Les PCSEL avancés pourraient rendre les lasers militaires beaucoup plus puissants

Une équipe du Grainger Engineering de l’Illinois a présenté un nouveau type de conception de laser offrant une plus grande luminosité et un faisceau plus concentré. Les PCSEL avancés intègrent du dioxyde de silicium diélectrique enfoui sub‑micron afin de maintenir leur faisceau plus longtemps, ouvrant la voie à des armes à énergie avancées, aux systèmes LiDAR et aux communications spatiales. Voici comment les lasers vont bénéficier d’une mise à niveau majeure.

La technologie laser évolue constamment pour répondre à la demande croissante d’appareils fonctionnant au laser. Aujourd’hui, des objets comme votre véhicule électrique utilisent des lasers pour se déplacer grâce au LiDAR. De plus, les fabricants industriels exploitent les lasers pour tout, de la numérisation au soudage, à la gravure et à bien d’autres applications. Ainsi, la technologie laser est devenue un composant essentiel de la vie quotidienne.

VCSELs

Le type de laser le plus couramment utilisé dans ces applications haut de gamme est le laser à émission de surface à cavité verticale (VCSEL). Les VCSEL possèdent un résonateur laser monolithique sur leurs diodes qui génère un faisceau projeté perpendiculairement à la surface de la puce.

Ce type de laser est idéal pour les courtes distances, ce qui le rend adapté à des tâches telles que l’impression laser, la lecture de codes‑barres et même le LiDAR à courte portée présent sur votre smartphone. Les avantages des VCSEL résident dans leur coût abordable et leur conception éprouvée.

Cependant, les VCSEL sont insuffisants pour les applications plus avancées. Ces lasers sont limités en puissance et en portée, les rendant inadaptés lorsqu’on envisage des options pour la défense antimissile avancée ou les communications spatiales.

PCSELs

Les scientifiques savent depuis longtemps qu’ils avaient besoin d’une alternative plus puissante. En 2020, l’introduction des lasers à émission de surface à cristal photonique (PCSEL) a ouvert la voie à une nouvelle génération d’appareils fonctionnant au laser. Ce type de laser émet la lumière directement depuis sa surface grâce aux cristaux photoniques.

Les cristaux photoniques sont des structures périodiques sous‑longueur d’onde capables de modifier les ondes électromagnétiques à proximité. Contrairement à leurs prédécesseurs, ils utilisent une conception de cristal photonique bidimensionnelle pour diffracter et coupler les faisceaux lumineux.

Ensuite, l’onde stationnaire bidimensionnelle nouvellement formée traverse le matériau amplificateur, ce qui augmente sa puissance. Cette stratégie permet aux ingénieurs d’amplifier le gain plutôt que l’entrée de puissance du laser afin d’accroître la luminosité du faisceau. Par conséquent, cette approche a permis aux ingénieurs de maintenir un seul mode de génération.

Problèmes des PCSEL

Notamment, certaines limitations ont restreint la capacité des PCSEL à être mis à l’échelle pour répondre aux exigences militaires modernes. D’une part, ces lasers sont fabriqués à l’aide de microtrous d’air, qui aident l’appareil à lutter contre l’accumulation thermique. Lorsque les ingénieurs ont tenté d’augmenter l’échelle de ces dispositifs pour des scénarios d’utilisation plus puissants, ils ont constaté que les atomes du semi‑conducteur commençaient à combler ces trous, entraînant une déformation de la structure du cristal photonique.

PCSELs à diélectrique enfoui: Une étude révolutionnaire

Des ingénieurs du Grainger College of Engineering de l’Université de l’Illinois à Urbana‑Champaign ont récemment présenté une méthode pour atténuer ces problèmes. Leur article¹, intitulé “Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers“, démontre une nouvelle approche intégrant des triangles de diélectrique enfoui sub‑micron (SiO2) comme composant à indice bas du cristal photonique.

Source – IEEE Photonics Journal

Les ingénieurs ont commencé par combler les espaces d’air habituels avec un matériau diélectrique solide. Cette approche a garanti que les cristaux photoniques ne se déforment pas lors de la régénération. Le nouveau design a permis à l’appareil de dissiper la chaleur plus rapidement, améliorant ainsi l’efficacité et la durabilité.

Selon leur rapport, les ingénieurs ont entièrement encapsulé les cristaux photoniques. Plus précisément, les longueurs des côtés des triangles diélectriques ont été fixées entre 200 et 260 nm. De plus, l’utilisation du dioxyde de silicium a permis aux cristaux de croître autour du matériau diélectrique, offrant un soutien supérieur et des performances améliorées.

Test des PCSEL à diélectrique enfoui

Pour tester leur théorie, les ingénieurs ont fabriqué des PCSEL à diélectrique enfoui et les ont soumis à plusieurs expériences de photopompage. Plus précisément, l’équipe a utilisé un filtre passe‑long dans un spectromètre à matrice linéaire InGaAs refroidi à l’azote liquide ainsi que des caméras InGaAs SWIR pour surveiller les spectres de génération et les motifs de champ.

L’équipe a également utilisé un filtre dichroïque aligné placé entre l’objectif et le PCSEL pour observer les motifs d’image à distance. Cette méthode projetait une lumière de 1,5 µm sur un écran placé à 65 mm du spécimen. Ces tests ont révélé des résultats intéressants.

