PCSELs avançados podem tornar os lasers militares muito mais fortes

Uma equipe da Illinois Grainger Engineering apresentou um novo tipo de design de laser que oferece maior brilho e um feixe mais concentrado. Os PCSELs avançados incorporam dióxido de silício dielétrico enterrado submicrômetro para manter seu feixe por períodos mais longos, abrindo caminho para armas de energia avançadas, sistemas LiDAR e comunicações espaciais. Veja como os lasers estão prestes a receber uma grande atualização.

A tecnologia de laser evolui constantemente para atender à crescente demanda por dispositivos alimentados por laser. Hoje, itens como seu veículo elétrico utilizam lasers para navegação via LiDAR. Além disso, fabricantes industriais aproveitam os lasers para tudo, desde escaneamento até soldagem, gravação e tudo mais entre esses usos. Dessa forma, a tecnologia de laser tornou-se um componente crucial da vida cotidiana.

VCSELs

O tipo mais comum de lasers usados nessas aplicações de alto nível são os lasers de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSELs).  Os VCSELs possuem um ressonador laser monolítico em seus diodos que produz um feixe que se projeta a partir do chip perpendicular à sua superfície.

Esse estilo de laser é ideal para curtas distâncias, tornando-o adequado para tarefas como impressão a laser, leitura de códigos de barras e até LiDAR de curta distância, como o encontrado em seu smartphone. As vantagens dos VCSELs são que são acessíveis e possuem um design comprovado.

No entanto, os VCSELs apresentam limitações quando se trata de aplicações mais avançadas. Esses lasers são limitados em potência e alcance, tornando-os obsoletos ao discutir opções para defesa avançada de mísseis ou comunicações espaciais.

PCSELs

Os cientistas há muito sabem que precisavam de uma alternativa mais poderosa. Em 2020, a introdução dos lasers de emissão de superfície de cristal fotônico (PCSELs) abriu caminho para uma nova geração de dispositivos alimentados por laser. Esse tipo de laser emite luz diretamente de sua superfície por meio de cristais fotônicos.

Os cristais fotônicos são estruturas periódicas subcomprimento de onda que podem alterar ondas eletromagnéticas em sua vizinhança. Diferentemente de seus predecessores, eles utilizam seu design de cristal fotônico bidimensional para difratar e acoplar feixes de luz.

A partir daí, a onda estacionária bidimensional recém-formada passa pelo material de ganho, que amplifica sua potência. Essa estratégia permite que os engenheiros amplifiquem o ganho em vez da energia de entrada do laser para aumentar o brilho do feixe. Consequentemente, essa estratégia possibilitou que os engenheiros mantivessem um único modo de laser.

Problemas com PCSELs

Notavelmente, algumas restrições limitaram a capacidade dos PCSELs de escalar para atender aos requisitos militares modernos. Primeiro, esses lasers são fabricados usando furos de ar, que ajudam o dispositivo a combater o acúmulo de calor. À medida que os engenheiros tentaram ampliar esses dispositivos para cenários de uso mais potentes, perceberam que os átomos do semicondutor começavam a preencher esses furos, resultando na deformação da estrutura do cristal fotônico.

PCSELs Dielétricos Enterrados: Um Estudo Revolucionário

Engenheiros da Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois Urbana-Champaign revelaram recentemente uma forma de mitigar esses problemas. Seu artigo¹, intitulado “Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers“, demonstra uma nova abordagem que integra triângulos dielétricos enterrados submicrômetro (SiO2) como o componente de baixo índice do cristal fotônico.

Fonte – IEEE Photonics Journal

Os engenheiros começaram preenchendo os habituais vazios de ar com material dielétrico sólido. Essa abordagem garantiu que os cristais fotônicos não se deformassem durante o recrescimento. O novo design permitiu que o dispositivo dissipasse calor a uma taxa mais rápida, aumentando a eficiência e a durabilidade.

De acordo com o relatório, os engenheiros encapsularam totalmente os cristais fotônicos. Especificamente, os comprimentos dos lados dos triângulos dielétricos foram definidos entre 200 e 260 nm. Além disso, o uso de dióxido de silício permitiu que os cristais crescessem ao redor do material dielétrico, proporcionando suporte superior e desempenho aprimorado.

Testando os PCSELs Dielétricos Enterrados

Para testar sua teoria, os engenheiros fabricaram PCSELs dielétricos enterrados e os submeteram a vários experimentos de fotobombeamento. Especificamente, a equipe utilizou um filtro de passagem longa em um espectrômetro de matriz linear InGaAs resfriado com nitrogênio líquido e câmeras InGaAs SWIR para monitorar os espectros de laser e os padrões de campo.

A equipe também utilizou um filtro dicroico alinhado colocado entre a lente e o PCSEL para monitorar padrões de imagem à distância. Essa abordagem projetou uma luz de 1,5 µm em uma tela posicionada a 65 mm da amostra. Esses testes revelaram alguns resultados interessantes.

