Για πρώτη φορά στην ιστορία του πεδίου, ερευνητές από το Grainger College of Engineering του Πανεπιστημίου του Ιλινόις στο Urbana-Champaign ανέφεραν επιτυχή εκπομπή λέιζερ σε θερμοκρασία δωματίου από ένα θαμμένο διηλεκτρικό φωτονικό κρύσταλλο τύπου photonic-crystal surface-emitting laser (PCSEL). Τα ευρήματά τους δημοσιεύθηκαν στο IEEE Photonics Journal και θεωρούνται σημαντικό βήμα προς την εξέλιξη νέων λέιζερ για στρατιωτικές χρήσεις και εφαρμογές ακριβείας.
Από το VCSEL στο PCSEL – Μια φυσική εξέλιξη
Το εργαστήριο του καθηγητή ηλεκτρολογίας και μηχανικής υπολογιστών Kent Choquette έχει μακρά ιστορία στην έρευνα των VCSELs (vertical-cavity surface-emitting lasers), τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως σε καθημερινές τεχνολογίες όπως smartphones, εκτυπωτές λέιζερ, σαρωτές barcode και οχήματα. Ωστόσο, από το 2020 και μετά, το ενδιαφέρον τους στράφηκε προς τα νεότερα PCSELs, με αφορμή πρωτοποριακές μελέτες από Ιάπωνες επιστήμονες.
Τα πλεονεκτήματα των PCSELs και η στρατιωτική σημασία τους
Τα PCSELs συνδυάζουν την τεχνολογία λέιζερ με τις ιδιότητες των φωτονικών κρυστάλλων, παράγοντας δέσμες λέιζερ με υψηλή φωτεινότητα και ιδανικό στρογγυλό σχήμα. Αυτά τα χαρακτηριστικά τα καθιστούν ιδανικά για συστήματα LiDAR, τα οποία χρησιμοποιούνται στον στρατό για χαρτογράφηση, πλοήγηση και εντοπισμό στόχων.
Η ομάδα του Choquette, με χρηματοδότηση από το Εργαστήριο Ερευνών της Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ (AFRL), έθεσε στόχο να ξεπεράσει τα τεχνολογικά εμπόδια των PCSELs και να συνεισφέρει στην ωρίμανση της τεχνολογίας.
Καινοτομία με διηλεκτρικό πυρίτιο αντί για αέρα
Ένα από τα βασικά προβλήματα στην κατασκευή PCSELs είναι ότι οι τρύπες αέρα που απαιτούνται για τον φωτονικό κρύσταλλο τείνουν να γεμίζουν από τα άτομα του ημιαγωγού κατά την αναγέννηση του υλικού, αλλοιώνοντας τη δομή. Οι μηχανικοί του Ιλινόις αντιμετώπισαν το πρόβλημα αυτό ενσωματώνοντας διοξείδιο του πυριτίου (silicon dioxide) στη θέση των τρυπών αέρα. Αυτή η στερεή διηλεκτρική ύλη διατηρεί τη σταθερότητα της δομής κατά την αναγέννηση του ημιαγωγού.
Η ερευνήτρια Erin Raftery, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, εξήγησε:
«Την πρώτη φορά που δοκιμάσαμε να αναγεννήσουμε τον ημιαγωγό γύρω από το διηλεκτρικό, δε γνωρίζαμε καν αν ήταν εφικτό. Καταφέραμε όμως να αναπτυχθεί το υλικό πλευρικά και να ολοκληρώσει την επιφάνεια με επιτυχία».
Προς την ηλεκτρική διέγερση – Το επόμενο βήμα
Αυτή η επίδειξη αφορά φωτοδιέγερση, δηλαδή το λέιζερ ενεργοποιείται από εξωτερική ακτινοβολία. Το επόμενο βήμα είναι η δημιουργία διόδων PCSEL με ηλεκτρικές επαφές, ώστε το λέιζερ να τροφοδοτείται απευθείας από ηλεκτρικό ρεύμα.
Ο καθηγητής Choquette δήλωσε:
«Η συνεργασία της Erin με την ομάδα του Minjoo Larry Lee, καθώς και η τεχνογνωσία του AFRL, ήταν απαραίτητες για την επίτευξη αυτού του αποτελέσματος. Ανυπομονούμε για την επόμενη φάση με λειτουργία μέσω διόδου».
Εφαρμογές στο μέλλον
Οι επιστήμονες του πεδίου προβλέπουν ότι τα εξελιγμένα PCSELs θα χρησιμοποιηθούν ευρέως τα επόμενα 20 χρόνια σε:
- αυτόνομα οχήματα,
- βιομηχανική κοπή και συγκόλληση λέιζερ,
- ασύρματη επικοινωνία σε ελεύθερο χώρο (free-space optical communication).
Η έρευνα αυτή αποδεικνύει ότι ο συνδυασμός παραδοσιακής ημιαγωγικής τεχνολογίας με έξυπνες λύσεις υλικών μπορεί να ξεκλειδώσει νέες δυνατότητες για την επόμενη γενιά λέιζερ.
Περισσότερες πληροφορίες: EM Raftery et al, Φωτοαντλούμενα θαμμένα διηλεκτρικά λέιζερ επιφανειακής εκπομπής φωτονικών κρυστάλλων, IEEE Photonics Journal (2025). DOI: 10.1109/JPHOT.2025.3561087