Les PCSELs avancés pourraient rendre les lasers militaires beaucoup plus puissants

Une équipe de l’Illinois Grainger Engineering a introduit un nouveau type de conception de laser qui offre une luminosité plus élevée et un faisceau plus concentré. Les PCSELs avancés intègrent des triangles diélectriques enterrés en dioxyde de silicium sous-microniques pour maintenir leur faisceau pendant de plus longues périodes, ouvrant la voie à des armes énergétiques avancées, des systèmes LiDAR et des communications spatiales. Voici comment les lasers sont sur le point de subir une mise à niveau majeure.

La technologie laser évolue constamment pour répondre à la demande croissante de dispositifs alimentés par laser. Aujourd’hui, des articles comme votre véhicule électrique utilisent des lasers pour naviguer via LiDAR. De plus, vous avez des fabricants industriels qui utilisent des lasers pour tout, desde la numérisation à la soudure, la gravure et tout ce qui se trouve entre les deux. En conséquence, la technologie laser est devenue un élément essentiel de la vie quotidienne.

VCSELs

Les lasers les plus couramment utilisés dans ces applications de pointe sont les lasers à émission de surface à cavité verticale (VCSELs). Les VCSELs ont un résonateur laser monolithique sur leurs diodes qui produit un faisceau qui se projette depuis la puce perpendiculairement à sa surface.

Ce style de laser est idéal pour les courtes distances, ce qui le rend idéal pour des tâches telles que l’impression laser, la numérisation de codes à barres et même LiDAR à courte distance comme celui trouvé sur votre smartphone. Les avantages des VCSELs sont qu’ils sont abordables et ont une conception éprouvée.

Cependant, les VCSELs sont limités lorsqu’il s’agit d’applications plus avancées. Ces lasers sont limités dans leur puissance et leurs capacités de distance, ce qui les rend obsolètes lorsqu’il s’agit d’options pour la défense antimissile avancée ou les communications spatiales.

PCSELs

Les scientifiques ont longtemps su qu’ils avaient besoin d’une alternative plus puissante. En 2020, l’introduction des lasers à émission de surface à cristal photonique (PCSELs) a ouvert la voie à une nouvelle génération de dispositifs alimentés par laser. Ce style de laser émet de la lumière directement depuis sa surface via des cristaux photoniques.

Les cristaux photoniques sont des structures périodiques sous-longueur d’onde qui peuvent modifier les ondes électromagnétiques à proximité. Contrairement à leurs prédécesseurs, ils utilisent leur conception de cristal photonique bidimensionnel pour diffracter et coupler les faisceaux lumineux ensemble.

À partir de là, l’onde stationnaire bidimensionnelle nouvellement formée passe à travers un matériau de gain, qui amplifie sa puissance. Cette stratégie permet aux ingénieurs d’amplifier le gain plutôt que la puissance d’entrée du laser pour augmenter la luminosité du faisceau. Par conséquent, cette stratégie a permis aux ingénieurs de maintenir un seul mode de laser.

Problèmes avec les PCSELs

Notamment, certaines restrictions ont limité la capacité des PCSELs à évoluer pour répondre aux exigences militaires modernes. Tout d’abord, ces lasers sont fabriqués à l’aide de trous d’air, qui aident le dispositif à lutter contre l’accumulation de chaleur. Lorsque les ingénieurs ont tenté d’augmenter la puissance de ces dispositifs pour des scénarios d’utilisation plus puissants, ils ont remarqué que les atomes du semi-conducteur commençaient à remplir ces trous, ce qui faisait que la structure de cristal photonique devenait déformée.

PCSELs à diélectrique enterré : une étude de rupture

Les ingénieurs de la Grainger College of Engineering de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont récemment mis au point un moyen de résoudre ces problèmes. Leur article, intitulé “Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers”, démontre une nouvelle approche qui intègre des triangles diélectriques enterrés en dioxyde de silicium (SiO2) comme composant à faible indice du cristal photonique.

Source – IEEE Photonics Journal

Les ingénieurs ont commencé par remplir les trous d’air habituels avec un matériau diélectrique solide. Cette approche a garanti que les cristaux photoniques ne se déformeront pas pendant la repousse. La nouvelle conception a permis au dispositif de dissiper la chaleur à un rythme plus rapide, ce qui améliore 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 de dioxyde de silicium a permis aux cristaux de grandir autour du matériau diélectrique, offrant un meilleur soutien et des performances améliorées.

Test des PCSELs à diélectrique enterré

Pour tester leur théorie, les ingénieurs ont fabriqué des PCSELs à diélectrique enterré et les ont soumis à plusieurs expériences de pompage photopique. Plus précisément, l’équipe a utilisé un filtre à passage long dans un spectromètre à réseau linéaire InGaAs refroidi à l’azote liquide et des caméras InGaAs SWIR pour surveiller les spectres de laser et les modèles de champ.

L’équipe a également utilisé un filtre dichroïque aligné placé entre la lentille et le PCSEL pour surveiller les modèles d’image lointaine. Cette approche a projeté une lumière de 1,5 μm sur un écran situé à 65 mm de l’échantillon. Ces tests ont révélé des résultats intéressants.

