有史以来最亮的半导体激光器

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　　2016年，日本政府宣布了《第五期科学技术基本计划》。该计划称，人类文明始于狩猎采集，经历了农业和工业阶段，正在迅速接近信息时代的终点。正如时任首相安倍晋三所言：“我们正在见证第五章拉开帷幕。”

　　日本将这一章为“社会5.0”，届时将出现按需制造的商品、机器人看护、机器人出租车和机器人拖拉机。人工智能等诸多能够实现该目标的创新技术日益受到重视，而激光则是一项很容易被忽视的关键技术。

　　社会5.0的激光器需满足若干标准。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，让普通金属加工工人或汽车购买者能够负担得起，这意味着它们还必须易于制造且能效高。由于大规模定制（而非大规模生产）的时代即将到来，它们还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，但它们有一大致命缺陷——亮度太低。激光亮度是指单位面积内每单位立体角的光功率，它是衡量光从激光器射出时的聚焦强度和光离开时的发散范围的标准。切割、焊接、钻孔等材料加工的阈值大约为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个水平。

　　亮度对于自主机器人和自动驾驶车辆中的光探测和（激光雷达）测距系统也很重要。虽然这些系统不需要金属熔化能力，但要在远距离或高速度下进行精确测量，就需要高度聚焦的光束。当今的顶级激光雷达系统采用了100多台半导体激光器，其固有的发散光束可通过复杂的透镜装置进行准直。这种复杂性提高了成本，导致激光雷达导航汽车对大多数消费者而言遥不可及。

　　当然，其他类型的激光器也能产生超亮光束，例如在工业应用市场上占据主导地位的二氧化碳激光器和光纤激光器。但与微粒大小的半导体激光器相比，它们体积巨大，高功率二氧化碳激光器可能像冰箱一样大。此外，它们也更昂贵、能效更低、更难控制。

　　过去几十年间，我们在日本京都大学的团队一直在开发一种新型的半导体激光器，这种激光器突破了传统同类激光器的亮度上限。我们称之为光子晶体表面发射激光器（PCSEL）。最近，我们制造了一种PCSEL，其亮度可与气体激光器和光纤激光器媲美，足以快速切割钢铁，我们还提出了一种亮度达到当前水平10到100倍的设计，这种设备能够彻底改变制造业和汽车行业。如果我们和世界各地的合作公司、研究小组（如中国台湾的阳明交通大学、美国的得克萨斯大学阿灵顿分校、英国的格拉斯哥大学）可进一步提高PCSEL的亮度，它甚至可以为惯性约束核聚变、太空飞行的光推进等独特应用打开大门。

　　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由夹在包层之间的一层薄薄的发光材料（称为有源层）组成。为便于理解，我们可以将该装置想象成一个字面意义上的三明治，比如两片面包之间夹着一片火腿。

　　然后可以想象把三明治举到嘴边要咬一口的情景。如果你的三明治是传统的半导体激光器，它的光束会从远端辐射出来，远离你。这种光束是通过让电流穿过有源“火腿”层中的条纹而产生的。被激发的“火腿”原子自发地释放出光子，光子会刺激释放出相同的光子，从而放大光束。然后，条纹两端的镜子会反复反射这些光波；由于干涉和损耗，只有特定的频率和空间形态（或模式）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，激光便会以该模式振荡。

　　这种标准条纹方法的问题在于，它很难在不牺牲光束质量的情况下提高输出功率。极度集中的光线会对半导体造成灾难性的破坏，因此半导体激光器的功率受其发射面积的限制。通过加宽条纹可以实现更大功率，这便是所谓的宽面积激光器所使用的策略。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。

　　可以想象在输出光束的横截面上放置一个屏幕，这样就可以直观地看到横向模式的强度图样。光沿着条纹的延伸方向完美地来回反射，会形成基本（零阶）模式，在光束的中心有一个单一的强度峰值。一阶模式来自与夹层边缘呈一定角度反射的光，在左右两侧有两个峰值；二阶模式来自较小角度的光，有一排三个峰值，以此类推。对于高阶模式，激光器实际上是作为较小发射器的组合而运行的，这些发射器的小孔径会导致光束迅速发散。由此产生的横向模式混合会使激光产生斑点和漫反射。

　　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。通过在“三明治”中添加另一层“瑞士奶酪”层，PCSEL可处理不想要的模式。这个特殊的额外层是一个半导体片，上面印有二维纳米级孔阵列。通过调整孔的间距和形状，我们可以控制光在激光器内部的传播，这样即使发射面积扩大，光也只能以基本模式振荡。这样产生的光束既强又窄，因而光束明亮。

