能熔化鋼鐵的微小超亮激光器

半導體芯科技編譯

光子晶體是有史以來最亮的半導體激光器的關鍵

2016 年，日本政府宣布了一項關于建立新型社會的計劃。該計劃解釋說，人類文明從狩獵采集開始，經歷了農業和工業階段，正迅速接近信息時代的終點。正如當時的首相安倍晉三所說："我們現在正在見證第五章的開啟。

這一章被稱為 "社會 5.0"，將出現按需生產的商品、機器人看護、出租車和拖拉機。許多創新技術，如人工智能，可能是顯而易見的。但有一項關鍵技術很容易被忽視：激光。

△這種3毫米PCSEL已封裝，隨時可以發射。SUSUMU NODA

社會 5.0 的激光器需要滿足幾個標準。它們必須足夠小巧，能夠安裝在日常設備中。它們必須成本低廉，以便普通金屬工人或汽車購買者都能負擔得起，這意味著它們還必須制造簡單、能效高。而且，由于這個即將到來的時代將是大規模定制（而不是大規模生產）的時代，它們必須具有高度的可控性和適應性。

半導體激光器似乎是最理想的選擇，但有一個致命的缺陷：它們的亮度太低。激光亮度定義為單位面積、單位立體角的光功率，它是衡量光從激光器中射出時的聚焦強度以及光離開時的發散范圍的標準。材料切割、焊接和鉆孔工作的閾值約為 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導體激光器的亮度也遠遠低于這一水平。

亮度對于自主機器人和車輛中的光探測和測距（激光雷達）系統也很重要。這些系統不需要金屬熔化的功率，但要在遠距離或高速度下進行精確測量，就需要緊密聚焦的光束。當今的頂級激光雷達系統采用了 100 多臺半導體激光器，其固有的發散光束需要通過手工安裝的復雜透鏡裝置進行準直。這種復雜性推高了成本，使激光雷達導航汽車對大多數消費者來說遙不可及。

當然，其他類型的激光器也能產生超強光束。例如，二氧化碳激光器和光纖激光器在工業應用市場上占據主導地位。但與斑點大小的半導體激光器相比，它們是巨大的。高功率二氧化碳激光器可像冰箱一樣大。此外，它們的成本更高、能效更低、更難控制。

在過去的幾十年里，我們在京都大學的團隊一直在開發一種新型的半導體激光器，這種激光器可以突破傳統激光器的亮度上限。我們稱之為光子晶體表面發射激光器，或PCSEL（發音為“pick-cell”）。最近，我們制造了一種PCSEL，其亮度可以與氣體和光纖激光器一樣亮，亮度足以快速切開鋼，并提出了一種亮度為10到100倍的設計。這些設備可以徹底改變制造業和汽車行業。如果我們、我們的合作公司和世界各地的研究小組——例如在臺灣新竹的國立陽明交通大學;德克薩斯大學阿靈頓分校;格拉斯哥大學（University of Glasgow）可以進一步提高PCSEL的亮度，它甚至會為慣性約束核聚變和太空飛行的光推進等奇異應用打開大門。

Hole-y 圣杯

PCSEL 的神奇之處在于其獨特的構造。與其他半導體激光器一樣，PCSEL 由一層薄薄的發光材料（稱為有源層）組成，夾在包層之間。事實上，為了便于理解，我們可以將該裝置想象成一個字面意義上的三明治--比方說，在兩片面包之間夾著一片火腿。

現在想象一下，把三明治舉到嘴邊，好像要咬一口。如果你的三明治是一個傳統的半導體激光器，那么它的光束就會從遠處的邊緣輻射出來，遠離你。這種光束是通過電流穿過有源 "火腿 "層中的條紋而產生的。受激發的火腿原子自發地釋放出光子，這些光子又刺激釋放出相同的光子，從而放大了光束。然后，條紋兩端的反射鏡會反復反射這些光波；由于干涉和損耗，只有某些頻率和空間模式（即模式）能夠持續。當某一模式的增益超過損耗時，光就會以相干光束的形式出現，激光就會以該模式振蕩。

