Geavanceerde PCSELs Kunnen Militaire Lasers Veel Krachtiger Maken

Een team van Illinois Grainger Engineering heeft een nieuw type laserontwerp geïntroduceerd dat een hogere helderheid en een meer geconcentreerde straal biedt. De geavanceerde PCSELs bevatten submicron verzonken dielektrisch siliciumdioxide om hun straal gedurende langere tijd te behouden, waardoor de deur wordt geopend voor geavanceerde energiewapens, LiDAR‑systemen en ruimtecommunicatie. Hier is hoe lasers een grote upgrade krijgen.

VCSELs

Het meest voorkomende type lasers dat in deze high‑end toepassingen wordt gebruikt, zijn vertical‑cavity surface‑emitting lasers (VCSELs). VCSELs hebben een monolithische laserresonator op hun diodes die een straal produceert die loodrecht op het chipoppervlak wordt uitgezonden.

Dit type laser is ideaal voor korte afstanden, waardoor het geschikt is voor taken zoals laserprinten, barcodescannen en zelfs kortafstands‑LiDAR zoals die op uw smartphone. De voordelen van VCSELs zijn dat ze betaalbaar zijn en een bewezen ontwerp hebben.

Echter, VCSELs schieten tekort bij meer geavanceerde toepassingen. Deze lasers zijn beperkt in hun vermogen en afstandscapaciteit, waardoor ze achterhaald zijn bij het bespreken van opties voor geavanceerde raketafweersystemen of ruimtecommunicatie.

PCSELs

Wetenschappers wisten al lang dat ze een krachtiger alternatief nodig hadden. In 2020 opende de introductie van photonic‑crystal surface‑emitting lasers (PCSELs) de deur naar een nieuwe generatie laser‑aangedreven apparaten. Dit type laser zendt licht rechtstreeks vanaf zijn oppervlak via fotonische kristallen uit.

Fotonische kristallen zijn subgolflengte‑periodieke structuren die elektromagnetische golven in hun omgeving kunnen wijzigen. In tegenstelling tot hun voorgangers gebruiken ze hun tweedimensionale fotonische kristalontwerp om lichtstralen te diffracteren en te koppelen.

Vanaf daar passeert de nieuw gevormde tweedimensionale staande golf door het versterkingsmateriaal, dat het vermogen versterkt. Deze strategie stelt ingenieurs in staat de gain te versterken in plaats van de laserinvoervermogen om de helderheid van de straal te verhogen. Daardoor konden ingenieurs een enkele lasermodus behouden.

Problemen met PCSELs

Opmerkelijk genoeg hebben enkele beperkingen de mogelijkheid van PCSELs beperkt om op te schalen naar moderne militaire eisen. Ten eerste worden deze lasers vervaardigd met luchtgaten, die het apparaat helpen thermische opbouw te bestrijden. Toen ingenieurs probeerden deze apparaten op te schalen voor krachtigere toepassingen, merkten ze dat de atomen van de halfgeleider deze gaten begonnen te vullen, waardoor de fotonische kristalstructuur vervormde.

Verzonken Dielektrische PCSELs: Een Doorbraakstudie

Ingenieurs van de Grainger College of Engineering aan de University of Illinois Urbana‑Champaign hebben onlangs een manier onthuld om deze problemen te mitigeren. Hun paper¹, getiteld “Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers“, toont een nieuwe benadering die submicron verzonken dielektrische (SiO2) driehoeken integreert als het laag‑index component van het fotonische kristal.

Source – IEEE Photonics Journal

De ingenieurs begonnen met het opvullen van de gebruikelijke luchtgaten met vast dielektrisch materiaal. Deze benadering zorgde ervoor dat de fotonische kristallen niet zouden vervormen tijdens het opnieuw groeien. Het nieuwe ontwerp stelde het apparaat in staat warmte sneller af te voeren, wat de efficiëntie en duurzaamheid verhoogde.

Volgens hun rapport hebben de ingenieurs de fotonische kristallen volledig ingekapseld. Concreet werden de zijden van de dielektrische driehoeken ingesteld op 200 tot 260 nm. Bovendien stelde het gebruik van siliciumdioxide de kristallen in staat om rond het dielektrische materiaal te groeien, wat superieure ondersteuning en verbeterde prestaties biedt.

Testen van de Verzonken Dielektrische PCSELs

Om hun theorie te testen, vervaardigden de ingenieurs verzonken dielektrische PCSELs en onderwierpen ze aan verschillende fotopomp‑experimenten. Concreet gebruikte het team een long‑pass filter in een met vloeibare stikstof gekoelde InGaAs lineaire array spectrometer en InGaAs SWIR‑camera’s om de lasingspectra en veldpatronen te monitoren.

Het team gebruikte ook een uitgelijnde dichroïsche filter geplaatst tussen de lens en de PCSEL om verre beeldpatronen te monitoren. Deze benadering projecteerde een 1,5 µm licht op een scherm dat 65 mm van het monster was geplaatst. Deze tests onthulden enkele interessante resultaten.

Resultaten: Prestaties van Geavanceerde PCSELs

Het nieuwe laserontwerp toonde meer vermogen en betrouwbaarheid dan eerdere versies. Bovendien toonde het weerstand tegen thermische geleiding, zelfs bij constant en intensief gebruik. Nog interessanter is dat de laser kan worden afgevuurd bij kamertemperatuur en bij lichtgolflengten die veilig zijn voor het menselijk oog.

