能熔化钢铁的微小超亮激光器

半导体芯科技编译

光子晶体是有史以来最亮的半导体激光器的关键

2016 年，日本政府宣布了一项关于建立新型社会的计划。该计划解释说，人类文明从狩猎采集开始，经历了农业和工业阶段，正迅速接近信息时代的终点。正如当时的首相安倍晋三所说："我们现在正在见证第五章的开启。

这一章被称为 "社会 5.0"，将出现按需生产的商品、机器人看护、出租车和拖拉机。许多创新技术，如人工智能，可能是显而易见的。但有一项关键技术很容易被忽视：激光。

△这种3毫米PCSEL已封装，随时可以发射。SUSUMU NODA

社会 5.0 的激光器需要满足几个标准。它们必须足够小巧，能够安装在日常设备中。它们必须成本低廉，以便普通金属工人或汽车购买者都能负担得起，这意味着它们还必须制造简单、能效高。而且，由于这个即将到来的时代将是大规模定制（而不是大规模生产）的时代，它们必须具有高度的可控性和适应性。

半导体激光器似乎是最理想的选择，但有一个致命的缺陷：它们的亮度太低。激光亮度定义为单位面积、单位立体角的光功率，它是衡量光从激光器中射出时的聚焦强度以及光离开时的发散范围的标准。材料切割、焊接和钻孔工作的阈值约为 1 千兆瓦/平方厘米/球面度（GW/cm2/sr）。然而，即使是最亮的商用半导体激光器的亮度也远远低于这一水平。

亮度对于自主机器人和车辆中的光探测和测距（激光雷达）系统也很重要。这些系统不需要金属熔化的功率，但要在远距离或高速度下进行精确测量，就需要紧密聚焦的光束。当今的顶级激光雷达系统采用了 100 多台半导体激光器，其固有的发散光束需要通过手工安装的复杂透镜装置进行准直。这种复杂性推高了成本，使激光雷达导航汽车对大多数消费者来说遥不可及。

当然，其他类型的激光器也能产生超强光束。例如，二氧化碳激光器和光纤激光器在工业应用市场上占据主导地位。但与斑点大小的半导体激光器相比，它们是巨大的。高功率二氧化碳激光器可像冰箱一样大。此外，它们的成本更高、能效更低、更难控制。

在过去的几十年里，我们在京都大学的团队一直在开发一种新型的半导体激光器，这种激光器可以突破传统激光器的亮度上限。我们称之为光子晶体表面发射激光器，或PCSEL（发音为“pick-cell”）。最近，我们制造了一种PCSEL，其亮度可以与气体和光纤激光器一样亮，亮度足以快速切开钢，并提出了一种亮度为10到100倍的设计。这些设备可以彻底改变制造业和汽车行业。如果我们、我们的合作公司和世界各地的研究小组——例如在台湾新竹的国立阳明交通大学;德克萨斯大学阿灵顿分校;格拉斯哥大学（University of Glasgow）可以进一步提高PCSEL的亮度，它甚至会为惯性约束核聚变和太空飞行的光推进等奇异应用打开大门。

Hole-y 圣杯

PCSEL 的神奇之处在于其独特的构造。与其他半导体激光器一样，PCSEL 由一层薄薄的发光材料（称为有源层）组成，夹在包层之间。事实上，为了便于理解，我们可以将该装置想象成一个字面意义上的三明治--比方说，在两片面包之间夹着一片火腿。

现在想象一下，把三明治举到嘴边，好像要咬一口。如果你的三明治是一个传统的半导体激光器，那么它的光束就会从远处的边缘辐射出来，远离你。这种光束是通过电流穿过有源 "火腿 "层中的条纹而产生的。受激发的火腿原子自发地释放出光子，这些光子又刺激释放出相同的光子，从而放大了光束。然后，条纹两端的反射镜会反复反射这些光波；由于干涉和损耗，只有某些频率和空间模式（即模式）能够持续。当某一模式的增益超过损耗时，光就会以相干光束的形式出现，激光就会以该模式振荡。

这种标准条纹方法的问题在于，很难在不牺牲光束质量的情况下提高输出功率。半导体激光器的功率受其发射区域的限制，因为极其集中的光线会对半导体造成灾难性的损坏。你可以通过加宽条纹来提供更大的功率，这就是所谓的宽面积激光器所采用的策略。但更宽的条纹也为振荡光提供了走之字形侧向路径的空间，从而形成所谓的高阶横向模式。

