Investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign han hecho un avance significativo en la tecnología láser al reportar un láser de emisión superficial basado en un cristal fotónico con características innovadoras. Este láser, que opera a temperatura ambiente y en una longitud de onda segura para los ojos, marca un hito en el campo y abre nuevas posibilidades para aplicaciones en defensa, según se detalla en el IEEE Photonics Journal.
El laboratorio dirigido por Kent Choquette, profesor de ingeniería eléctrica y computacional, ha estado explorando los láseres de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL) durante décadas. Sin embargo, a partir de 2020, el equipo de Choquette se interesó por un trabajo innovador de un grupo japonés que introdujo los láseres de emisión superficial basados en cristal fotónico, conocidos como PCSEL. Estos láseres, más recientes en el ámbito de los semiconductores, utilizan una capa de cristal fotónico para generar un haz láser con características altamente deseables, como un alto brillo y tamaños de mancha redondeados y estrechos.
Entre sus aplicaciones potenciales se encuentran tecnologías de detección remota como el LiDAR, que se utiliza en la cartografía de campos de batalla, navegación y seguimiento de objetivos. Con el apoyo del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de Estados Unidos, el grupo de Choquette se propuso investigar esta nueva tecnología y contribuir a su desarrollo industrial.
Innovaciones en el diseño de láseres
Erin Raftery, estudiante de posgrado y autora principal del estudio, señala que los PCSEL «serán extremadamente importantes en el futuro», a pesar de que aún no han alcanzado una madurez industrial. Los PCSEL tradicionalmente se fabrican utilizando agujeros de aire, los cuales quedan incrustados en el dispositivo tras el crecimiento del material semiconductor alrededor de su perímetro. No obstante, los átomos de semiconductor tienden a reordenarse y llenar estos agujeros, lo que compromete la integridad de la estructura del cristal fotónico.
Para abordar este problema, los ingenieros de Illinois reemplazaron los agujeros de aire por un material dieléctrico sólido, con el fin de prevenir la deformación del cristal fotónico durante el proceso de crecimiento. Al incrustar dióxido de silicio dentro del crecimiento del semiconductor como parte de la capa del cristal fotónico, los investigadores lograron demostrar el primer diseño de prueba de un PCSEL con características dieléctricas enterradas.
Raftery comenta: «La primera vez que intentamos crecer el dieléctrico, no sabíamos si era posible». A pesar de los desafíos, el equipo logró crecer lateralmente alrededor del material dieléctrico y fusionarse en la parte superior, manteniendo una estructura cristalina pura y continua desde la capa base.
Los expertos en el campo anticipan que en los próximos 20 años, estos láseres mejorados se utilizarán en vehículos autónomos, corte láser, soldadura y comunicaciones a través de espacios libres. Mientras tanto, los ingenieros de Illinois continuarán perfeccionando su diseño actual, creando el mismo dispositivo con contactos eléctricos que permitirán conectar el láser a una fuente de corriente para su funcionamiento.
La colaboración entre Erin Raftery, miembros del grupo de Minjoo Larry Lee y las instalaciones del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea en la Base Aérea Wright-Patterson ha sido crucial para lograr este resultado. Choquette se muestra optimista y espera avanzar hacia el funcionamiento de PCSEL con diodos.
Más información: E. M. Raftery et al, Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers, IEEE Photonics Journal (2025). DOI: 10.1109/JPHOT.2025.3561087
Proporcionado por la Universidad de Illinois Grainger College of Engineering
