半导体激光器亮度里程碑 冲击钢切片水平

SUSUMA NODA

与体积庞大的气体激光器和光纤激光器不同，半导体激光器体积小、能效高、可控性强。但是，他们做不到的一件事就是提供竞争对手的钢铁切片亮度。

在近日发表在《自然》杂志上（https://doi.org/10.1038/s41586-023-06059-8）的研究结果中，日本京都大学的一组研究人员，由IEEE Fellow Susumu Noda领导，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的限制方面迈出了一大步。光子晶体是由半导体片组成的，半导体片上有规则的纳米级空气填充孔。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，工程师们还无法将其放大，以提供足够亮的光束，用于实际的金属切割和加工。

（亮度是一个包括激光器输出功率和光束质量的品质因数，它涵盖了光束聚焦的程度或发散的程度。金属功的阈值约为每平方厘米1吉瓦/平方米。）

Noda的团队已经在PCSEL上工作了20多年，他们能够开发出直径为3毫米的激光器，这是以前直径为1毫米的PCSEL器件的十倍。新型激光器的功率输出为50瓦，与1毫米PCSEL的5至10瓦功率输出相比也有类似的增长。这种新型激光器的亮度约为1 GW/cm2/str，现在已经足够高，适用于目前由体积庞大的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。它也足够应用于更奇特的应用，如卫星通信和推进。

增加光子晶体激光器的尺寸和亮度并非没有挑战。具体地说，半导体激光器在其发射面积扩大时会遇到问题。较大的激光发射面积意味着有空间让光在发射方向和横向振荡。

这些被称为高阶模式的横向振荡会破坏光束的质量。此外，如果激光器连续工作，激光器内部的热量会改变器件的折射率，导致光束质量进一步恶化。Noa的团队使用嵌入激光器中的光子晶体，结合对内部反射器的调整，以允许在更宽的区域内进行单模振荡，并补偿热破坏。这两个变化使PCSEL即使在连续工作的同时也能保持远光质量。

SUSUMA NODA

在典型的光子晶体激光器中，与周围半导体具有不同折射率的空穴导致激光器内的光以精确的方式偏转。Noda的团队设计了晶体中的孔图案，使光被一组圆形和椭圆形孔偏转，这些孔的波长间隔为激光波长的四分之一。这些偏转会导致高阶模的损耗，从而产生几乎不发散的高质量光束。

这一概念对于1毫米激光器来说已经足够好了，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，以在垂直方向上造成更多不需要的模式损失。最后，Noda的团队处理了热改变器件折射率并导致光束发散的问题。解决这个问题的方法是稍微改变光子晶体中气孔的周期，使其在激光器满功率时处于正确的位置。

SUSUMA NODA

Noda和他的团队在京都大学建立了1000平方米的光子晶体表面发射激光器卓越中心，超过85家公司和研究所参与了PCSEL技术的开发。该团队正在将其PCSEL设计工业化，以进行大规模生产。

作为这一过程的一部分，他们已经从用电子束光刻技术制造光子晶体转变为用纳米压印光刻技术制造。电子束光刻是精确的，但对于大规模制造来说通常太慢了。纳米压印光刻，基本上是将图案压印到半导体上，在快速创建非常规则的图案方面很有用。

Noda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，这种尺寸可以产生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以用于扩展到10毫米。“相同的设计就足够了，”Noda说。

德克萨斯大学阿灵顿分校PCSEL研究员Weidong Zhou表示，他对最新进展感到兴奋，也意识到进一步扩大该设备规模的挑战。他说：“在设计和理论上仍然存在挑战。” 然而，他对Noda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，这是可能的。从一毫米扩大到三毫米已经是一个相当大的突破。”