您可以想象在输出光束的横截面上放置一个屏幕，从而直观地看到横向模式的入射模式。光沿着条纹的长度来回完美反弹，形成基本（零阶）模，在光束中心有一个单一的强度峰值。一阶模式来自与夹层边缘成一定角度反射的光，左右各有两个峰值；二阶模式来自较小角度的光，有一排三个峰值，以此类推。对于每种高阶模式，激光器实际上是由较小的发射器组合而成，这些发射器的孔径较窄，导致光束迅速发散。因此，由此产生的横向模式混合物使激光光斑和光扩散。

传统半导体激光器的最大亮度约为 100 MW/cm2/sr，原因就在于这些麻烦的模式。PCSEL 通过在 "三明治 "内添加另一层："瑞士奶酪 "层，来处理不需要的模式。这个特殊的额外层是一个印有二维纳米级孔阵列的半导体薄片。通过调整孔的间距和形状，我们可以控制光在激光器内的传播，这样即使发射区域扩大，光也只能以基本模式振荡。这样产生的光束既强又窄，即明亮。

由于其内部物理特性，PCSEL 的工作方式与边缘发射激光器完全不同。例如，PCSEL "三明治 "发出的光束将向上辐射，穿过顶部的面包片，而不是远离你。要解释这种不寻常的发射，以及为什么 PCSEL 的亮度比其他半导体激光器高出几个数量级，我们必须首先描述瑞士奶酪的材料特性——实际上，它是一种名为光子晶体的迷人结构。

光子晶体的工作原理

光子晶体控制光流的方式与半导体控制电子流的方式类似。不过，光子晶体的晶格并不是原子，而是由较大的实体（如孔、立方体或柱体）雕刻而成，其排列方式使折射率在光波长的范围内发生周期性变化。虽然人工制造这些神奇材料的探索始于不到 40 年前，但科学家们后来了解到，它们早已存在于自然界中。例如，蛋白石、孔雀羽毛和一些蝴蝶翅膀之所以能发出绚丽的彩虹色，都是由于光在天然光子晶体中的复杂作用。

了解光如何在光子晶体中运动是 PCSEL 设计的基础。我们可以通过研究晶体的光子带结构（类似于半导体的电子能带结构）来预测这种行为。其中一种方法是绘制频率与波数——晶体晶格的一个单元格内适合的波周期数--之间的关系图。

举例来说，一个简单的一维光子晶体由玻璃和空气带交替形成。进入晶体的光线会通过每个界面折射并部分反射，产生重叠的光束，这些光束会根据光线的波长和方向相互加强或削弱。大多数光波都会穿过材料。但在某些点（称为奇点），反射与入射波完美结合，形成驻波，而驻波不会传播。在这种情况下，当波浪从一条气带到另一条气带正好经过半个周期时，就会出现奇点。还有其他奇点，只要单元格是波长一半的整数倍，就会出现奇点。

我们中的一位（Susumu Noda）在这种材料还没有名字的时候，就开始试验含有类似光子晶体结构的激光器。20 世纪 80 年代中期，在三菱电机公司工作期间，他研究了一种名为分布式反馈（DFB）激光器的半导体激光器。分布式反馈（DFB）激光器是一种基本的条纹激光器，内部有一个额外的层，其中包含有规律间隔的凹槽，凹槽内填充的物质折射率略有不同。这种周期性结构的行为有点像上文所述的一维光子晶体：它重复反射由凹槽间距决定的单一波长的光，从而产生驻波。因此，激光只以该波长振荡，这对于长距离光纤传输和高灵敏度光学传感至关重要。

正如三菱团队所演示的那样，DFB 激光器还可以玩出其他花样。例如，当研究小组将凹槽间距设置为与设备中的激光波长相等时，部分振荡光向上衍射，使激光不仅从其有源条纹的微小前缘发光，而且还从条纹顶部发光。然而，由于条纹的宽度较窄，这种表面光束被疯狂地扇动，这也给提高输出功率带来了困难。