Voordelen van Geavanceerde PCSELs

Er zijn veel voordelen die de geüpgradede PCSEL op de markt brengt. Ten eerste zullen ze de deur openen voor meer consistente en langer projecterende lasers. Deze apparaten verbruiken veel minder energie en kunnen koeler blijven tijdens constante werking.

Verbeterde Betrouwbaarheid

Een ander voordeel is hun lange‑termijn betrouwbaarheid. Vorige versies van PCSELs zagen na verloop van tijd een afname in prestaties doordat de kristallen die de straal vormden begonnen te degraderen door atomaire interferentie. Deze nieuwste benadering elimineert dit probleem, wat betekent dat deze apparaten een veel langere levensduur hebben.

Verhoogde Vermogenscapaciteit

Het belangrijkste voordeel van PCSELs is dat ze veel meer vermogen aankunnen. Deze capaciteit maakt ze ideaal voor de volgende generatie gerichte energie wapens. Deze systemen worden gezien als de toekomst van militaire hardware om verschillende redenen, waaronder dat ze vrijwel onbeperkt munitie hebben, alleen beperkt door hun stroomvoorziening.

Toepassingen in de Praktijk voor PCSELs

Er is een lange lijst van toepassingen voor betrouwbaardere en krachtigere lasers. Deze apparaten zullen hun weg vinden in alles van drones tot elektrische voertuigen en zelfs ruimtevaartuigen. Er zijn al veel mensen die deze technologie cruciaal vinden voor toekomstige militaire hardware‑ontwerpen.

Volgende Generatie LiDAR-systemen

LiDAR verandert de manier waarop mensen interacteren en de wereld zien. Al helpt high‑powered LiDAR bij het in kaart brengen van onbekende gebieden diep in de jungle of op de oceaanbodem. Deze systemen zullen veerkrachtiger en capabeler worden naarmate de lasers die ze gebruiken meer vermogen krijgen.

Geavanceerde Laserwapen Systemen

Het leger wil deze technologie gebruiken om lasers te creëren die vijandige raketten en voertuigen kunnen uitschakelen. Deze wapens worden al decennialang getest. Pas recentelijk begonnen ze echter integratie in voertuigen te zien. Hoewel ze nog in de testfase zijn, zullen deze laser‑aangedreven wapens op een dag de slagvelden van de toekomst domineren.

Adoptietijdlijn van PCSELs

Het kan nog eens 20 jaar duren voordat deze technologie bij burgers terechtkomt. Er moet nog veel onderzoek worden gedaan naar het opschalen van het ontwerp en het waarborgen van de veiligheid. Terwijl burgers moeten wachten, zal deze technologie waarschijnlijk binnen het volgende decennium militair gebruik vinden.

Ontmoet het PCSEL Onderzoeksteam

De Grainger College of Engineering aan de University of Illinois Urbana‑Champaign leidde de PCSEL‑studie. Concreet staat Kent Choquette vermeld als hoofd‑auteur van de studie. Hij kreeg sterke steun van leden van de Minjoo Larry Lee‑groep. Opmerkelijk is dat het gehele project financiering en ondersteuning kreeg van het Air Force Research Laboratory,

Toekomstperspectief voor Geavanceerde PCSELs

De ingenieurs zullen nu hun huidige ontwerp verbeteren. Ze zijn van plan het apparaat betrouwbaarder te maken en het vermogen op te schalen terwijl ze de vormfactor verkleinen. Bovendien zullen ze werken aan het creëren van duurzame fabricageprocessen om de productie te versnellen.

Investeren in de Laserindustrie

Er zijn enkele toonaangevende spelers in de laserindustrie. Deze bedrijven blijven groeiende winsten zien naarmate de vraag naar hun high‑tech lasers toeneemt. Hier is een bedrijf dat een dominante kracht blijft in de lasersector en zou kunnen profiteren van eventuele grote upgrades van de technologie.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE ) betrad de markt in 2019 en heeft zijn hoofdkantoor in Orlando, Florida. Sindsdien heeft het bedrijf zich gespecialiseerd in de productie van high‑power en industriële lasers. Het biedt momenteel een mix van standaard- en maatwerk laseroplossingen aan industriële klanten.

Het bedrijf heeft reputatie voor kwaliteit verworven dankzij zijn betrouwbare laserreinigingssystemen, snijopties en afwerkingsapparaten. Deze populaire apparaten hebben de toewijding van Laser Photonics aan het leveren van betrouwbare en effectieve lasersoplossingen aangetoond. Degenen die blootstelling zoeken aan de snelgroeiende laserproductiesector zouden meer onderzoek moeten doen naar Laser Photonics Corp.

Laatste Nieuws en Ontwikkelingen van Laser Photonics Corp (LASE)

Geavanceerde PCSELs | Conclusie

Geavanceerde PCSELs zullen een nieuw tijdperk in de technologie inluiden. Wetenschappers verkennen al systemen voor laserpropulsie van de volgende generatie en communicatienetwerken. De introductie van een betrouwbaardere en oogveilige laser in de vergelijking zal deze inspanningen alleen maar versnellen, wat leidt tot meer innovatie. Voorlopig is er nog veel werk te doen, maar dit team van innovatieve ingenieurs heeft een solide basis gelegd voor toekomstige inspanningen.

Leer over andere coole doorbraken hier.

Gerefereerde Studies:

^{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}