這種標準條紋方法的問題在于，很難在不犧牲光束質量的情況下提高輸出功率。半導體激光器的功率受其發射區域的限制，因為極其集中的光線會對半導體造成災難性的損壞。你可以通過加寬條紋來提供更大的功率，這就是所謂的寬面積激光器所采用的策略。但更寬的條紋也為振蕩光提供了走之字形側向路徑的空間，從而形成所謂的高階橫向模式。

您可以想象在輸出光束的橫截面上放置一個屏幕，從而直觀地看到橫向模式的入射模式。光沿著條紋的長度來回完美反彈，形成基本（零階）模，在光束中心有一個單一的強度峰值。一階模式來自與夾層邊緣成一定角度反射的光，左右各有兩個峰值；二階模式來自較小角度的光，有一排三個峰值，以此類推。對于每種高階模式，激光器實際上是由較小的發射器組合而成，這些發射器的孔徑較窄，導致光束迅速發散。因此，由此產生的橫向模式混合物使激光光斑和光擴散。

傳統半導體激光器的最大亮度約為 100 MW/cm2/sr，原因就在于這些麻煩的模式。PCSEL 通過在 "三明治 "內添加另一層："瑞士奶酪 "層，來處理不需要的模式。這個特殊的額外層是一個印有二維納米級孔陣列的半導體薄片。通過調整孔的間距和形狀，我們可以控制光在激光器內的傳播，這樣即使發射區域擴大，光也只能以基本模式振蕩。這樣產生的光束既強又窄，即明亮。

由于其內部物理特性，PCSEL 的工作方式與邊緣發射激光器完全不同。例如，PCSEL "三明治 "發出的光束將向上輻射，穿過頂部的面包片，而不是遠離你。要解釋這種不尋常的發射，以及為什么 PCSEL 的亮度比其他半導體激光器高出幾個數量級，我們必須首先描述瑞士奶酪的材料特性——實際上，它是一種名為光子晶體的迷人結構。

光子晶體的工作原理

光子晶體控制光流的方式與半導體控制電子流的方式類似。不過，光子晶體的晶格并不是原子，而是由較大的實體（如孔、立方體或柱體）雕刻而成，其排列方式使折射率在光波長的范圍內發生周期性變化。雖然人工制造這些神奇材料的探索始于不到 40 年前，但科學家們后來了解到，它們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發出絢麗的彩虹色，都是由于光在天然光子晶體中的復雜作用。

了解光如何在光子晶體中運動是 PCSEL 設計的基礎。我們可以通過研究晶體的光子帶結構（類似于半導體的電子能帶結構）來預測這種行為。其中一種方法是繪制頻率與波數——晶體晶格的一個單元格內適合的波周期數--之間的關系圖。

舉例來說，一個簡單的一維光子晶體由玻璃和空氣帶交替形成。進入晶體的光線會通過每個界面折射并部分反射，產生重疊的光束，這些光束會根據光線的波長和方向相互加強或削弱。大多數光波都會穿過材料。但在某些點（稱為奇點），反射與入射波完美結合，形成駐波，而駐波不會傳播。在這種情況下，當波浪從一條氣帶到另一條氣帶正好經過半個周期時，就會出現奇點。還有其他奇點，只要單元格是波長一半的整數倍，就會出現奇點。

我們中的一位（Susumu Noda）在這種材料還沒有名字的時候，就開始試驗含有類似光子晶體結構的激光器。20 世紀 80 年代中期，在三菱電機公司工作期間，他研究了一種名為分布式反饋（DFB）激光器的半導體激光器。分布式反饋（DFB）激光器是一種基本的條紋激光器，內部有一個額外的層，其中包含有規律間隔的凹槽，凹槽內填充的物質折射率略有不同。這種周期性結構的行為有點像上文所述的一維光子晶體：它重復反射由凹槽間距決定的單一波長的光，從而產生駐波。因此，激光只以該波長振蕩，這對于長距離光纖傳輸和高靈敏度光學傳感至關重要。

正如三菱團隊所演示的那樣，DFB 激光器還可以玩出其他花樣。例如，當研究小組將凹槽間距設置為與設備中的激光波長相等時，部分振蕩光向上衍射，使激光不僅從其有源條紋的微小前緣發光，而且還從條紋頂部發光。然而，由于條紋的寬度較窄，這種表面光束被瘋狂地扇動，這也給提高輸出功率帶來了困難。