　　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”发出的光束现在不是远离你，而是向上辐射，穿过上方的“面包片”。要解释这种不寻常的发射方式，以及为什么PCSEL的亮度能比其他半导体激光器高出几个数量级，我们必须首先说明“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。

　　光子晶体控制光流动的方式与半导体控制电子流动的方式相似。然而，光子晶体的晶格并非原子，而是由更大的实体（如孔、立方体或柱体）雕刻而成，其排列方式可使折射率在光波长的范围内发生周期性变化。尽管人工制造这种神奇材料的探索始于不到40年前，但科学家们后来了解到，这些材料早已经存在于自然界中。例如，蛋白石、孔雀羽毛和一些蝴蝶翅膀之所以能发出绚丽色彩，都要归功于光在天然光子晶体中的复杂作用。

　　了解光在光子晶体中的运动方式是PCSEL的设计基础。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和波数之间的关系，波数是晶体晶格中一个单元格内的波周期数。

　　举例而言，一个简单的一维光子晶体由玻璃和空气带交替形成。进入晶体的光会通过每个界面折射并部分反射，从而产生重叠的光束，这些光束会根据光的波长和方向相互增强或削弱。虽然大多数波都将穿过材料，但在某些点，也就是所谓的奇点，反射波与入射波完美结合，形成驻波，而驻波不会传播。在此情况下，当波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。只要单元格是波长一半的整数倍，就还有其他奇点。

　　我们中的野田进在这种材料还没有名字的时候就开始试验含有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。分布式反馈激光器是一种基本的条纹激光器，它有一个额外的内层，其中含有间隔规律的凹槽，凹槽中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：它会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，激光仅以该波长振荡，这对于远距离光纤传输和高灵敏度光学传感至关重要。

　　正如三菱团队所展示的那样，分布式反馈激光器可以玩出其他花样。例如，当该团队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，导致激光不仅会从其有源条纹的微小前缘发出，还会从条纹的顶部发出。然而，由于条纹的宽度较窄，这种表面光束的扇形区域很大，因此难以提高输出功率。

　　让野田失望的是，他的团队试图在不引起其他问题的情况下拓宽条纹，并未成功提高亮度。然而，这些早期的失败孕育了一个有趣的想法：如果激光可以在二维空间而不是一维平面中进行控制，那会怎样呢？

　　后来在京都大学，野田领导了二维和三维光子晶体的研究，当时该领域刚刚起步。1998年，他的团队制造出第一台PCSEL，此后，我们不断对包括高亮度在内的各种功能的设计进行了改进。

　　在基本的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定的正方形。虽然二维光子晶体的能带结构比一维光子晶体复杂，但它同样揭示了我们期望形成驻波的奇点。在该设备中，我们利用了相邻孔之间的距离为一个波长时出现的奇点。例如，工作波长940纳米的砷化镓激光器的内部波长约为280纳米（考虑折射率和温度），因此，在基础的砷化镓PCSEL中，孔间距约为280纳米。

　　其工作原理如下：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像微小的镜子一样，将光向后或向侧面弯曲。多重这种衍射的共同效应会产生二维驻波，然后被有源层放大。其中一些振荡光还会向上和向下衍射，并从激光器的顶部漏出，产生单一波长的表面光束。

　　这种设计之所以有效，关键在于半导体和孔内空气之间的折射率对比较大。正如野田在制造第一台设备时所发现的那样，折射率对比度较低的PCSEL（如分布式反馈激光器）不会产生相干振荡。与分布式反馈激光器不同的是，PCSEL的表面发射区域很宽，通常是圆形。因此，它产生的光束发散度更低、质量更高。

　　2014年，我们的研究小组报告表明，一种具有三角形孔方形晶格、发射面积为200微米×200微米的PCSEL可以在大约1瓦的功率下连续工作，同时保持发散度仅为约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，此PCSEL的性能相当出色。下一步是提高光功率，为此我们需要更大的装置。但我们在这方面遇到了障碍。

　　根据我们的理论模型，使用单晶格设计的PCSEL大于200微米后便会引起令人烦恼的高阶横向模式。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（理想模式）下，强度分布类似富士山，大部分振荡光集中在晶格中心。与此同时，每个高阶模式都有两个、三个、四个或更多的“富士山”。因此，当激光的发射面积相对较小时，高阶模式的强度峰值便会靠近晶格的外围。所以其大部分光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，扩大发射面积可以为更多的模式提供振荡空间。

