Avancerade PCSELs kan göra militära lasrar mycket starkare

Ett team från Illinois Grainger Engineering har introducerat en ny typ av laserdesign som ger högre ljusstyrka och en mer koncentrerad stråle. De avancerade PCSELs integrerar submikroniska begravda dielektriska kiseloxid för att bibehålla sin stråle under längre perioder, vilket öppnar dörren för avancerade energivapen, LiDAR‑system och rymkommunikation. Så här kommer lasrar att få en stor uppgradering.

Laserteknik utvecklas ständigt för att möta den växande efterfrågan på laserdrivna enheter. Idag använder exempelvis din elbil laserbaserad LiDAR för navigering. Dessutom utnyttjar industriella tillverkare lasrar för allt från skanning till svetsning, etsning och allt däremellan. På så sätt har laserteknik blivit en avgörande komponent i vardagen.

VCSELs

Den vanligaste typen av lasrar som används i dessa högpresterande tillämpningar är vertikala kavitetsytutsläppande lasrar (VCSELs). VCSELs har en monolitisk laserresonator på sina dioder som producerar en stråle som projiceras från chipet vinkelrätt mot dess yta.

Denna lasertyp är idealisk för korta avstånd, vilket gör den lämplig för uppgifter som laserutskrift, streckkodsskanning och även kortdistans‑LiDAR som finns i din smartphone. Fördelarna med VCSELs är att de är prisvärda och har en beprövad design.

Dock brister VCSELs när det gäller mer avancerade tillämpningar. Dessa lasrar är begränsade i både effekt och räckvidd, vilket gör dem föråldrade för avancerade missilsystem eller rymdkommunikation.

PCSELs

Forskare har länge vetat att de behövde ett kraftfullare alternativ. År 2020 öppnade introduktionen av fotoniska kristallytutsläppande lasrar (PCSELs) dörren för en ny generation laserdrivna enheter. Denna lasertyp avger ljus direkt från sin yta via fotoniska kristaller.

Fotoniska kristaller är subvåglängdsperiodiska strukturer som kan förändra elektromagnetiska vågor i deras närhet. Till skillnad från sina föregångare använder de en tvådimensionell fotonisk kristalldesign för att diffraktera och koppla samman ljusstrålar.

Därefter passerar den nybildade tvådimensionella stående vågen genom förstärkningsmaterialet, vilket förstärker dess effekt. Denna strategi gör det möjligt för ingenjörer att förstärka förstärkningen snarare än laserinsatsen för att öka strålens ljusstyrka. Följaktligen möjliggjorde detta att upprätthålla ett enda lasningsläge.

Problem med PCSELs

Vissa begränsningar har särskilt hindrat PCSELs från att skala upp till moderna militära krav. För det första tillverkas dessa lasrar med luftfickor, vilket hjälper enheten att motverka värmeuppbyggnad. När ingenjörer försökte skala upp dessa enheter för kraftfullare användningsscenarier märkte de att halvledaratomernas fyllning av dessa fickor deformerade den fotoniska kristallstrukturen.

Buried Dielectric PCSELs: En banbrytande studie

Ingenjörer från Grainger College of Engineering vid University of Illinois Urbana‑Champaign presenterade nyligen ett sätt att mildra dessa problem. Deras artikel¹, med titeln “Fotopumpade begravda dielektriska fotoniska‑kristallytutsläppande lasrar“, demonstrerar ett nytt tillvägagångssätt som integrerar sub‑mikroniska begravda dielektriska (SiO2) trianglar som låg‑refraktionskomponent i den fotoniska kristallen.

Källa – IEEE Photonics Journal

Ingenjörerna började med att fylla de vanliga luftfickorna med fast dielektriskt material. Detta tillvägagångssätt säkerställde att de fotoniska kristallerna inte deformerades under återväxt. Den nya designen gjorde det möjligt för enheten att avleda värme snabbare, vilket ökade både effektivitet och hållbarhet.

Enligt deras rapport omslöt ingenjörerna de fotoniska kristallerna fullständigt. Specifikt sattes triangelns sidolängder på 200 till 260 nm. Dessutom möjliggjorde användningen av kiseloxid att kristallerna växte runt det dielektriska materialet, vilket gav överlägset stöd och förbättrad prestanda.

Testning av de begravda dielektriska PCSELs

För att testa sin teori tillverkade ingenjörerna begravda dielektriska PCSELs och utsatte dem för flera fotopumpningsexperiment. Specifikt använde teamet ett långpassfilter i en flytande‑kväve‑kyld InGaAs linjär array‑spektrometer samt InGaAs SWIR‑kameror för att övervaka lasningsspektrum och fältmönster.

Teamet använde också ett justerat dikroiskt filter placerat mellan linsen och PCSEL för att övervaka avlägsna bildmönster. Detta tillvägagångssätt projicerade ett 1,5 µm‑ljus på en skärm som placerades 65 mm från provet. Dessa tester avslöjade intressanta resultat.

Resultat: Avancerad PCSEL‑prestanda

Den nya laserdesignen visade sig ha mer effekt och högre tillförlitlighet än föregångarna. Dessutom uppvisade den motståndskraft mot termisk ledningsförmåga, även under konstant och tung användning. Ännu mer anmärkningsvärt är att lasern kan avfyras vid rumstemperatur och vid ljusvåglängder som är säkra för människans öga.

