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為了達到超亮，今天的頂級激光雷達系統（LiDAR）采用了100多個半導體激光器，其固有的發散光束通過手動安裝的復雜透鏡設置進行準直。這種復雜性增加了成本，使激光雷達導航汽車對大多數消費者來說遙不可及。
當然，其他類型的激光也能產生超亮的光束，例如，主導工業應用市場的二氧化碳和光纖激光器。但與半導體激光器相比，它們太巨大了。高功率二氧化碳激光器可以像冰箱一樣大，而且更貴，能效更低，更難控制。
京都大學（Kyoto University）團隊致力于開發一種新型半導體激光器，這種激光器突破了傳統激光器的亮度上限，被稱為光子晶體表面發射激光器（PCSEL）。最近，該團隊制造了一種可以像氣體和光纖激光器一樣亮的PCSEL，亮到足以快速切開鋼鐵，并提出一種亮度為10-100倍的設備原型設計。這種PCSEL設備可能會徹底改變制造業和汽車業，隨著亮度進一步提高甚至可能打開慣性約束核聚變和航天光推進等場景和一些奇異應用的大門。
在洞穴里探索
PCSELs的神奇之處在于其獨特的構造。像任何半導體激光器一樣，PCSEL由一層薄薄的發光材料組成，稱為活性層，夾在包層之間，好像兩片面包之間夾著一片火腿的三明治。
如果這個三明治是一個傳統的半導體激光器，光束將是從遠離你的那個邊緣發出的。傳統激光器中，光束是通過使電流流過有源“ham”層中的條紋而產生的。受激的ham原子自發釋放光子，這些光子刺激相同光子的釋放，從而放大光。條紋兩端的鏡子反復反射這些波；由于干擾和損耗，只有某些頻率和空間模式得以維持。當一個模式的增益超過損耗時，光會以同調光束的形式出現，我們就說激光以這個模式振蕩。
這種標準條紋方法的問題是很難在不犧牲光束質量的情況下增加輸出功率。半導體激光器的功率受到發射面積的限制，因為過于集中的光線會對半導體造成災難性的損害。你可以通過加寬條紋來提供更大的功率，這就是所謂的大面積激光器所采用的策略。但是，較寬的條紋也為振蕩光提供了空間，讓它們沿著曲折的路徑行進，形成了所謂的高階橫向模式。
該模式是傳統半導體激光器亮度達到100MW/cm2/sr左右的原因。PCSELs通過在三明治中添加另一層來處理不想要的模式：“瑞士奶酪”層。這種特殊的額外層是一個印有二維納米孔陣列的半導體片。通過調整孔的間距和形狀，我們可以控制激光器內部的光傳播，使其僅在基模下振蕩，即使發射區域擴大。結果是光束既強又窄，也就是說“很亮”。
由于其內部物理特性，PCSELs的工作方式與邊緣發射激光器完全不同。例如，PCSEL三明治發出的光束現在會向上輻射，穿過最上面的一片面包，而不是背向你。為了解釋這種不尋常的發射，以及為什么PCSELs可以比其他半導體激光器亮幾個數量級，我們必須首先描述瑞士奶酪的材料屬性——實際上，這是一種稱為光子晶體的迷人結構。
光子晶體是如何工作的？
光子晶體控制光流的方式類似于半導體控制電子流的方式。然而，光子晶體的晶格不是原子，而是由更大的實體——如孔、立方體或圓柱——雕刻而成，排列成折射率在光的波長范圍內周期性變化。雖然人工構建這些神奇材料的探索始于40年前，科學家們后來發現它們已經存在于自然界中。例如，蛋白石、孔雀羽毛和一些蝴蝶翅膀，它們燦爛的彩虹色都歸功于這些天然光子晶體中復雜的光效作用。
理解光在光子晶體中如何運動是PCSEL設計的基礎。我們可以通過研究晶體的光子能帶結構來預測這種行為，光子能帶結構類似于半導體的電子能帶結構。一種方法是繪制頻率和波數之間的關系，波數是晶體晶格中一個晶胞內的波周期數。
正如三菱（Mitsubishi）團隊所展示的，分布反饋（DFB）激光器可以被引誘而展現出其他把戲。例如，當團隊將凹槽間距設置為等于設備中的激光波長時，一些振蕩光向上衍射，導致激光不僅從其活動條紋的微小前沿發出，還從條紋的頂部發出。然而，由于條紋寬度較窄，這種表面光束呈扇形散開，這也使得難以增加輸出功率。
