I PCSEL avanzati potrebbero rendere i laser militari molto più potenti

Un team del Grainger Engineering dell’Illinois ha introdotto un nuovo tipo di design laser che offre una maggiore luminosità e un fascio più concentrato. I PCSEL avanzati incorporano silice (SiO2) dielettrica sepolta sub-micrometrica per mantenere il fascio più a lungo, aprendo la porta a armi energetiche avanzate, sistemi LiDAR e comunicazioni spaziali. Ecco come i laser stanno per ricevere un importante aggiornamento.

La tecnologia laser evolve costantemente per soddisfare la crescente domanda di dispositivi alimentati a laser. Oggi, oggetti come la tua auto elettrica utilizzano i laser per navigare tramite LiDAR. Inoltre, i produttori industriali sfruttano i laser per tutto, dalla scansione alla saldatura, incisione e molto altro. In tal modo, la tecnologia laser è diventata un componente cruciale della vita quotidiana.

VCSEL

Il tipo più comune di laser utilizzati in queste applicazioni di alto livello sono i laser a emissione di superficie a cavità verticale (VCSEL). I VCSEL hanno un risonatore laser monolitico sui loro diodi che produce un fascio che si proietta dal chip perpendicolarmente alla sua superficie.

Questo tipo di laser è ideale per brevi distanze, rendendolo perfetto per compiti come la stampa laser, la scansione di codici a barre e persino il LiDAR a breve distanza come quello presente sul tuo smartphone. I vantaggi dei VCSEL sono che sono economici e hanno un design collaudato.

Tuttavia, i VCSEL mostrano carenze quando si tratta di applicazioni più avanzate. Questi laser sono limitati in termini di potenza e capacità di distanza, rendendoli obsoleti quando si discutono opzioni per difesa missilistica avanzata o comunicazioni spaziali.

PCSEL

Gli scienziati sapevano da tempo che era necessaria un’alternativa più potente. Nel 2020, l’introduzione dei laser a emissione di superficie a cristallo fotonico (PCSEL) ha aperto la porta a una nuova generazione di dispositivi alimentati a laser. Questo tipo di laser emette luce direttamente dalla sua superficie tramite cristalli fotonici.

I cristalli fotonici sono strutture periodiche sublunghezza d’onda che possono modificare le onde elettromagnetiche nelle loro vicinanze. A differenza dei loro predecessori, utilizzano un design a cristallo fotonico bidimensionale per diffrare e accoppiare i fasci di luce insieme.

Da lì, l’onda stazionaria bidimensionale appena formata attraversa il materiale di guadagno, che ne amplifica la potenza. Questa strategia consente agli ingegneri di amplificare il guadagno anziché l’energia di ingresso del laser per aumentare la luminosità del fascio. Di conseguenza, questa strategia ha permesso agli ingegneri di mantenere un unico modo di lasing.

Problemi dei PCSEL

In particolare, alcune limitazioni hanno ostacolato la capacità dei PCSEL di scalare alle moderne esigenze militari. Per esempio, questi laser sono fabbricati usando fori d’aria, che aiutano il dispositivo a contrastare l’accumulo di calore. Quando gli ingegneri hanno cercato di scalare questi dispositivi per scenari d’uso più potenti, hanno notato che gli atomi del semiconduttore iniziavano a riempire questi fori, provocando una deformazione della struttura del cristallo fotonico.

PCSEL dielettrici sepolti: Uno studio rivoluzionario

Ingegneri della Grainger College of Engineering dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign hanno recentemente presentato un modo per mitigare questi problemi. Il loro articolo¹, intitolato “Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers“, dimostra un nuovo approccio che integra triangoli dielettrici sepolti sub-micrometrici (SiO2) come componente a basso indice del cristallo fotonico.

Fonte – IEEE Photonics Journal

Gli ingegneri hanno iniziato riempiendo i tradizionali spazi d’aria con materiale dielettrico solido. Questo approccio ha garantito che i cristalli fotonici non si deformassero durante la ricrescita. Il nuovo design ha permesso al dispositivo di dissipare il calore a una velocità più elevata, migliorando efficienza e durata.

Secondo il loro rapporto, gli ingegneri hanno completamente incapsulato i cristalli fotonici. In particolare, le lunghezze dei lati dei triangoli dielettrici sono state impostate da 200 a 260 nm. Inoltre, l’uso del biossido di silicio ha permesso ai cristalli di crescere attorno al materiale dielettrico, fornendo un supporto superiore e prestazioni migliorate.

Test dei PCSEL dielettrici sepolti

Per testare la loro teoria, gli ingegneri hanno fabbricato PCSEL dielettrici sepolti e li hanno sottoposti a diversi esperimenti di fotopompa. In particolare, il team ha utilizzato un filtro long-pass in uno spettrometro a array lineare InGaAs raffreddato a azoto liquido e telecamere InGaAs SWIR per monitorare gli spettri di lasing e i pattern di campo.

Il team ha inoltre utilizzato un filtro dicroico allineato posizionato tra la lente e il PCSEL per monitorare i pattern di immagine a distanza. Questo approccio ha proiettato una luce da 1,5 µm su uno schermo posto a 65 mm dal campione. Questi test hanno rivelato risultati interessanti.

