为了达到超亮，今天的顶级激光雷达系统（LiDAR）采用了100多个半导体激光器，其固有的发散光束通过手动安装的复杂透镜设置进行准直。这种复杂性增加了成本，使激光雷达导航汽车对大多数消费者来说遥不可及。
当然，其他类型的激光也能产生超亮的光束，例如，主导工业应用市场的二氧化碳和光纤激光器。但与半导体激光器相比，它们太巨大了。高功率二氧化碳激光器可以像冰箱一样大，而且更贵，能效更低，更难控制。
京都大学（Kyoto University）团队致力于开发一种新型半导体激光器，这种激光器突破了传统激光器的亮度上限，被称为光子晶体表面发射激光器（PCSEL）。最近，该团队制造了一种可以像气体和光纤激光器一样亮的PCSEL，亮到足以快速切开钢铁，并提出一种亮度为10-100倍的设备原型设计。这种PCSEL设备可能会彻底改变制造业和汽车业，随着亮度进一步提高甚至可能打开惯性约束核聚变和航天光推进等场景和一些奇异应用的大门。

在洞穴里探索

PCSELs的神奇之处在于其独特的构造。像任何半导体激光器一样，PCSEL由一层薄薄的发光材料组成，称为活性层，夹在包层之间，好像两片面包之间夹着一片火腿的三明治。
如果这个三明治是一个传统的半导体激光器，光束将是从远离你的那个边缘发出的。传统激光器中，光束是通过使电流流过有源“ham”层中的条纹而产生的。受激的ham原子自发释放光子，这些光子刺激相同光子的释放，从而放大光。条纹两端的镜子反复反射这些波；由于干扰和损耗，只有某些频率和空间模式得以维持。当一个模式的增益超过损耗时，光会以同调光束的形式出现，我们就说激光以这个模式振荡。
这种标准条纹方法的问题是很难在不牺牲光束质量的情况下增加输出功率。半导体激光器的功率受到发射面积的限制，因为过于集中的光线会对半导体造成灾难性的损害。你可以通过加宽条纹来提供更大的功率，这就是所谓的大面积激光器所采用的策略。但是，较宽的条纹也为振荡光提供了空间，让它们沿着曲折的路径行进，形成了所谓的高阶横向模式。
该模式是传统半导体激光器亮度达到100MW/cm2/sr左右的原因。PCSELs通过在三明治中添加另一层来处理不想要的模式：“瑞士奶酪”层。这种特殊的额外层是一个印有二维纳米孔阵列的半导体片。通过调整孔的间距和形状，我们可以控制激光器内部的光传播，使其仅在基模下振荡，即使发射区域扩大。结果是光束既强又窄，也就是说“很亮”。
由于其内部物理特性，PCSELs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会向上辐射，穿过最上面的一片面包，而不是背向你。为了解释这种不寻常的发射，以及为什么PCSELs可以比其他半导体激光器亮几个数量级，我们必须首先描述瑞士奶酪的材料属性——实际上，这是一种称为光子晶体的迷人结构。

光子晶体是如何工作的？

光子晶体控制光流的方式类似于半导体控制电子流的方式。然而，光子晶体的晶格不是原子，而是由更大的实体——如孔、立方体或圆柱——雕刻而成，排列成折射率在光的波长范围内周期性变化。虽然人工构建这些神奇材料的探索始于40年前，科学家们后来发现它们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，它们灿烂的彩虹色都归功于这些天然光子晶体中复杂的光效作用。
理解光在光子晶体中如何运动是PCSEL设计的基础。我们可以通过研究晶体的光子能带结构来预测这种行为，光子能带结构类似于半导体的电子能带结构。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晶胞内的波周期数。
正如三菱（Mitsubishi）团队所展示的，分布反馈（DFB）激光器可以被引诱而展现出其他把戏。例如，当团队将凹槽间距设置为等于设备中的激光波长时，一些振荡光向上衍射，导致激光不仅从其活动条纹的微小前沿发出，还从条纹的顶部发出。然而，由于条纹宽度较窄，这种表面光束呈扇形散开，这也使得难以增加输出功率。
令野田（Susumu Noda）失望的是，团队试图在不引起其他问题的情况下加宽条纹来增加亮度，但没有成功。然而，这些早期的失败埋下了一个有趣的想法：如果激光可以在两个维度而不是一个维度上控制，那又会怎么样？

