fotoniset kristallit eivät muutu uudelleenkasvun aikana. Uusi suunnittelu mahdollisti laitteen lämmön hajottamisen nopeammin, parantaen tehokkuutta ja kestävyyttä.

Raporttinsa mukaan insinöörit kapselivat fotoniset kristallit kokonaan. Erityisesti dielektristen kolmioiden sivupituudet asetettiin 200–260 nm:iin. Lisäksi piidioksidin käyttö mahdollisti kristallien kasvamisen dielektrisen materiaalin ympärille, tarjoten erinomaisen tuen ja parannetun suorituskyvyn.

Upotettujen dielektristen PCSEL:ien testaus

Testatakseen teoriaansa insinöörit valmistivat upotettuja dielektrisiä PCSEL:eja ja altistivat ne useille valopumppauskokeille. Erityisesti tiimi käytti pitkäaaltoista suodatinta nestemäisessä typessä jäähdytetyssä InGaAs lineaarisessa spektrorivissä ja InGaAs SWIR -kameroita lasertasojen spektrien ja kenttäkuvioiden seurantaan.

Tiimi käytti myös linssin ja PCSEL:n väliin asetettua kohdennettua dikrooppista suodatinta kaukokuvioiden tarkkailuun. Tämä menetelmä projektoi 1,5 µm valoa näytölle, joka oli 65 mm:n etäisyydellä näytteestä. Nämä testit paljastivat mielenkiintoisia tuloksia.

Tulokset: Edistyneiden PCSEL:ien suorituskyky

Uusi laserisuunnittelu osoitti enemmän tehoa ja luotettavuutta kuin edeltäjänsä. Lisäksi se osoitti vastustuskykyä lämmönjohtavuudelle, vaikka sitä käytettäisiin jatkuvasti ja raskaasti. Vielä mielenkiintoisempaa on, että laseria voidaan ampua huoneenlämmössä ja valon aallonpituuksilla, jotka ovat turvallisia ihmisen silmälle.

Edistyneiden PCSEL:ien hyödyt

Päivitetyllä PCSEL:llä on monia etuja markkinoilla. Ensinnäkin ne avaavat oven johdonmukaisemmille ja pidempikestoisemmille laseille. Nämä laitteet kuluttavat paljon vähemmän energiaa ja pysyvät viileämpinä jatkuvan käytön aikana.

Parannettu luotettavuus

Toinen etu on niiden pitkäaikainen luotettavuus. Aikaisemmat PCSEL-versiot kokivat suorituskyvyn heikkenemistä ajan myötä, kun säteen muodostamiseen auttaneet kristallit alkoivat heikentyä atomien häiriön vuoksi. Tämä uusin lähestymistapa poistaa ongelman, mikä tarkoittaa, että näillä laitteilla on paljon pidempi käyttöikä.

Lisätty teho-kyky

PCSEL:ien tärkein etu on, että ne pystyvät käsittelemään paljon enemmän tehoa. Tämä kyky tekee niistä ihanteellisia seuraavan sukupolven suunnattuihin energiasodankäyntiaseisiin. Näitä järjestelmiä pidetään tulevaisuuden sotilaslaitteina useista syistä, mukaan lukien lähes ääretön ammuksien määrä, rajoittuen vain niiden virtalähteeseen.

PCSEL:ien todelliset sovellukset

Luotettavampien ja voimakkaampien laserien sovelluksia on pitkä lista. Nämä laitteet löytävät paikkansa kaikessa dronesta sähköautoihin ja jopa avaruusaluksiin. Jo nyt monet pitävät tätä teknologiaa keskeisenä tulevien sotilaslaitteiden suunnittelussa.

Seuraavan sukupolven LiDAR-järjestelmät

LiDAR muuttaa tapaa, jolla ihmiset ovat vuorovaikutuksessa ja näkevät maailman. Jo nyt korkea-tehoinen LiDAR auttaa kartoittamaan tuntemattomia alueita syvällä viidakossa tai merenpohjassa. Nämä järjestelmät tulevat olemaan kestävämpiä ja kykenevämpiä, kun niiden käyttämät laserit saavat lisää tehoa.