Risultati: Prestazioni dei PCSEL avanzati

Il nuovo design laser ha dimostrato più potenza e affidabilità rispetto ai predecessori. Inoltre, ha mostrato resistenza alla conduzione termica, anche sotto utilizzo costante e intenso. Ancora più interessante è che il laser può essere attivato a temperatura ambiente e a lunghezze d’onda sicure per l’occhio umano.

Benefici dei PCSEL avanzati

Ci sono molti vantaggi che il PCSEL aggiornato porta sul mercato. Innanzitutto, aprirà la porta a laser più consistenti e con proiezioni più lunghe. Questi dispositivi utilizzeranno molto meno energia e potranno rimanere più freschi durante operazioni continue.

Affidabilità migliorata

Un altro vantaggio è la loro affidabilità a lungo termine. Le versioni precedenti dei PCSEL vedevano un calo delle prestazioni nel tempo poiché i cristalli che formavano il fascio iniziavano a degradarsi a causa dell’interferenza atomica. Questo nuovo approccio elimina il problema, consentendo a questi dispositivi di avere una durata molto più lunga.

Capacità di potenza aumentata

Il principale vantaggio dei PCSEL è che possono gestire molta più potenza. Questa capacità li rende ideali per le armi a energia diretta di nuova generazione. Questi sistemi sono considerati il futuro dell’hardware militare per diversi motivi, incluso il fatto che hanno quasi munizioni infinite, limitate solo dalla loro alimentazione.

Applicazioni reali dei PCSEL

Esiste una lunga lista di applicazioni per laser più affidabili e ad alta potenza. Questi dispositivi troveranno impiego in tutto, dai droni alle auto elettriche e persino ai veicoli spaziali. Già molte persone considerano questa tecnologia cruciale per i futuri progetti di hardware militare.

Sistemi LiDAR di nuova generazione

Il LiDAR sta cambiando il modo in cui le persone interagiscono e vedono il mondo. Già, i LiDAR ad alta potenza stanno aiutando a mappare regioni sconosciute nelle profondità delle giungle o del fondale oceanico. Questi sistemi diventeranno più resilienti e capaci man mano che i laser che utilizzano aumentano di potenza.

Sistemi d’arma laser avanzati

L’esercito cerca di utilizzare questa tecnologia per creare laser in grado di neutralizzare missili e veicoli nemici. Queste armi sono state testate per decenni. Tuttavia, solo di recente hanno iniziato a integrarsi nei veicoli. Sebbene siano ancora in fase di test, queste armi alimentate a laser domani domineranno i campi di battaglia del futuro.

Tempistica di adozione dei PCSEL

Potrebbero passare altri 20 anni prima che questa tecnologia arrivi ai civili. C’è ancora molta ricerca da fare per scalare il design e garantirne la sicurezza. Sebbene i civili dovranno attendere, è probabile che la tecnologia venga impiegata in ambito militare entro il prossimo decennio.

Incontra il team di ricerca dei PCSEL

La Grainger College of Engineering dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign ha guidato lo studio sui PCSEL. In particolare, Kent Choquette è indicato come autore principale dello studio. Ha ricevuto un forte supporto dai membri del gruppo Minjoo Larry Lee. È importante notare che l’intero progetto ha ricevuto finanziamenti e supporto dall’Air Force Research Laboratory,

Prospettive future per i PCSEL avanzati

Gli ingegneri ora miglioreranno il loro design attuale. Pianificano di rendere il dispositivo più affidabile e aumentare la potenza riducendo al contempo le dimensioni. Inoltre, lavoreranno per creare processi di fabbricazione sostenibili per accelerare la produzione.

Investire nell’industria laser

Ci sono alcuni concorrenti di spicco nell’industria laser. Queste aziende continuano a vedere profitti in crescita man mano che la domanda per i loro laser ad alta tecnologia aumenta. Ecco un’azienda che rimane una forza dominante nel settore laser e potrebbe beneficiare di eventuali importanti aggiornamenti della tecnologia.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE ) è entrata sul mercato nel 2019 e ha sede a Orlando, Florida. Da allora, l’azienda si è specializzata nella produzione di laser ad alta potenza e industriali. Attualmente offre una combinazione di soluzioni laser standard e personalizzate per la clientela industriale.

L’azienda ha garantito una reputazione di qualità grazie ai suoi affidabili sistemi di pulizia laser, opzioni di taglio e dispositivi di finitura. Questi dispositivi popolari hanno dimostrato l’impegno di Laser Photonics nel fornire soluzioni laser affidabili ed efficaci. Chi cerca esposizione al settore della produzione laser ad alta velocità dovrebbe approfondire la ricerca su Laser Photonics Corp.

Ultime notizie e sviluppi azionari di Laser Photonics Corp (LASE)

PCSEL avanzati | Conclusione

I PCSEL avanzati inaugureranno una nuova era nella tecnologia. Già, gli scienziati stanno esplorando sistemi di propulsione laser di nuova generazione e reti di comunicazione. L’introduzione di un laser più affidabile e sicuro per gli occhi nella formula aiuterà a potenziare questi sforzi, portando a una maggiore innovazione. Per ora, c’è ancora molto lavoro da fare, ma questo team di ingegneri innovativi ha posto una solida base per i futuri sviluppi.

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Studi citati:

^{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}