宇宙
先進的なPCSELは軍事用レーザーをはるかに強力にできる可能性
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イリノイ州グレイジャー工学チームは、より高い輝度とより集中したビームを提供する新しいタイプのレーザー設計を発表しました。先進的なPCSELは、サブミクロンレベルの埋め込み誘電体シリコン酸化物を組み込んでビームを長時間維持でき、先進的なエネルギー兵器、LiDARシステム、宇宙通信への道を開きます。ここでは、レーザーが大幅にアップグレードされる方法をご紹介します。
レーザー技術は、レーザー駆動デバイスへの需要の高まりに応えるべく常に進化しています。今日では、電気自動車（EV）などがLiDARを用いてレーザーでナビゲートしています。また、産業メーカーはスキャンから溶接、エッチングまでさまざまな用途でレーザーを活用しています。そのため、レーザー技術は日常生活の重要な要素となっています。
VCSEL（垂直共振面発光レーザー）
これらのハイエンド用途で最も一般的に使用されているレーザーは、垂直共振面発光レーザー（VCSEL）です。VCSELは、チップ上に単一のレーザー共振器を持ち、チップ表面に対して垂直にビームを放射します。
このタイプのレーザーは短距離に最適で、レーザープリンティング、バーコードスキャン、さらにはスマートフォンに搭載されているような短距離LiDARなどの用途に適しています。VCSELの利点は、コストが抑えられ、実績のある設計であることです。
しかし、VCSELはより高度な用途においては限界があります。これらのレーザーは出力と距離の能力が制限されており、先進的なミサイル防衛や宇宙通信の選択肢としては時代遅れとなります。
PCSEL（光子結晶面放射レーザー）
研究者は長らく、より強力な代替手段が必要であると認識してきました。2020年に光子結晶面放射レーザー（PCSEL）が登場し、レーザー駆動デバイスの新世代への道が開かれました。このタイプのレーザーは、光子結晶を介して表面から直接光を放射します。
光子結晶は、波長未満の周期構造で、周囲の電磁波を変化させることができます。従来のものとは異なり、二次元光子結晶設計を用いて光ビームを回折・結合します。
そこから、新たに形成された二次元定在波が増幅材料を通過し、出力を増幅します。この戦略により、エンジニアはレーザー入力電力を増やすのではなく増幅率を高めてビームの輝度を上げることができます。その結果、単一の発振モードを維持できるようになりました。
PCSELの課題
特に、いくつかの制約がPCSELの現代の軍事要件へのスケールアップを妨げています。まず、これらのレーザーは熱蓄積を抑えるために空洞（エアホール）を用いて製造されています。エンジニアがより高出力の用途向けにデバイスを拡大しようとした際、半導体の原子がこれらの空洞を埋め始め、光子結晶構造が変形してしまうことが判明しました。
埋め込み誘電体PCSELs: 画期的な研究
イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校グレイジャー工学部のエンジニアは、これらの問題を緩和する方法を最近発表しました。彼らの論文1、タイトルは「Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers」で、光子結晶の低屈折率成分としてサブミクロンレベルの埋め込み誘電体（SiO2）三角形を統合する新しいアプローチを示しています。
エンジニアは、従来の空隙を固体誘電体で埋めることから始めました。このアプローチにより、光子結晶が再成長時に変形しないことが保証されました。新しい設計は、デバイスが熱をより速く放散できるようにし、効率と耐久性を向上させました。
報告書によれば、エンジニアは光子結晶を完全に被覆しました。具体的には、誘電体三角形の辺長さを200〜260 nmに設定しました。また、シリコン酸化物の使用により、結晶が誘電体材料の周囲に成長し、優れた支持と性能向上を実現しました。
埋め込み誘電体PCSELのテスト
理論を検証するため、エンジニアは埋め込み誘電体PCSELを製造し、複数のフォトポンピング実験にかけました。具体的には、液体窒素冷却のInGaAs線形アレイ分光計とInGaAs SWIRカメラにロングパスフィルタを使用し、発振スペクトルとフィールドパターンを監視しました。
チームはまた、レンズとPCSELの間に配置した整列型ダイクロイックフィルタを使用して遠方の画像パターンを監視しました。この手法により、サンプルから65 mm離れたスクリーンに1.5 µmの光を投影しました。これらのテストで興味深い結果が明らかになりました。
結果: 先進的なPCSELの性能
新しいレーザー設計は、従来型よりも高出力と信頼性を示しました。さらに、常時かつ高負荷使用下でも熱伝導に対する耐性を示しました。さらに興味深いのは、室温でも人間の目に安全な波長の光でレーザーを発射できることです。
