Лазеры давно используют в самых разных сферах — от телекоммуникаций до промышленности и медицины. В их основе лежит процесс преобразования энергии в четко сфокусированный луч определенной длины волны. Широкое распространение получили полупроводниковые лазеры, создаваемые путем чередования различных материалов слоями. Чаще всего излучение таких лазеров распространяется вдоль самой структуры их слоев.
VCSEL: Технология и ее ограничения
В последние годы существенным прогрессом стали полупроводниковые вертикально излучающие лазеры (VCSEL, vertical-cavity surface-emitting lasers). Их главные преимущества — простота массового производства, увеличенный срок службы и облегченная диагностика брака. Подобные устройства уже применяют в биометрических системах распознавания лиц, например, Face ID.
Однако VCSEL обладает и минусами: для них характерна эллиптическая форма сечения луча и значительная расходимость, что затрудняет применение лазеров этого типа на дальних расстояниях. Кроме того, VCSEL ограничены по мощности — при длительной работе могут перегреваться, что снижает стабильность излучения. Важно отметить и вопрос безопасности: излучение некоторых VCSEL в определённых режимах способно негативно воздействовать на ткани глаза.
Новые возможности PCSEL-лазеров
Эти сложности побудили ученых развивать технологию фотонно-кристаллических поверхностно-излучающих лазеров (PCSEL, photonic-crystal surface-emitting lasers). Их ключевая особенность в том, что лазерный чип имеет дополнительную структуру из фотонного кристалла. Это нововведение обеспечивает выдающиеся характеристики: луч выходит почти идеально круглого сечения, обладает минимальной расходимостью и высокой яркостью.
Особенно важным достижением является повышенная безопасность — длина волны нового лазера поглощается влагой глаза, что препятствует повреждению роговицы. Еще одно преимущество — перспективы по мощности: уже сейчас есть прогнозы, что PCSEL-устройства будут поддерживать показатели, в 100 раз превышающие возможности традиционных VCSEL.
Роль Университета Иллинойса в развитии PCSEL
Создание столь совершенных лазеров сопровождалось и существенными технологическими барьерами. Чаще всего при производстве PCSEL внутри кристаллической структуры образовывались небольшие воздушные полости, из-за чего происходила диффузия атомов и нарушалась целостность фотонного кристалла. Группа инженеров и физиков из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне внесла существенный вклад в преодоление этой проблемы.
Исследователи заменили воздушные полости прочным диэлектриком — диоксидом кремния, который предотвращает деформацию и сохраняет стабильность работы устройства. Разработанный ими PCSEL-лазер функционирует при комнатной температуре и излучает на длине волны около полутора микрометров, что делает его оптимальным выбором для множества применений.
Оптимистичные перспективы и области применения
Инновационные PCSEL-лазеры открывают новые горизонты для различных отраслей. Их внедрение обещает прорывы в лидара-технологиях, системах автопилота для беспилотных автомобилей, высокоточной лазерной резке и сварке. Благодаря своим высоким показателям прочности и безопасности, такие лазеры найдут широкое применение и в медицинских технологиях, оптике и даже потребительской электронике.
Хотя на данный момент производство PCSEL-устройств находится на стадии лабораторных разработок, эксперты уверены: в ближайшие два десятилетия можно ожидать появление таких лазеров в промышленном масштабе, что станет толчком к новой технологической революции и сделает повседневные устройства еще более безопасными и эффективными.
Будущее лазерных технологий
Внедрение и активное развитие технологий VCSEL и PCSEL в таких центрах инноваций, как Университет Иллинойса в Урбане-Шампейне, говорит о поразительном прогрессе в области безопасного и качественного излучения. На заре эры умных машин и цифровизации эти разработки станут базой для новых поколений лазерных устройств, открывая новые возможности для всех сторон жизни человека — от медицины до транспорта и коммуникаций. Такое перспективное направление внушает оптимизм относительно будущего лазерных технологий в целом.
Источник: naked-science.ru