Résultats: Performance des PCSEL avancés

Le nouveau design de laser a démontré une puissance et une fiabilité supérieures à celles de ses prédécesseurs. De plus, il a montré une résistance à la conductivité thermique, même lors d’une utilisation constante et intensive. Plus intéressant encore, le laser peut être déclenché à température ambiante et à des longueurs d’onde sûres pour l’œil humain.

Avantages des PCSEL avancés

Le PCSEL amélioré offre de nombreux avantages sur le marché. Tout d’abord, il ouvrira la voie à des lasers plus constants et à plus longue portée. Ces dispositifs consommeront beaucoup moins d’énergie et resteront plus frais lors d’opérations continues.

Fiabilité améliorée

Un autre avantage est leur fiabilité à long terme. Les versions antérieures de PCSEL voyaient leurs performances diminuer avec le temps, les cristaux formant le faisceau se détériorant à cause d’interférences atomiques. Cette nouvelle approche élimine ce problème, ce qui confère aux dispositifs une durée de vie nettement plus longue.

Capacité de puissance accrue

Le principal avantage des PCSEL est leur capacité à gérer beaucoup plus de puissance. Cette capacité les rend idéaux pour les armes à énergie dirigée de prochaine génération. Ces systèmes sont considérés comme l’avenir du matériel militaire pour plusieurs raisons, notamment parce qu’ils disposent d’un quasi‑muni illimité, limité uniquement par leur alimentation.

Applications réelles des PCSEL

Il existe une longue liste d’applications pour des lasers plus fiables et plus puissants. Ces dispositifs seront intégrés dans tout, des drones aux véhicules électriques, voire aux engins spatiaux. De nombreuses personnes considèrent déjà cette technologie comme cruciale pour les futurs conceptions de matériel militaire.

Systèmes LiDAR de prochaine génération

Le LiDAR transforme la façon dont les gens interagissent et perçoivent le monde. Déjà, le LiDAR à haute puissance aide à cartographier des régions inconnues, que ce soit dans les jungles profondes ou sur le plancher océanique. Ces systèmes deviendront plus résilients et performants à mesure que les lasers qu’ils utilisent gagnent en puissance.

Systèmes d’armes laser avancés

L’armée cherche à exploiter cette technologie pour créer des lasers capables d’éliminer les missiles et véhicules ennemis. Ces armes sont testées depuis des décennies. Cependant, ce n’est que récemment qu’elles ont commencé à être intégrées aux véhicules. Bien qu’encore en phase de test, ces armements à énergie laser domineront un jour les champs de bataille du futur.

Chronologie de l’adoption des PCSEL

Il pourrait s’écouler encore 20 ans avant que cette technologie ne soit accessible aux civils. De nombreuses recherches restent nécessaires pour mettre à l’échelle le design et garantir sa sécurité. Bien que les civils devront attendre, il est probable que cette technologie soit utilisée par l’armée d’ici la prochaine décennie.

Rencontrez l’équipe de recherche PCSEL

Le Grainger College of Engineering de l’Université de l’Illinois à Urbana‑Champaign a dirigé l’étude sur les PCSEL. Plus précisément, Kent Choquette est indiqué comme auteur principal de l’étude. Il a bénéficié d’un solide soutien de la part des membres du groupe Minjoo Larry Lee. Notamment, l’ensemble du projet a reçu un financement et un appui du Air Force Research Laboratory,

Perspectives futures pour les PCSEL avancés

Les ingénieurs vont maintenant améliorer leur conception actuelle. Ils prévoient de rendre l’appareil plus fiable, d’augmenter sa puissance tout en réduisant son facteur de forme. De plus, ils travailleront à la mise en place de procédés de fabrication durables afin d’accélérer la production.

Investir dans l’industrie du laser

Il existe plusieurs acteurs majeurs dans l’industrie du laser. Ces entreprises voient leurs bénéfices croître à mesure que la demande pour leurs lasers de haute technologie augmente. Voici une société qui demeure une force dominante dans le secteur du laser et qui pourrait profiter de toute amélioration majeure de la technologie.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE ) est entrée sur le marché en 2019 et a son siège à Orlando, Floride. Depuis, l’entreprise s’est spécialisée dans la production de lasers haute puissance et industriels. Elle propose actuellement un mélange de solutions laser standard et personnalisées pour une clientèle industrielle.

L’entreprise a assuré une réputation de qualité grâce à ses systèmes de nettoyage laser fiables, ses options de découpe et ses dispositifs de finition. Ces appareils populaires ont démontré l’engagement de Laser Photonics à fournir des solutions laser fiables et efficaces. Ceux qui souhaitent s’exposer au secteur dynamique de la fabrication de lasers devraient approfondir leurs recherches sur Laser Photonics Corp.

Dernières actualités et développements boursiers de Laser Photonics Corp (LASE)

PCSEL avancés | Conclusion

Les PCSEL avancés inaugureront une nouvelle ère technologique. Déjà, les scientifiques explorent des systèmes de propulsion laser de prochaine génération et des réseaux de communication. L’introduction d’un laser plus fiable et sûr pour les yeux ne fera qu’amplifier ces efforts, conduisant à davantage d’innovation. Pour l’instant, il reste encore beaucoup à faire, mais cette équipe d’ingénieurs innovants a posé des bases solides pour les travaux futurs.

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Études référencées:

^{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}