Résultats : performances des PCSELs avancés

La nouvelle conception de laser a démontré plus de puissance et de fiabilité que ses prédécesseurs. De plus, elle a montré une résistance à la conductivité thermique, même lors d’une utilisation constante et intensive. Plus intéressant encore, le laser pouvait être tiré à température ambiante et à des longueurs d’onde de lumière sûres pour l’œil humain.

Avantages des PCSELs avancés

Il existe de nombreux avantages que les PCSELs améliorés apportent sur le marché. Tout d’abord, ils ouvriront la voie à des lasers plus cohérents et plus longs. Ces dispositifs utiliseront beaucoup moins de puissance et pourront rester plus froids pendant les opérations constantes.

Fiabilité améliorée

Un autre avantage est leur fiabilité à long terme. Les versions précédentes des PCSELs voyaient leurs performances diminuer avec le temps à mesure que les cristaux qui aidaient à former le faisceau commençaient à se dégrader en raison de l’interférence atomique. Cette dernière approche élimine ce problème, ce qui signifie que ces dispositifs ont une durée de vie beaucoup plus longue.

Capacité de puissance accrue

Le principal avantage des PCSELs est qu’ils peuvent gérer beaucoup plus de puissance. Cette capacité les rend idéaux pour les armes énergétiques dirigées de nouvelle génération. Ces systèmes sont considérés comme l’avenir du matériel militaire pour plusieurs raisons, notamment qu’ils ont pratiquement des munitions infinies, limitées uniquement par leur alimentation.

Applications réelles des PCSELs

Il existe une longue liste d’applications pour des lasers plus fiables et plus puissants. Ces dispositifs trouveront leur place dans tout, des drones aux véhicules électriques et même aux engins spatiaux. Il y a déjà beaucoup de gens qui considèrent cette technologie comme cruciale pour les conceptions de matériel militaire futures.

Systèmes LiDAR de nouvelle génération

LiDAR est en train de changer la façon dont les gens interagissent et perçoivent le monde. Déjà, des LiDAR haute puissance aident à cartographier des régions inconnues profondément dans les jungles ou sur le fond de l’océan. Ces systèmes deviendront plus résistants et capables à mesure que les lasers qu’ils utilisent gagneront en puissance.

Systèmes d’armes laser avancés

L’armée cherche à utiliser cette technologie pour créer des lasers qui peuvent détruire les missiles et les véhicules ennemis. Ces armes subissent des tests depuis des décennies. Cependant, ce n’est que récemment qu’elles ont commencé à être intégrées dans des véhicules. Bien qu’elles soient encore en phase de test, ces armes à énergie laser domineront un jour les champs de bataille du futur.

Calendrier d’adoption des PCSELs

Il pourrait s’écouler encore 20 ans avant que cette technologie ne soit accessible aux civils. Il reste encore beaucoup de recherches à effectuer en termes d’augmentation de la conception et de garantie de leur sécurité. Bien que les civils devront attendre, cette technologie sera probablement utilisée par l’armée dans la décennie à venir.

Rencontrez l’équipe de recherche sur les PCSELs

La Grainger College of Engineering de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign a mené l’étude sur les PCSELs. Plus précisément, Kent Choquette est cité comme l’auteur principal de l’étude. Il a bénéficié d’un fort soutien de la part des membres du groupe Minjoo Larry Lee. Notamment, l’ensemble du projet a reçu un financement et un soutien du Laboratoire de recherche de l’armée de l’air,

Perspective future pour les PCSELs avancés

Les ingénieurs amélioreront maintenant leur conception actuelle. Ils prévoient de rendre le dispositif plus fiable et d’augmenter sa puissance tout en réduisant sa taille. De plus, ils travailleront à la création de processus de fabrication durables pour accélérer le processus de production.

Investir dans l’industrie des lasers

Il existe quelques leaders dans l’industrie des lasers. Ces entreprises continuent de voir leurs bénéfices croître à mesure que la demande pour leurs lasers haute technologie continue de croître. Voici une entreprise qui reste une force dominante dans le secteur des lasers et qui pourrait bénéficier de toute mise à niveau majeure de la technologie.

Laser Photonics Corp

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

L’entreprise a obtenu une réputation pour la qualité due à ses systèmes de nettoyage au laser fiables, ses options de découpe et ses appareils de finition. Ces appareils populaires ont aidé à démontrer l’engagement de Laser Photonics à fournir des solutions laser fiables et efficaces. Ceux qui cherchent à avoir une exposition au secteur de fabrication de lasers en pleine croissance devraient effectuer davantage de recherches sur Laser Photonics Corp.

Dernières actualités et développements sur les actions de Laser Photonics Corp (LASE)

PCSELs avancés | Conclusion

Les PCSELs avancés ouvriront une nouvelle ère dans la technologie. Déjà, les scientifiques explorent les systèmes de propulsion laser de nouvelle génération et les réseaux de communication. L’introduction d’un laser plus fiable et sûr pour les yeux dans l’équation ne fera que stimuler ces efforts, conduisant à une plus grande innovation. Pour l’instant, il reste encore beaucoup de travail à faire, mais cette équipe d’ingénieurs innovants a posé une base solide pour les efforts futurs.

Découvrez d’autres avancées ici ici.

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}