Edistyneet laserasejärjestelmät

Armeija pyrkii hyödyntämään tätä teknologiaa luodakseen laserit, jotka voivat poistaa vihollisen ohjukset ja ajoneuvot. Näitä aseita on testattu vuosikymmeniä. Kuitenkin vasta äskettäin ne alkoivat integroitua ajoneuvoihin. Vaikka ne ovat edelleen testausvaiheessa, nämä laserikäyttöiset aseistukset hallitsevat tulevaisuuden taistelukenttiä.

PCSEL:ien käyttöönotto aikajana

Voi kestää vielä 20 vuotta ennen kuin tämä teknologia saavuttaa siviilikäytön. Suunnittelun skaalaamisessa ja turvallisuuden varmistamisessa on vielä paljon tutkimusta tehtävänä. Vaikka siviilien täytyy odottaa, teknologia todennäköisesti näkee sotilaskäyttöä seuraavan vuosikymmenen aikana.

Tapaa PCSEL-tutkimusryhmä

Illinoisin Urbana-Champagnen yliopiston Grainger Engineering -koulun insinöörit johtivat PCSEL-tutkimusta. Erityisesti Kent Choquette on lueteltu tutkimuksen pääkirjoittajaksi. Hän sai vahvan tuen Minjoo Larry Lee -ryhmän jäseniltä. Merkittävää on, että koko projekti sai rahoitusta ja tukea Yhdysvaltain ilmavoimien tutkimuslaitokselta,

Tulevaisuuden näkymät edistyneille PCSEL:eille

Insinöörit aikovat nyt parantaa nykyistä suunnittelua. He suunnittelevat laitteen luotettavuuden lisäämistä ja tehon skaalaamista samalla kun pienentävät sen muotoa. Lisäksi he työskentelevät kestävien valmistusprosessien luomiseksi, jotta tuotantoprosessi nopeutuu.

Sijoittaminen laseriteollisuuteen

Laseriteollisuudessa on muutamia johtavia toimijoita. Nämä yritykset näkevät jatkuvasti kasvavia voittoja, kun niiden huippuluokan laserien kysyntä kasvaa. Tässä on yksi yritys, joka on edelleen hallitseva voima laserialalla ja voisi hyötyä merkittävistä teknologian päivityksistä.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE ) astui markkinoille vuonna 2019 ja sen pääkonttori sijaitsee Orlandossa, Floridassa. Siitä lähtien yritys on erikoistunut korkean tehon ja teollisten laserien tuotantoon. Se tarjoaa tällä hetkellä sekoituksen vakio- ja räätälöityjä laseriratkaisuja teollisuusasiakkaille.

Yritys on varmistanut laadun palauttamisen luotettavien laserpuhdistusjärjestelmiensä, leikkausvaihtoehtoihinsa ja viimeistelylaitteisiinsa ansiosta. Nämä suositut laitteet ovat auttaneet osoittamaan Laser Photonicsin sitoutumisen luotettavien ja tehokkaiden laseriratkaisujen toimittamiseen. Ne, jotka etsivät altistumista nopeatahtiselle laservalmistussektorille, tulisi tutkia tarkemmin Laser Photonics Corp:ia.

Viimeisimmät Laser Photonics Corp (LASE) osakeuutiset ja kehitys

Edistyneet PCSEL:t | Yhteenveto

Edistyneet PCSEL:t avaavat uuden aikakauden teknologiassa. Jo nyt tutkijat ovat tutkineet seuraavan sukupolven laseripropulsiojärjestelmiä ja viestintäverkkoja. Luotettavamman ja silmälle turvallisen laserin lisääminen yhtälöön vain tehostaa näitä ponnistuksia, johtaa suurempaan innovaatioon. Tällä hetkellä on vielä paljon tehtävää, mutta tämä innovatiivisten insinöörien tiimi on luonut vahvan perustan tuleville pyrkimyksille.

Tutustu muihin hienoihin läpimurtoihin täällä.

Viitteet:

^{1. Choquette, K. D., Lee, M. L., Ozden, S., Guo, Z., Xu, S., & Park, J. S. (2024). Valopumppauskaapattu upotettu dielektrinen fotonikristalli-pintalähettävä laser. IEEE Photonics Journal, 16(3), 1–8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}