令野田（Susumu Noda）失望的是，團隊試圖在不引起其他問題的情況下加寬條紋來增加亮度，但沒有成功。然而，這些早期的失敗埋下了一個有趣的想法：如果激光可以在兩個維度而不是一個維度上控制，那又會怎么樣？
提高亮度
20多年來，京都大學野田小組一直研究和探索2D和3D光子晶體。1998年中期，他在三菱電氣公司工作時制造了第一臺PCSEL，從那以后，他們改進了這種設計，使其具有多種功能，包括高亮度。
在基本PCSEL中，光子晶體層是一個2D方形晶格：每個晶胞是一個由四個孔圍成的正方形。雖然2D光子晶體的能帶結構比1D晶體更復雜，但它同樣揭示了預期駐波形成的奇點。該裝置利用相鄰孔洞之間的距離為一個波長時出現的奇異點。例如，工作在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中的空穴應該相隔280納米。當活性層中產生這種長度的波時，相鄰光子晶體層中的孔就像微小的鏡子一樣，將光向后和側向彎曲。多個這種衍射的組合效應產生了2D駐波，該駐波然后被有源層放大。有些振蕩光也會上下繞射，從激光頂端漏出，產生單一波長的表面光束。
這種設計湊效的一個關鍵原因是半導體和孔內空氣之間的大折射率差異。正如野田在制造第一臺設備時發現的那樣，像DFB激光器一樣，低折射率對比度的光子晶體激光器不會相干振蕩。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，它可以產生具有更低發散度的更高質量的光束。
2014年，該小組報告說，具有三角形孔的正方形點陣和200×200微米發射面積的PCSEL可以在1瓦左右連續工作，同時保持僅發散約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，相比之下，這種性能是顯著的。下一步是提高光功率，為此團隊需要一個更大的設備。但是卻遇到了一個障礙。
根據理論模型，使用單晶格設計的PCSELs在不引入討厭的高階橫向模式的情況下不能生長到大于約200微米。在PCSEL中，當駐波的強度由于重復衍射產生的干涉圖案以多種方式分布時，將會形成多種模式。在基本的理想模式中，強度分布類似富士山（Mount Fuji），大部分振蕩光集中在晶格的中心。同時，每個高階模式有2個、3個、4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位于晶格邊緣附近。因此，它們的大部分光會從裝置的側面漏出，阻止這些模式振蕩并對激光光束有所貢獻。但和傳統的激光器一樣，擴大發射面積可以為更多的振蕩模式騰出空間。
為了解決這個問題，團隊在光子晶體層中添加了另一組孔洞，創造了一個雙晶格。在最成功的版本中，一個由圓形孔組成的正方形格子，與另一個由橢圓形孔組成的正方形格子相比，偏移了1/4波長。因此，晶體內部的一些衍射光會發生破壞性干涉。這些抵消導致橫向模式的強度峰值減弱和擴展。因此，當我們擴大激光的發射區域時，高階模式的光仍然會大量泄漏，而且不會振蕩。
使用這種方法，團隊制作了一個直徑為1毫米的圓形發射區PCSEL，顯示可以在連續工作下產生10瓦的光束。光束的發散度只有1/10度，比上一代的200微米更細、更準，亮度是傳統半導體激光器的3倍多。當然，我們的裝置還具有單模振蕩的優勢，這是同等尺寸的傳統激光器所不能做到的。
提高PCSEL亮度需要進一步創新。在較大的直徑下，單靠雙晶格方法不足以抑制高階模式，因為它們會再次振蕩。然而，我們已經觀察到，這些模式離開激光器有點歪斜，這引起了我們對背面反射器的注意，想象一張錫紙襯在你的火腿和瑞士三明治底部。