　　为解决这一问题，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，一个由圆形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1/4波长。因此，晶体内部的部分衍射光会发生破坏性干涉。这种抵消会导致横向模式的强度峰值减弱并扩散。因此，当我们扩大激光的发射面积时，来自高阶模式的光仍然会大量漏出，而不会发生振荡。

　　利用这种方法，我们制造了具备直径1毫米圆形发射区域的PCSEL，并证明它在连续工况下可以产生10瓦的光束。此光束的发散度仅为1/10度，它比前一代200微米的光束更细长、更准直，亮度是传统半导体激光器的3倍多。当然，我们的装置还有一个优点，那就是能在单一模式下振荡，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。直径更大时，仅靠双晶格方法不能充分抑制高阶模式，因此它们会再次振荡。然而，我们已经观察到，这些模式会使激光略微偏离，这引起了我们对背面反射器的注意。（想象一下在火腿和瑞士三明治底部铺上一层锡纸的情形。）

　　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反射出来。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。本质上，这种干涉或耦合会导致分离波失去部分能量。分离波越偏斜，损失的光就越多。然后就再没有高阶模式了。

　　因此，2023年我们开发了一款PCSEL，其亮度为1 GW/cm2/ sr，可媲美气体激光器和光纤激光器。它的发射直径为3毫米，能够在以高达50瓦的功率连续发射激光的同时保持光束发散度仅为极小的1/20度。我们甚至可以用它来切割钢材。当明亮、美丽的光束在100微米厚的金属板上切割出一个圆盘时，我们整个实验室的人挤在一起惊奇地见证了这一过程。

　　虽然切割钢片的演示令人印象深刻，但PCSEL必须更加强大，才能参与工业市场中的竞争。例如，制造汽车零件需要千瓦级的光功率。

　　制造能够处理这种功率的PCSEL应该相当简单，要么组装9个3毫米的PCSEL阵列，要么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。但由于其亮度仍然不亚于高功率气体激光器和光纤激光器，这种千瓦级的PCSEL可能会开始取代体积更大的竞争对手。

　　要线厘米的PCSEL需要通过抑制高阶模式来升级。我们已经设计了一种方法，通过微调光子晶体结构和反射器的位置来实现该目标。虽然这一新方案尚未在实验室测试，但我们的理论模型表明，PCSEL的亮度可以提高到10～100 GW/cm2/ sr。如果能从一个微小的封装中发出如此集中的光，我们就可以制造各种独特而复杂的产品。

　　特别是对于那些高功率应用，我们需要提高激光器的能效并改善热管理。即使不进行任何优化，PCSEL的“插接”效率也已经达到30%至40%，超过了大多数二氧化碳激光器和光纤激光器。此外，我们已经找到了一条可以实现60%效率的途径。热管理方面，我们目前在实验室使用的水冷技术应该足以满足1000瓦、1厘米PCSEL的需要。

　　高亮度的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，我们使用500微米的PCSEL构建了一个激光雷达系统。在脉冲状态下，我们以20瓦的功率运行，得到了非常明亮的光束。即使在30米的距离，光斑的大小也只有5厘米。对于没有外部透镜的紧凑型激光雷达系统而言，如此高的分辨率是闻所未闻的。然后，我们把大约一个网络摄像头大小的原型机安装在了机器人推车上，并对其进行编程，让它们跟着我们一个接一个地在工程大楼周围走动。

　　在另一项研究中，我们证明了PCSEL可以发射多个光束，这些光束可以通过电子方式来控制，从而使其指向不同的方向。这种片上光束控制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控制。如果同一芯片上也集成了光探测器，那么这些全电子导航系统将非常小且成本低廉。

　　虽然不乏挑战，但我们最终希望能制造出输出功率超过10千瓦、光束亮度高达1000 GW/cm2/ sr的3厘米激光器，这种亮度比目前已有的任何激光器都要高。凭借这种极高亮度，PCSEL可以取代体积巨大、耗电较高的二氧化碳激光器，用于产生极紫外光刻机所需的等离子脉冲，从而大大提高芯片制造效率。同样，它们还有助于实现核聚变，这一过程包括向豌豆大小的燃料胶囊发射数万亿瓦特的激光功率。超高亮度的激光还给太空飞行带来了光推进的可能性。由光推动的探测器不用花几千年的时间，而只需几十年便可到达遥远的恒星。

　　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：正如人们所说的那样，未来是光明的。

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