提高亮度

20多年来，京都大学野田小组一直研究和探索2D和3D光子晶体。1998年中期，他在三菱电气公司工作时制造了第一台PCSEL，从那以后，他们改进了这种设计，使其具有多种功能，包括高亮度。
在基本PCSEL中，光子晶体层是一个2D方形晶格：每个晶胞是一个由四个孔围成的正方形。虽然2D光子晶体的能带结构比1D晶体更复杂，但它同样揭示了预期驻波形成的奇点。该装置利用相邻孔洞之间的距离为一个波长时出现的奇异点。例如，工作在940纳米的砷化镓激光器的内部波长约为280纳米（考虑到折射率和温度）。

因此，基本砷化镓PCSEL中的空穴应该相隔280纳米。当活性层中产生这种长度的波时，相邻光子晶体层中的孔就像微小的镜子一样，将光向后和侧向弯曲。多个这种衍射的组合效应产生了2D驻波，该驻波然后被有源层放大。有些振荡光也会上下绕射，从激光顶端漏出，产生单一波长的表面光束。
这种设计凑效的一个关键原因是半导体和孔内空气之间的大折射率差异。正如野田在制造第一台设备时发现的那样，像DFB激光器一样，低折射率对比度的光子晶体激光器不会相干振荡。与DFB激光器不同的是，PCSEL的表面发射区域很宽，通常是圆形的。因此，它可以产生具有更低发散度的更高质量的光束。
2014年，该小组报告说，具有三角形孔的正方形点阵和200×200微米发射面积的PCSEL可以在1瓦左右连续工作，同时保持仅发散约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，相比之下，这种性能是显著的。下一步是提高光功率，为此团队需要一个更大的设备。但是却遇到了一个障碍。
根据理论模型，使用单晶格设计的PCSELs在不引入讨厌的高阶横向模式的情况下不能生长到大于约200微米。在PCSEL中，当驻波的强度由于重复衍射产生的干涉图案以多种方式分布时，将会形成多种模式。在基本的理想模式中，强度分布类似富士山（Mount Fuji），大部分振荡光集中在晶格的中心。同时，每个高阶模式有2个、3个、4个或更多的富士山。因此，当激光的发射区域相对较小时，高阶模式的强度峰值位于晶格边缘附近。因此，它们的大部分光会从装置的侧面漏出，阻止这些模式振荡并对激光光束有所贡献。但和传统的激光器一样，扩大发射面积可以为更多的振荡模式腾出空间。
为了解决这个问题，团队在光子晶体层中添加了另一组孔洞，创造了一个双晶格。在最成功的版本中，一个由圆形孔组成的正方形格子，与另一个由椭圆形孔组成的正方形格子相比，偏移了1/4波长。因此，晶体内部的一些衍射光会发生破坏性干涉。这些抵消导致横向模式的强度峰值减弱和扩展。因此，当我们扩大激光的发射区域时，高阶模式的光仍然会大量泄漏，而且不会振荡。
使用这种方法，团队制作了一个直径为1毫米的圆形发射区PCSEL，显示可以在连续工作下产生10瓦的光束。光束的发散度只有1/10度，比上一代的200微米更细、更准，亮度是传统半导体激光器的3倍多。当然，我们的装置还具有单模振荡的优势，这是同等尺寸的传统激光器所不能做到的。
提高PCSEL亮度需要进一步创新。在较大的直径下，单靠双晶格方法不足以抑制高阶模式，因为它们会再次振荡。然而，我们已经观察到，这些模式离开激光器有点歪斜，这引起了我们对背面反射器的注意，想象一张锡纸衬在你的火腿和瑞士三明治底部。
在前几代设备中，这种反射器只是用来将向下衍射的光从激光器的发射表面向上反射出去。通过调整位置（以及光子晶体孔的间距和形状），我们发现可以控制反射，使它们以一种有用的方式干扰光子晶体层内振荡的2D驻波。这种干涉或耦合本质上导致离开的波损失一些能量。离开的波越斜，损失的光就越多。
这就是为什么在2023年，我们开发了一种PCSEL，其亮度为1GW/cm2/sr，可与气体和光纤激光器相媲美。它的发射直径为3毫米，可以连续发射高达50瓦的激光，同时保持光束发散度只有二十分之一度。我们甚至用它来切割钢铁。当明亮美丽的光束在100微米厚的金属板上雕刻出一个圆盘时，我们整个实验室的人都聚在一起，惊讶地看着。