在前幾代設備中，這種反射器只是用來將向下衍射的光從激光器的發射表面向上反射出去。通過調整位置（以及光子晶體孔的間距和形狀），我們發現可以控制反射，使它們以一種有用的方式干擾光子晶體層內振蕩的2D駐波。這種干涉或耦合本質上導致離開的波損失一些能量。離開的波越斜，損失的光就越多。
這就是為什么在2023年，我們開發了一種PCSEL，其亮度為1GW/cm2/sr，可與氣體和光纖激光器相媲美。它的發射直徑為3毫米，可以連續發射高達50瓦的激光，同時保持光束發散度只有二十分之一度。我們甚至用它來切割鋼鐵。當明亮美麗的光束在100微米厚的金屬板上雕刻出一個圓盤時，我們整個實驗室的人都聚在一起，驚訝地看著。
向更強大的千瓦級PCSELs邁進
盡管鋼切片演示令人印象深刻，但PCSELs必須更加強大，才能在工業市場上競爭。例如，制造汽車零件需要千瓦級的光功率。
制造一個可以處理這種功率的PCSEL應該是相當簡單的——要么組裝一個包含9個3毫米PCSEL的陣列，要么將我們當前設備的發射面積擴大到1厘米。在這個尺寸下，高階模式會再次出現，降低光束質量。但是，因為它們仍然像高功率氣體和光纖激光器一樣亮，這種千瓦級的PCSELs可能會開始取代體積更大的競爭對手。
要真正改變游戲規則，1厘米的PCSELs需要通過抑制那些高階模式來提高等級。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做到這一點。雖然我們尚未在實驗室測試這種新配方，但我們的理論模型表明，它可以將PCSEL亮度提高10-100GW/cm2/sr。想象一下，當如此集中的光從一個微小的封裝中發出時，我們就可以制造出各種獨特而復雜的產品。
特別是對于那些高功率應用，我們需要提高激光器的能效和熱管理。即使沒有任何優化，PCSELs的“墻上插頭”效率已經達到30-40%，超過了大多數二氧化碳和光纖激光器。此外，我們發現了一條我們認為可以達到60%效率的途徑。至于熱管理，我們今天在實驗室使用的水冷技術應該足以滿足1000瓦、1厘米的PCSEL。
高亮度PCSELs還可以用于制造更小、更便宜的傳感器系統，用于自動駕駛汽車和機器人。最近，我們用500微米的PCSEL建立了一個激光雷達系統。在脈沖操作下，我們以大約20W的功率運行，得到了非常明亮的光束。即使在30米處，光斑大小也只有5厘米。如此高的分辨率對于沒有外部鏡頭的緊湊型激光雷達系統來說是聞所未聞的。然后，我們將原型——大約有網絡攝像頭大小——安裝在機器人推車上，并對它們進行編程，讓它們在工程大樓周圍跟隨我們和其他人。
在另一項工作中，我們展示了PCSELs可以發射多束光束，這些光束可以通過電子控制指向不同的方向。這種片上光束控制是通過改變光子晶體層中孔的位置和尺寸來實現的。最終，它可以取代激光雷達系統中的機械光束控制。如果光探測器也集成在同一個芯片上，這些全電子導航系統將會非常小型化和低成本。
盡管這是一項挑戰，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1000GW/cm2/Sr的3厘米激光器——比目前存在的任何激光器都要亮。在這樣的極端亮度下，PCSELs可以取代巨大的、耗電的二氧化碳激光器，后者用于為極紫外光刻機產生等離子體脈沖，從而使芯片制造更加高效。他們同樣可以推進實現核聚變的努力，這一過程包括向豌豆大小的燃料艙發射數萬億瓦的激光功率。異常明亮的激光也提高了太空飛行中光推進的可能性。屆時，到達遙遠的星球不再需要幾千年，光驅動的探測器只需幾十年就能完成旅程。
這可能是老生常談，如何描述人類創造力的下一個篇章，我們想不出更恰當的預測：正如他們所說，未來是光明的。（編譯：鐠元素）
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