令Susumu Nod失望的是，他的团队试图在不引起其他问题的情况下拓宽条纹，从而提高亮度，但没有成功。然而，这些早期的失败埋下了一个引人入胜的想法：如果激光可以在两个维度而不是一个维度上进行控制，那会怎么样呢？

提升亮度

后来，在京都大学，Susumu Nod领导了二维和三维光子晶体的研究，当时这一领域刚刚起步。1998 年，他的团队制造出了第一颗 PCSEL，此后，我们不断改进设计，以实现包括高亮度在内的各种功能。

在基本 PCSEL 中，光子晶体层是一个二维方形晶格：每个单元格都是一个由四个孔划分的正方形。虽然二维光子晶体的带状结构比一维晶体的带状结构更为复杂，但它同样显示出奇异之处，即我们期望形成驻波的地方。在我们的设备中，我们利用了当相邻孔之间的距离为一个波长时出现的奇点。例如，工作频率为 940 纳米的砷化镓激光器的内部波长约为 280 纳米（考虑到折射率和温度）。因此，基本砷化镓 PCSEL 中的孔之间的距离约为 280 纳米。

其工作原理是这样的：当该长度的波在有源层中产生时，邻近光子晶体层中的孔就会像小镜子一样，使光向后和向侧面弯曲。多重衍射的共同作用产生了二维驻波，然后被有源层放大。其中一些振荡光还会向上和向下衍射，并从激光器顶部漏出，产生单一波长的表面光束。

这种设计之所以有效，关键在于半导体与孔内空气之间的折射率对比较大。Susumu Nod在制造第一台设备时发现，折射率对比度较低的 PCSEL（如 DFB 激光器）不会产生相干振荡。此外，与 DFB 激光器不同的是，PCSEL 的表面发射区域很宽，通常是圆形的。因此，它能产生发散度更低的高质量光束。

2014 年，我们的研究小组报告称，一种三角形孔方形晶格、发射面积为 200×200 μm 的 PCSEL 可以在约 1 瓦的功率下连续工作，同时保持光束仅发散约 2 度的点状光束。传统半导体激光器的光束发散度通常超过 30 度，与之相比，这种性能非常出色。下一步是提高光功率，为此我们需要一个更大的装置。但我们在这里遇到了障碍。

根据我们的理论模型，使用单晶格设计的PCSEL不会长大于约200 μm，而不会引发讨厌的高阶横向模式。在 PCSEL 中，当驻波的强度由于重复衍射产生的干涉图案而以多种方式分布时，就会形成多种模式。在基本模式（读作：理想模式）中，强度分布类似富士山，大部分振荡光集中在晶格中心。同时，每个高阶模式都有两个、三个、四个或更多的富士山。因此，当激光的发射区域相对较小时，高阶模式的强度峰值就会靠近晶格的外围。因此，它们的大部分光线都会从设备的两侧漏出，从而阻止了这些模式的振荡和激光束的产生。但与传统激光器一样，扩大发射区域可以为更多的模式提供振荡空间。

为了解决这个问题，我们在光子晶体层上又增加了一组孔，形成了双晶格。在我们最成功的版本中，一个由圆孔组成的方形晶格与另一个由椭圆形孔组成的方形晶格相距四分之一波长。因此，晶体内部的部分衍射光会发生破坏性干涉。这些抵消会导致横向模式的强度峰值减弱和扩散。因此，当我们扩大激光器的发射区域时，来自高阶模式的光仍然会大量泄漏，而不会发生振荡。

利用这种方法，我们制造出了直径为 1 毫米的圆形发射区域 PCSEL，并证明它可以在连续工作的情况下产生 10 瓦的光束。该光束的发散度仅为十分之一，比前一代 200 微米的光束更加细长，准直度更高，亮度是传统半导体激光器的三倍多。当然，我们的设备还具有单模振荡的优势，这是同等尺寸的传统激光器无法做到的。

要提高 PCSEL 的亮度，还需要进一步的创新。在直径较大的情况下，仅靠双晶格方法无法充分抑制高阶模式，因此它们会再次振荡。不过，我们已经观察到，这些模式使激光器略微偏离，这引起了我们对背面反射器的注意。(想象一下在火腿瑞士三明治的底部铺上一层锡箔纸的情景）。

