Avanserte PCSEL-er kan gjøre militærlasere mye sterkere

Et team fra Illinois Grainger Engineering har introdusert en ny type laserdesign som gir høyere lysstyrke og en mer konsentrert stråle. De avanserte PCSEL-ene inkorporerer sub‑mikron begravd dielektrisk silisiumdioksid for å opprettholde strålen over lengre perioder, og åpner døren for avanserte energivåpen, LiDAR‑systemer og romkommunikasjon. Slik vil lasere få en betydelig oppgradering.

Laserteknologi utvikler seg kontinuerlig for å møte den økende etterspørselen etter laser‑drevne enheter. I dag bruker produkter som din elbil lasere for å navigere via LiDAR. I tillegg utnytter industrielle produsenter lasere til alt fra skanning til sveising, etsning og alt imellom. Dermed har laserteknologi blitt en viktig komponent i hverdagen.

VCSEL‑er

Den mest vanlige typen lasere som brukes i disse avanserte anvendelsene er vertikalkavitet‑overflatemittende lasere (VCSEL‑er). VCSEL‑er har en monolitisk laserresonator på diode‑ene sine som produserer en stråle som projiseres fra chippen vinkelrett på overflaten.

Denne typen laser er ideell for korte avstander, noe som gjør den egnet for oppgaver som laserutskrift, strekkodeskanning og selv kortdistanse‑LiDAR som finnes på smarttelefonen din. Fordelene med VCSEL‑er er at de er rimelige og har et velprøvd design.

Imidlertid mangler VCSEL‑er når det gjelder mer avanserte anvendelser. Disse laserne er begrenset i både kraft og rekkevidde, noe som gjør dem utdaterte når man diskuterer alternativer for avansert missilforsvar eller romkommunikasjon.

PCSEL‑er

Forskere har lenge visst at de trengte et kraftigere alternativ. I 2020 åpnet introduksjonen av fotonisk‑krystall‑overflatemittende lasere (PCSEL‑er) døren for en ny generasjon av laser‑drevne enheter. Denne typen laser sender ut lys direkte fra overflaten via fotoniske krystaller.

Fotoniske krystaller er sub‑bølgelengde‑periodiske strukturer som kan endre elektromagnetiske bølger i deres nærhet. I motsetning til forgjengerne utnytter de sitt todimensjonale fotoniske krystall‑design for å diffraktere og koble sammen lysstråler.

Deretter passerer den nyformede todimensjonale stående bølgen gjennom forsterkningsmaterialet, som forsterker kraften. Denne strategien gjør det mulig for ingeniører å forsterke forsterkningen i stedet for laserens inngangsenergi for å øke strålens lysstyrke. Som følge av dette klarte ingeniørene å opprettholde en enkelt lasingsmodus.

Problemer med PCSEL‑er

Spesielt har noen begrensninger hindret PCSEL‑enes evne til å skaleres opp til moderne militære krav. For det første blir disse laserne fremstilt ved hjelp av luft‑hull, som hjelper enheten med å motvirke termisk oppbygging. Da ingeniørene forsøkte å skalere opp disse enhetene for kraftigere bruksområder, oppdaget de at atomene i halvlederen begynte å fylle inn hullene, noe som førte til at den fotoniske krystallstrukturen ble deformert.

Begravde dielektriske PCSEL‑er: En banebrytende studie

Ingeniører fra Grainger College of Engineering ved University of Illinois Urbana‑Champaign avdekket nylig en måte å dempe disse problemene på. Deres artikkel¹, med tittelen “Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers“, demonstrerer en ny tilnærming som integrerer sub‑mikron begravde dielektriske (SiO2) trekanter som lav‑indeks komponent i den fotoniske krystallen.

Kilde – IEEE Photonics Journal

Ingeniørene begynte med å fylle de vanlige luftgapene med fast dielektrisk materiale. Denne tilnærmingen sikret at de fotoniske krystallene ikke deformeres under gjenvekst. Det nye designet gjorde det mulig for enheten å avgi varme raskere, noe som øker effektiviteten og holdbarheten.

Ifølge rapporten innkapslet ingeniørene de fotoniske krystallene fullstendig. Spesielt ble sidelengdene på de dielektriske trekantene satt til mellom 200 og 260 nm. Bruken av silisiumdioksid gjorde også at krystallene kunne vokse rundt det dielektriske materialet, noe som ga overlegen støtte og forbedret ytelse.

Testing av de begravde dielektriske PCSEL‑ene

For å teste teorien deres, produserte ingeniørene begravde dielektriske PCSEL‑er og satte dem gjennom flere fotopumpings‑eksperimenter. Spesielt brukte teamet et lang‑pass‑filter i et væskekjølt nitrogen‑avkjølt InGaAs lineært arrayspektrometer og InGaAs SWIR‑kameraer for å overvåke lasingsspektra og feltmønstre.

Teamet brukte også et justert dikroisk filter plassert mellom linsen og PCSEL for å overvåke fjernbilde‑mønstre. Denne metoden projiserte et 1,5 µm lys på en skjerm som var plassert 65 mm fra prøven. Disse testene avdekket noen interessante resultater.

