6月14日，《Nature》杂志报道，由IEEE院士野田进（Susumu Noda）领导的日本京都大学研究团队，通过改变光子晶体表面发射激光器（PCSEL）的结构，在克服半导体激光器亮度限制方面迈出了一大步。
光子晶体由带有规则的纳米级充气孔的半导体片组成。光子晶体激光器是高亮度激光器的有吸引力的候选者，但到目前为止，工程师还无法将其扩大规模以提供足够明亮的光束以用于实际的金属切割和加工。与大型气体激光器和光纤激光器不同，半导体激光器体积小、节能且高度可控。但是半导体激光器目前无法做到的一件事就是提供切割金属所需的亮度。（亮度是一个品质因数，涵盖激光器的输出功率和光束质量，并概括了光束的聚焦程度或发散程度。金属加工的阈值约为每平方厘米每球面度 1 GW。）
野田的团队已经研究 PCSEL 二十多年，能够开发出直径为3毫米的激光器，比之前的1毫米直径 PCSEL设备面积跃升了十倍。新型激光器的功率输出为50瓦，与 1 毫米PCSEL的5瓦功率输出相比增加到10瓦功率。新型激光器的亮度约为1 GW/cm2/str，对于目前由大型气体激光器和光纤激光器主导的应用，例如电子和汽车行业的精密智能制造来说已经足够高了。对于卫星通信和推进器等更奇特的应用来说，它也足够高。
增加光子晶体激光器的尺寸和亮度具有很大挑战。具体而言，半导体激光器在扩大其发射面积时会遇到问题。更大的激光发射面积意味着光有空间在发射方向以及横向上振荡。
这些横向振荡（称为高阶模式）会破坏光束的质量。此外，如果激光器连续工作，激光器内部的热量会改变设备的折射率，导致光束质量进一步恶化。野田的研究小组使用嵌入激光器内的光子晶体，并结合对内部反射器的调整，以允许在更广泛的区域内进行单模振荡并补偿热破坏。这两项变化使得 PCSEL 即使在连续运行时也能保持高光束质量。
在典型的光子晶体激光器中，孔与周围半导体的折射率不同，导致激光器内的光以精确的方式偏转。野田的团队设计了晶体中的孔图案，以便光线通过一系列圆形和椭圆形孔发生偏转，这些孔的间隔为激光波长的四分之一。这些偏转会导致高阶模损耗，从而产生几乎不发散的高质量光束。
▲图1：光子晶体表面发射激光器 (PCSEL) 的结构
这个概念对于1毫米激光器来说足够有效，但将其扩展到3毫米需要进一步的独创性。为了允许在大面积上进行单模操作，调整了激光器底部反射器的位置，以在垂直方向上导致更多不需要的模式的损失。最后，野田的团队解决了热量改变设备折射率并导致光束发散的问题。该问题的解决方案是稍微修改光子晶体中气孔的周期，以便当激光器处于全功率时它们处于正确的位置来完成其工作。
▲图2：光子晶体中气孔的形状和间距会导致不需要的激光模式折射并相互干扰[左]。对于 3 毫米激光器[右]，必须使用激光器的底镜[未显示]来处理额外的不需要的模式源。
野田和他的团队在京都大学建立了占地 1,000 平方米的光子晶体表面发射激光器卓越中心，该中心有超过85家公司和机构参与开发 PCSEL 技术。该团队正在将其 PCSEL设计工业化以进行大规模生产。
作为该过程的一部分，他们已经从使用电子束光刻制造光子晶体转变为使用纳米压印光刻制造光子晶体。电子束光刻很精确，但通常对于大规模制造来说速度太慢。纳米压印光刻基本上是将图案压印到半导体上，可用于快速创建非常规则的图案。
野田解释说，下一步是继续将激光器的直径从3毫米扩大到10毫米，这一尺寸可以产生1千瓦的输出功率，尽管使用3毫米PCSEL阵列也可以实现这一目标。他预计，制造3毫米设备的相同技术可用于扩大至10毫米。“同样的设计就足够了，”野田说。
▲图3：激光器需要110安培的电流才能发挥最大功率，因此需要许多电极
德克萨斯大学阿灵顿分校的 PCSEL 研究员Weidong Zhou表示，他对最新进展感到兴奋，同时也意识到进一步扩展该设备的挑战。“设计和理论方面仍然存在挑战。”不过，他对野田的团队克服这些挑战的能力充满信心。“我认为，根据他们所取得的成就，这是有可能做到的。从1毫米缩小到3毫米已经是一个相当大的突破了。”
| 商业化进展
● 2014年，京都大学野田进教授与滨松光子（Hamamatsu Photonics）共同开发出第一台瓦特级光子晶体激光器，可以在室温下连续运行，功率为 1.5W。 ● 2020年，从格拉斯哥大学衍生出来的初创公司矢量光子（Vector Photonics），总部位于英国。Vector Photonics 已在研发、实验室环境和商业晶圆厂中证明了其革命性的专有 PCSEL 技术。该公司目前正在将关键设计和工艺知识转移到工业环境中，以进行大批量生产。目前开始将非制冷、1 瓦、1310nm CW PCSEL 商业化。 ● 从相关专利申请情况来看，除了京东大学、滨松光子外，Canon、Rome、Stanley Electric等行业巨头围绕光子晶体激光器技术都做了专利布局。
The End
来源：《Nature》上发表的文章：
Masahiro Yoshida et al, High-brightness scalable continuous-wave single-mode photonic-crystal laser, Nature (2023).
DOI: 10.1038/s41586-023-06059-8
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