向更强大的千瓦级PCSELs迈进

尽管钢切片演示令人印象深刻，但PCSELs必须更加强大，才能在工业市场上竞争。例如，制造汽车零件需要千瓦级的光功率。
制造一个可以处理这种功率的PCSEL应该是相当简单的——要么组装一个包含9个3毫米PCSEL的阵列，要么将我们当前设备的发射面积扩大到1厘米。在这个尺寸下，高阶模式会再次出现，降低光束质量。但是，因为它们仍然像高功率气体和光纤激光器一样亮，这种千瓦级的PCSELs可能会开始取代体积更大的竞争对手。
要真正改变游戏规则，1厘米的PCSELs需要通过抑制那些高阶模式来提高等级。我们已经设计出一种方法，通过微调光子晶体结构和反射器的位置来做到这一点。虽然我们尚未在实验室测试这种新配方，但我们的理论模型表明，它可以将PCSEL亮度提高10-100GW/cm2/sr。想象一下，当如此集中的光从一个微小的封装中发出时，我们就可以制造出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和热管理。即使没有任何优化，PCSELs的“墙上插头”效率已经达到30-40%，超过了大多数二氧化碳和光纤激光器。此外，我们发现了一条我们认为可以达到60%效率的途径。至于热管理，我们今天在实验室使用的水冷技术应该足以满足1000瓦、1厘米的PCSEL。
高亮度PCSELs还可以用于制造更小、更便宜的传感器系统，用于自动驾驶汽车和机器人。最近，我们用500微米的PCSEL建立了一个激光雷达系统。在脉冲操作下，我们以大约20W的功率运行，得到了非常明亮的光束。即使在30米处，光斑大小也只有5厘米。如此高的分辨率对于没有外部镜头的紧凑型激光雷达系统来说是闻所未闻的。然后，我们将原型——大约有网络摄像头大小——安装在机器人推车上，并对它们进行编程，让它们在工程大楼周围跟随我们和其他人。
在另一项工作中，我们展示了PCSELs可以发射多束光束，这些光束可以通过电子控制指向不同的方向。这种片上光束控制是通过改变光子晶体层中孔的位置和尺寸来实现的。最终，它可以取代激光雷达系统中的机械光束控制。如果光探测器也集成在同一个芯片上，这些全电子导航系统将会非常小型化和低成本。
尽管这是一项挑战，但我们最终希望制造出输出功率超过10千瓦、光束亮度高达1000GW/cm2/Sr的3厘米激光器——比目前存在的任何激光器都要亮。在这样的极端亮度下，PCSELs可以取代巨大的、耗电的二氧化碳激光器，后者用于为极紫外光刻机产生等离子体脉冲，从而使芯片制造更加高效。他们同样可以推进实现核聚变的努力，这一过程包括向豌豆大小的燃料舱发射数万亿瓦的激光功率。异常明亮的激光也提高了太空飞行中光推进的可能性。届时，到达遥远的星球不再需要几千年，光驱动的探测器只需几十年就能完成旅程。
这可能是老生常谈，如何描述人类创造力的下一个篇章，我们想不出更恰当的预测：正如他们所说，未来是光明的。（编译：镨元素）