令Susumu Nod失望的是，他的團隊試圖在不引起其他問題的情況下拓寬條紋，從而提高亮度，但沒有成功。然而，這些早期的失敗埋下了一個引人入勝的想法：如果激光可以在兩個維度而不是一個維度上進行控制，那會怎么樣呢？

提升亮度

后來，在京都大學，Susumu Nod領導了二維和三維光子晶體的研究，當時這一領域剛剛起步。1998 年，他的團隊制造出了第一顆 PCSEL，此后，我們不斷改進設計，以實現包括高亮度在內的各種功能。

在基本 PCSEL 中，光子晶體層是一個二維方形晶格：每個單元格都是一個由四個孔劃分的正方形。雖然二維光子晶體的帶狀結構比一維晶體的帶狀結構更為復雜，但它同樣顯示出奇異之處，即我們期望形成駐波的地方。在我們的設備中，我們利用了當相鄰孔之間的距離為一個波長時出現的奇點。例如，工作頻率為 940 納米的砷化鎵激光器的內部波長約為 280 納米（考慮到折射率和溫度）。因此，基本砷化鎵 PCSEL 中的孔之間的距離約為 280 納米。

其工作原理是這樣的：當該長度的波在有源層中產生時，鄰近光子晶體層中的孔就會像小鏡子一樣，使光向后和向側面彎曲。多重衍射的共同作用產生了二維駐波，然后被有源層放大。其中一些振蕩光還會向上和向下衍射，并從激光器頂部漏出，產生單一波長的表面光束。

這種設計之所以有效，關鍵在于半導體與孔內空氣之間的折射率對比較大。Susumu Nod在制造第一臺設備時發現，折射率對比度較低的 PCSEL（如 DFB 激光器）不會產生相干振蕩。此外，與 DFB 激光器不同的是，PCSEL 的表面發射區域很寬，通常是圓形的。因此，它能產生發散度更低的高質量光束。

2014 年，我們的研究小組報告稱，一種三角形孔方形晶格、發射面積為 200×200 μm 的 PCSEL 可以在約 1 瓦的功率下連續工作，同時保持光束僅發散約 2 度的點狀光束。傳統半導體激光器的光束發散度通常超過 30 度，與之相比，這種性能非常出色。下一步是提高光功率，為此我們需要一個更大的裝置。但我們在這里遇到了障礙。

根據我們的理論模型，使用單晶格設計的PCSEL不會長大于約200 μm，而不會引發討厭的高階橫向模式。在 PCSEL 中，當駐波的強度由于重復衍射產生的干涉圖案而以多種方式分布時，就會形成多種模式。在基本模式（讀作：理想模式）中，強度分布類似富士山，大部分振蕩光集中在晶格中心。同時，每個高階模式都有兩個、三個、四個或更多的富士山。因此，當激光的發射區域相對較小時，高階模式的強度峰值就會靠近晶格的外圍。因此，它們的大部分光線都會從設備的兩側漏出，從而阻止了這些模式的振蕩和激光束的產生。但與傳統激光器一樣，擴大發射區域可以為更多的模式提供振蕩空間。

為了解決這個問題，我們在光子晶體層上又增加了一組孔，形成了雙晶格。在我們最成功的版本中，一個由圓孔組成的方形晶格與另一個由橢圓形孔組成的方形晶格相距四分之一波長。因此，晶體內部的部分衍射光會發生破壞性干涉。這些抵消會導致橫向模式的強度峰值減弱和擴散。因此，當我們擴大激光器的發射區域時，來自高階模式的光仍然會大量泄漏，而不會發生振蕩。

利用這種方法，我們制造出了直徑為 1 毫米的圓形發射區域 PCSEL，并證明它可以在連續工作的情況下產生 10 瓦的光束。該光束的發散度僅為十分之一，比前一代 200 微米的光束更加細長，準直度更高，亮度是傳統半導體激光器的三倍多。當然，我們的設備還具有單模振蕩的優勢，這是同等尺寸的傳統激光器無法做到的。

要提高 PCSEL 的亮度，還需要進一步的創新。在直徑較大的情況下，僅靠雙晶格方法無法充分抑制高階模式，因此它們會再次振蕩。不過，我們已經觀察到，這些模式使激光器略微偏離，這引起了我們對背面反射器的注意。(想象一下在火腿瑞士三明治的底部鋪上一層錫箔紙的情景）。