在前几代设备中，这种反射器的作用仅仅是将向下衍射的光从激光器的发射面向上弹出。通过调整其位置（以及光子晶体孔的间距和形状），我们发现可以控制反射，使其与光子晶体层内振荡的二维驻波产生有效的干涉。这种干涉或耦合本质上会导致离去波失去部分能量。离去的波越歪，损失的光就越多。噗！再也没有高阶模式了。

就这样，我们在 2023 年开发出了一种 PCSEL，其 1 GW/cm2/sr 的亮度可与气体和光纤激光器媲美。它的发射直径为 3 毫米，能以高达 50 W的功率连续激光，同时维持发散度仅为二十分之一的光束。我们甚至用它来切割钢材。当明亮、美丽的光束从 100μm厚的金属板上切割出一个圆盘时，我们整个实验室的人都围拢过来，惊奇地注视着。

更强大的 PCSEL

虽然钢片切割演示令人印象深刻，但 PCSEL 必须具备更强大的功能，才能在工业市场竞争中立于不败之地。例如，制造汽车零件需要千瓦级的光功率。

要制造出能够处理这种功率的 PCSEL 应该是非常简单的——可以通过组装九个 3 毫米 PCSEL 阵列，或者将我们现有设备的发射区域扩大到 1 厘米。在这种尺寸下，高阶模式将再次出现，从而降低光束质量。但是，由于它们的亮度仍然不亚于高功率气体激光器和光纤激光器，因此这种千瓦级 PCSEL 可以开始取代体积更大的竞争对手。

要真正改变游戏规则，1 厘米 PCSEL 需要通过抑制这些高阶模式来提升水平。我们已经设计出一种方法，通过微调光子晶体结构和反射器的位置来实现这一目标。虽然我们尚未在实验室中测试这种新配方，但我们的理论模型表明，它可以将 PCSEL 的亮度提高到 10 到 100 GW/cm2/sr。试想一下，如果能从一个微小的封装中发出如此集中的光，那么将可以制造出各种独特而复杂的产品。

特别是对于这些高功率应用，我们需要提高激光器的能效和热管理。即使不做任何优化，PCSEL 的 "墙塞 "效率也已达到 30% 至 40%，超过了大多数二氧化碳激光器和光纤激光器。更重要的是，我们已经找到了一条可以实现 60% 效率的途径。至于热管理，我们目前在实验室使用的水冷技术应该足以满足 1,000 瓦、1 厘米 PCSEL 的需要。

高亮度 PCSEL 还可用于为自动驾驶汽车和机器人制造更小、更经济的传感器系统。最近，我们利用 500 微米 PCSEL 制造了一个激光雷达系统。在脉冲操作下，我们以大约 20 瓦的功率运行它，获得了非常明亮的光束。即使在 30 米的距离上，光斑大小也只有 5 厘米。对于没有外部透镜的紧凑型激光雷达系统来说，如此高的分辨率是闻所未闻的。然后，我们将原型机安装在机器人小车上，并对其进行编程，让它们跟着我们和其他人在工程大楼里四处走动。

在另一项工作中，我们发现 PCSEL 可以发射多个光束，这些光束可以通过电子控制指向不同的方向。这种片上光束转向是通过改变光子晶体层中孔的位置和大小来实现的。最终，它可以取代激光雷达系统中的机械光束转向。如果光探测器也集成在同一芯片上，那么这些全电子导航系统就会变得非常微型和低成本。

尽管充满挑战，但我们最终希望制造出输出功率超过 10 千瓦、光束亮度高达 1,000 GW/cm2/sr 的 3 厘米激光器，其亮度比目前任何激光器都要高。在这样的极高亮度下，PCSEL 可以取代用于产生极紫外光刻机等离子脉冲的巨大、耗电的 CO2 激光器，使芯片制造更加高效。它们同样可以推动实现核聚变的努力，这一过程需要向豌豆大小的燃料囊发射数万亿瓦特的激光功率。超高亮度的激光还为太空飞行提供了光推进的可能性。用光推动的探测器不需要花费数千年的时间就能到达遥远的恒星，而只需要几十年的时间。

这也许是老生常谈，但对于人类智慧的下一个篇章，我们想不出比这更贴切的预言了：正如人们所说，未来是光明的。

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审核编辑 黄宇