Fördelar med avancerade PCSELs

Den uppgraderade PCSEL‑designen medför många fördelar på marknaden. För det första öppnar den dörren för mer konsekventa och längre projicerande lasrar. Dessa enheter använder avsevärt mindre energi och kan förbli svalare under kontinuerlig drift.

Förbättrad tillförlitlighet

En annan fördel är deras långsiktiga tillförlitlighet. Tidigare versioner av PCSELs upplevde minskad prestanda över tid när kristallerna som bildade strålen började försämras på grund av atominterferens. Detta senaste tillvägagångssätt eliminerar problemet, vilket innebär att enheterna har en mycket längre livslängd.

Ökad effektkapacitet

Den huvudsakliga fördelen med PCSELs är att de kan hantera betydligt mer effekt. Denna kapacitet gör dem idealiska för nästa generations riktade energivapen. Dessa system ses som framtidens militära utrustning av flera skäl, bland annat att de har i princip oändlig ammunition, begränsad endast av deras strömförsörjning.

Verkliga tillämpningar för PCSELs

Det finns en lång lista med tillämpningar för mer pålitliga och högreffektiva lasrar. Dessa enheter kommer att finnas i allt från drönare till elbilar och till och med rymdfarkoster. Många ser redan denna teknik som avgörande för framtida militära hårdvarudesign.

Nästa generations LiDAR‑system

LiDAR förändrar hur människor interagerar med och ser världen. Redan nu hjälper högpresterande LiDAR att kartlägga okända regioner djupt i djungeln eller på havsbotten. Dessa system kommer att bli mer robusta och kapabla när de lasrar de använder får mer effekt.

Avancerade laservapensystem

Militären strävar efter att utnyttja denna teknik för att skapa lasrar som kan neutralisera fiendens missiler och fordon. Dessa vapen har testats i årtionden. Det var dock först nyligen som de började integreras i fordon. Även om de fortfarande befinner sig i teststadier, kommer dessa laserbaserade vapensystem så småningom att dominera framtidens slagfält.

Tidlinje för PCSELs antagande

Det kan dröja ytterligare 20 år innan tekniken når civila användare. Det återstår mycket forskning kring skalning av designen och säkerhetsaspekter. Medan civila måste vänta, kommer tekniken sannolikt att användas militärt inom det kommande decenniet.

Möt PCSEL‑forskarteamet

Grainger College of Engineering vid University of Illinois Urbana‑Champaign ledde PCSEL‑studien. Specifikt listas Kent Choquette som huvudförfattare till studien. Han fick starkt stöd från medlemmar i Minjoo Larry Lee‑gruppen. Noterbart är att hela projektet fick finansiering och stöd från Air Force Research Laboratory.

Framtidsutsikter för avancerade PCSELs

Ingenjörerna kommer nu att förbättra sin nuvarande design. De planerar att göra enheten mer pålitlig och skala upp dess effekt samtidigt som de minskar dess formfaktor. Dessutom kommer de att arbeta med att skapa hållbara tillverkningsprocesser för att påskynda produktionen.

Investering i laserindustrin

Det finns några ledande aktörer inom laserindustrin. Dessa företag fortsätter att se växande vinster i takt med att efterfrågan på deras högteknologiska lasrar ökar. Här är ett företag som förblir en dominerande kraft i lasersektorn och som kan dra nytta av eventuella stora uppgraderingar av tekniken.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE ) gick in på marknaden 2019 och har huvudkontor i Orlando, Florida. Sedan dess har företaget specialiserat sig på hög‑effekt‑ och industriella laserprodukter. Det erbjuder för närvarande en blandning av standard‑ och skräddarsydda lasersystem till industriella kunder.

Företaget har säkrat återinvestering för kvalitet tack vare sina pålitliga lasersystem för rengöring, skärningsalternativ och efterbehandlingsenheter. Dessa populära enheter har visat Laser Photonics engagemang för att leverera pålitliga och effektiva laserslösningar. De som söker exponering mot den snabbrörliga lasersektorn bör undersöka Laser Photonics Corp närmare.

Senaste nyheter och utveckling för Laser Photonics Corp (LASE)

Advanced PCSELs | Slutsats

Avancerade PCSELs kommer att inleda en ny era inom teknologin. Redan nu utforskar forskare nästa generations laserdrivna framdrivningssystem och kommunikationsnätverk. Introduktionen av en mer pålitlig och ögonsäker laser i ekvationen kommer bara att förstärka dessa ansträngningar, vilket leder till större innovation. För närvarande återstår mycket arbete, men detta team av innovativa ingenjörer har lagt en solid grund för framtida insatser.

Läs om andra spännande genombrott här.

Studier som refereras:

^{1. Choquette, K. D., Lee, M. L., Ozden, S., Guo, Z., Xu, S., & Park, J. S. (2024). Fotopumpade begravda dielektriska fotoniska‑kristallytutsläppande lasrar. IEEE Photonics Journal, 16(3), 1–8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}