Resultados: Desempenho dos PCSELs Avançados

O novo design de laser demonstrou mais potência e confiabilidade que os predecessores. Além disso, mostrou resistência à condução térmica, mesmo sob uso constante e intenso. Ainda mais interessante é que o laser pode ser disparado em temperatura ambiente e em comprimentos de onda de luz seguros para o olho humano.

Benefícios dos PCSELs Avançados

Existem muitos benefícios que o PCSEL aprimorado traz ao mercado. Primeiro, eles abrirão caminho para lasers mais consistentes e de projeção mais longa. Esses dispositivos utilizarão muito menos energia e poderão permanecer mais frios durante operações contínuas.

Confiabilidade Aprimorada

Outro benefício é sua confiabilidade a longo prazo. Versões anteriores de PCSELs apresentavam desempenho decrescente ao longo do tempo, à medida que os cristais que ajudavam a formar o feixe começavam a degradar devido à interferência atômica. Essa abordagem mais recente elimina esse problema, significando que esses dispositivos têm uma vida útil muito mais longa.

Capacidade de Potência Aumentada

O principal benefício dos PCSELs é que eles podem lidar com muito mais potência. Essa capacidade os torna ideais para armas de energia dirigida de próxima geração. Esses sistemas são vistos como o futuro do hardware militar por várias razões, incluindo o fato de possuírem munição quase infinita, limitada apenas pela sua fonte de energia.

Aplicações Reais dos PCSELs

Existe uma longa lista de aplicações para lasers mais confiáveis e de maior potência. Esses dispositivos encontrarão uso em tudo, desde drones até veículos elétricos e até espaçonaves. Já há muitas pessoas que consideram essa tecnologia crucial para os futuros designs de hardware militar.

Sistemas LiDAR de Próxima Geração

O LiDAR está mudando a forma como as pessoas interagem e veem o mundo. Já, LiDAR de alta potência está ajudando a mapear regiões desconhecidas nas profundezas das selvas ou do fundo do oceano. Esses sistemas se tornarão mais resilientes e capazes à medida que os lasers que utilizam ganhem potência.

Sistemas Avançados de Armas a Laser

Os militares buscam utilizar essa tecnologia para criar lasers que possam eliminar mísseis e veículos inimigos. Essas armas têm sido testadas há décadas. No entanto, só recentemente começaram a ser integradas em veículos. Embora ainda estejam em fase de testes, essas armas alimentadas por laser um dia dominarão os campos de batalha do futuro.

Cronograma de Adoção dos PCSELs

Pode levar mais 20 anos antes que essa tecnologia chegue aos civis. Ainda há muita pesquisa a ser feita em termos de escalonamento do design e garantia de segurança. Enquanto os civis terão que esperar, essa tecnologia provavelmente verá uso militar dentro da próxima década.

Conheça a Equipe de Pesquisa dos PCSELs

A Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois Urbana-Champaign liderou o estudo dos PCSELs. Especificamente, Kent Choquette está listado como autor principal do estudo. Ele recebeu forte apoio dos membros do grupo Minjoo Larry Lee. Notavelmente, todo o projeto recebeu financiamento e apoio do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea,

Perspectivas Futuras para PCSELs Avançados

Os engenheiros agora melhorarão seu design atual. Eles planejam tornar o dispositivo mais confiável e aumentar sua potência enquanto reduzem seu fator de forma. Além disso, trabalharão na criação de processos de fabricação sustentáveis para acelerar a produção.

Investindo na Indústria de Laser

Existem alguns concorrentes líderes na indústria de laser. Essas empresas continuam a observar lucros crescentes à medida que a demanda por seus lasers de alta tecnologia aumenta. Aqui está uma empresa que permanece uma força dominante no setor de laser e pode se beneficiar de quaisquer grandes atualizações na tecnologia.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE ) entrou no mercado em 2019 e tem sua sede em Orlando, Flórida. Desde então, a empresa tem se especializado na produção de lasers de alta potência e industriais. Atualmente oferece uma combinação de soluções de laser padrão e personalizadas para clientes industriais.

A empresa garantiu reputação de qualidade devido aos seus sistemas de limpeza a laser confiáveis, opções de corte e dispositivos de acabamento. Esses dispositivos populares ajudaram a demonstrar o compromisso da Laser Photonics em oferecer soluções de laser confiáveis e eficazes. Aqueles que buscam exposição ao setor de fabricação de lasers de ritmo acelerado devem pesquisar mais sobre a Laser Photonics Corp.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Laser Photonics Corp (LASE)

PCSELs Avançados | Conclusão

Os PCSELs avançados inaugurarão uma nova era na tecnologia. Já, os cientistas têm explorado sistemas de propulsão a laser de próxima geração e redes de comunicação. A introdução de um laser mais confiável e seguro para os olhos na equação só ajudará a impulsionar esses esforços, levando a maior inovação. Por enquanto, ainda há muito trabalho a ser feito, mas essa equipe de engenheiros inovadores estabeleceu uma base sólida para futuros esforços.

Saiba mais sobre outras descobertas interessantes aqui.

Estudos Referenciados:

^{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}