先進的なPCSELの利点
アップグレードされたPCSELが市場にもたらす利点は多数あります。まず、より安定かつ長時間投射できるレーザーへの道が開かれます。これらのデバイスははるかに少ない電力で動作し、連続運転中でも冷却された状態を保ちます。
信頼性の向上
もう一つの利点は長期的な信頼性です。従来のPCSELは、ビーム形成に寄与する結晶が原子の干渉で劣化し、時間とともに性能が低下していました。この最新のアプローチによりこの問題が解消され、デバイスの寿命が大幅に延びます。
電力能力の向上
PCSELの主な利点は、はるかに大きな出力を扱えることです。この能力により、次世代の指向性エネルギー兵器に最適です。これらのシステムは、弾薬がほぼ無限で電源さえあれば使用できるなど、いくつかの理由から将来の軍事ハードウェアの主流と見なされています。
PCSELの実世界での応用
信頼性が高く高出力なレーザーの応用例は多数あります。これらのデバイスはドローン、電気自動車、さらには宇宙船まで、さまざまな分野で活用されるでしょう。この技術を将来の軍事ハードウェア設計に不可欠と考える人々はすでに多くいます。
次世代LiDARシステム
LiDARは人々の世界の認識と相互作用の方法を変えています。すでに、高出力LiDARはジャングルの奥深くや海底の未知領域のマッピングに貢献しています。使用されるレーザーの出力が向上することで、これらのシステムはより耐久性と性能を備えるようになるでしょう。
先進的なレーザー兵器システム
軍はこの技術を活用し、敵のミサイルや車両を撃破できるレーザーを開発しようとしています。これらの兵器は数十年にわたりテストが行われてきましたが、最近になって初めて車両への統合が見られ始めました。まだ試験段階にありますが、将来的にはレーザー駆動兵器が未来の戦場を支配するでしょう。
PCSELの採用タイムライン
この技術が民間に普及するまでには、さらに20年ほどかかる可能性があります。設計のスケールアップや安全性確保に関してはまだ多くの研究が必要です。民間への導入は待たなければなりませんが、軍事利用は今後10年以内に実現する見込みです。
PCSEL研究チームの紹介
イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校グレイジャー工学部がPCSEL研究を主導しました。具体的には、ケント・ショケットが本研究の主任著者として記載されています。彼はミンジュー・ラリー・リー・グループのメンバーから強力な支援を受けました。特筆すべきは、プロジェクト全体が米空軍研究所（Air Force Research Laboratory）から資金と支援を受けたことです。
先進的なPCSELの将来展望
エンジニアは現在の設計をさらに改良する予定です。デバイスの信頼性を高め、形状を小型化しながら出力を拡大する計画です。また、製造プロセスを迅速化するために持続可能な製造手法の確立にも取り組みます。
レーザー産業への投資
レーザー産業にはいくつかの主要企業があります。これらの企業は、高度なレーザーへの需要が拡大するにつれ、利益が増加し続けています。以下は、レーザー分野で支配的な地位を保ち、技術の大幅なアップグレードから恩恵を受ける可能性のある企業です。
Laser Photonics Corp
Laser Photonics Corp (LASE ) は2019年に市場に参入し、フロリダ州オーランドに本社を置いています。それ以来、同社は高出力および産業用レーザーの製造を専門としています。現在、標準的なレーザーとカスタマイズされたレーザーソリューションを産業顧客に提供しています。
LASE 価格チャート
同社は、信頼性の高いレーザー洗浄システム、切断オプション、仕上げ装置により品質の再評価を確保しました。これらの人気デバイスは、Laser Photonics が信頼性と効果的なレーザーソリューションを提供することへのコミットメントを示すものです。急速に成長するレーザー製造セクターへの投資を検討している方は、Laser Photonics Corp のさらなる調査を行うべきです。
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先進的なPCSEL | 結論
先進的なPCSELは、技術の新時代を切り開くでしょう。すでに、科学者は次世代のレーザー推進システムや通信ネットワークの研究を進めています。より信頼性が高く目に安全なレーザーの導入は、これらの取り組みをさらに加速させ、イノベーションを促進します。現時点ではまだ多くの課題が残っていますが、この革新的なエンジニアチームは将来の取り組みのための堅固な基盤を築きました。
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参照文献:
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