Resultater: Avansert PCSEL‑ytelse

Det nye laserdessignet viste høyere kraft og pålitelighet enn forgjengerne. I tillegg viste det motstand mot termisk ledning, selv ved konstant og tung bruk. Enda mer interessant er at laseren kan avfyres ved romtemperatur og ved lysbølgelengder som er trygge for det menneskelige øyet.

Fordeler med avanserte PCSEL‑er

Det er mange fordeler som den oppgraderte PCSEL‑en bringer til markedet. For det første vil de åpne døren for mer konsistente og lengre projiserende lasere. Disse enhetene vil bruke langt mindre strøm og kan holde seg kjøligere under kontinuerlig drift.

Forbedret pålitelighet

En annen fordel er deres langsiktige pålitelighet. Tidligere versjoner av PCSEL‑er opplevde nedgang i ytelse over tid ettersom krystallene som dannet strålen begynte å forringes på grunn av atominterferens. Denne siste tilnærmingen eliminerer dette problemet, noe som betyr at disse enhetene har en mye lengre levetid.

Økt kraftkapasitet

Hovedfordelen med PCSEL‑er er at de kan håndtere mye mer kraft. Denne evnen gjør dem ideelle for neste generasjons rettede energivåpen. Disse systemene anses som fremtiden for militært maskinvare av flere grunner, inkludert at de har nesten uendelig ammunisjon, kun begrenset av deres strømkilde.

Virkelige anvendelser for PCSEL‑er

Det finnes en lang liste over anvendelser for mer pålitelige og høyere‑kraftige lasere. Disse enhetene vil finne sin plass i alt fra droner til elbiler og til og med romfartøy. Det er allerede mange som ser denne teknologien som avgjørende for fremtidig militært maskinvare‑design.

Neste generasjons LiDAR‑systemer

LiDAR endrer måten folk interagerer med og ser verden på. Allerede hjelper høy‑kraftig LiDAR med å kartlegge ukjente områder dypt i jungler eller på havbunnen. Disse systemene vil bli mer robuste og kapable etter hvert som laserne de bruker får mer kraft.

Avanserte laservåpensystemer

Militæret ønsker å bruke denne teknologien til å lage lasere som kan ta ut fiendens missiler og kjøretøy. Disse våpnene har blitt testet i flere tiår. Det var imidlertid først nylig at de begynte å bli integrert i kjøretøy. Selv om de fortsatt er i testfasen, vil denne laser‑drevne våpenutrustningen en dag dominere fremtidens slagmarker.

Adopsjonstidslinje for PCSEL‑er

Det kan ta ytterligere 20 år før denne teknologien når sivile. Det gjenstår fortsatt mye forskning når det gjelder å skalere opp designet og sikre sikkerheten. Mens sivile må vente, vil denne teknologien sannsynligvis bli tatt i bruk av militæret innen neste tiår.

Møt PCSEL‑forskningsgruppen

Grainger College of Engineering ved University of Illinois Urbana‑Champaign ledet PCSEL‑studien. Spesielt er Kent Choquette oppført som hovedforfatter av studien. Han fikk sterk støtte fra medlemmer av Minjoo Larry Lee‑gruppen. Merkverdig er at hele prosjektet mottok finansiering og støtte fra Air Force Research Laboratory,

Fremtidsutsikter for avanserte PCSEL‑er

Ingeniørene vil nå forbedre sitt nåværende design. De planlegger å gjøre enheten mer pålitelig og skalere opp kraften samtidig som de reduserer formfaktoren. I tillegg vil de arbeide med å skape bærekraftige fremstillingsprosesser for å akselerere produksjonsprosessen.

Investering i laserindustrien

Det finnes noen ledende aktører i laserindustrien. Disse selskapene ser fortsatt økende fortjeneste etter hvert som etterspørselen etter deres høyteknologiske lasere vokser. Her er ett selskap som fortsatt er en dominerende kraft i lasersektoren og som kan dra nytte av eventuelle store oppgraderinger av teknologien.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE ) kom inn på markedet i 2019 og har hovedkontor i Orlando, Florida. Siden den gang har selskapet spesialisert seg på produksjon av høy‑kraft og industrielle lasere. Det tilbyr nå en blanding av standard‑ og tilpassede lasersystemer til industrielle kunder.

Selskapet sikret tilbakebetaling for kvalitet på grunn av sine pålitelige laser‑rengjøringssystemer, kuttealternativer og etterbehandlingsenheter. Disse populære enhetene har bidratt til å demonstrere Laser Photonics’ engasjement for å levere pålitelige og effektive lasersystemer. De som ønsker eksponering mot den raskt voksende laserproduksjonssektoren bør undersøke Laser Photonics Corp nærmere.

Siste nyheter og utviklinger for Laser Photonics Corp (LASE)

Avanserte PCSEL‑er | Konklusjon

Avanserte PCSEL‑er vil innlede en ny æra innen teknologi. Allerede har forskere utforsket neste generasjons laser‑propulsjonssystemer og kommunikasjonsnettverk. Introduksjonen av en mer pålitelig og øyesikker laser vil kun bidra til å styrke disse innsatsene, og føre til større innovasjon. For nå er det fortsatt mye arbeid som gjenstår, men dette teamet av innovative ingeniører har lagt et solid grunnlag for fremtidige tiltak.

Lær om andre spennende gjennombrudd her.

Studier referert til:

^{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}