在前幾代設備中，這種反射器的作用僅僅是將向下衍射的光從激光器的發射面向上彈出。通過調整其位置（以及光子晶體孔的間距和形狀），我們發現可以控制反射，使其與光子晶體層內振蕩的二維駐波產生有效的干涉。這種干涉或耦合本質上會導致離去波失去部分能量。離去的波越歪，損失的光就越多。噗！再也沒有高階模式了。

就這樣，我們在 2023 年開發出了一種 PCSEL，其 1 GW/cm2/sr 的亮度可與氣體和光纖激光器媲美。它的發射直徑為 3 毫米，能以高達 50 W的功率連續激光，同時維持發散度僅為二十分之一的光束。我們甚至用它來切割鋼材。當明亮、美麗的光束從 100μm厚的金屬板上切割出一個圓盤時，我們整個實驗室的人都圍攏過來，驚奇地注視著。

更強大的 PCSEL

雖然鋼片切割演示令人印象深刻，但 PCSEL 必須具備更強大的功能，才能在工業市場競爭中立于不敗之地。例如，制造汽車零件需要千瓦級的光功率。

要制造出能夠處理這種功率的 PCSEL 應該是非常簡單的——可以通過組裝九個 3 毫米 PCSEL 陣列，或者將我們現有設備的發射區域擴大到 1 厘米。在這種尺寸下，高階模式將再次出現，從而降低光束質量。但是，由于它們的亮度仍然不亞于高功率氣體激光器和光纖激光器，因此這種千瓦級 PCSEL 可以開始取代體積更大的競爭對手。

要真正改變游戲規則，1 厘米 PCSEL 需要通過抑制這些高階模式來提升水平。我們已經設計出一種方法，通過微調光子晶體結構和反射器的位置來實現這一目標。雖然我們尚未在實驗室中測試這種新配方，但我們的理論模型表明，它可以將 PCSEL 的亮度提高到 10 到 100 GW/cm2/sr。試想一下，如果能從一個微小的封裝中發出如此集中的光，那么將可以制造出各種獨特而復雜的產品。

特別是對于這些高功率應用，我們需要提高激光器的能效和熱管理。即使不做任何優化，PCSEL 的 "墻塞 "效率也已達到 30% 至 40%，超過了大多數二氧化碳激光器和光纖激光器。更重要的是，我們已經找到了一條可以實現 60% 效率的途徑。至于熱管理，我們目前在實驗室使用的水冷技術應該足以滿足 1,000 瓦、1 厘米 PCSEL 的需要。

高亮度 PCSEL 還可用于為自動駕駛汽車和機器人制造更小、更經濟的傳感器系統。最近，我們利用 500 微米 PCSEL 制造了一個激光雷達系統。在脈沖操作下，我們以大約 20 瓦的功率運行它，獲得了非常明亮的光束。即使在 30 米的距離上，光斑大小也只有 5 厘米。對于沒有外部透鏡的緊湊型激光雷達系統來說，如此高的分辨率是聞所未聞的。然后，我們將原型機安裝在機器人小車上，并對其進行編程，讓它們跟著我們和其他人在工程大樓里四處走動。

在另一項工作中，我們發現 PCSEL 可以發射多個光束，這些光束可以通過電子控制指向不同的方向。這種片上光束轉向是通過改變光子晶體層中孔的位置和大小來實現的。最終，它可以取代激光雷達系統中的機械光束轉向。如果光探測器也集成在同一芯片上，那么這些全電子導航系統就會變得非常微型和低成本。

盡管充滿挑戰，但我們最終希望制造出輸出功率超過 10 千瓦、光束亮度高達 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。在這樣的極高亮度下，PCSEL 可以取代用于產生極紫外光刻機等離子脈沖的巨大、耗電的 CO2 激光器，使芯片制造更加高效。它們同樣可以推動實現核聚變的努力，這一過程需要向豌豆大小的燃料囊發射數萬億瓦特的激光功率。超高亮度的激光還為太空飛行提供了光推進的可能性。用光推動的探測器不需要花費數千年的時間就能到達遙遠的恒星，而只需要幾十年的時間。

這也許是老生常談，但對于人類智慧的下一個篇章，我們想不出比這更貼切的預言了：正如人們所說，未來是光明的。

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審核編輯 黃宇