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SUSUMA NODA

與體積龐大的氣體激光器和光纖激光器不同，半導(dǎo)體激光器體積小、能效高、可控性強(qiáng)。但是，他們做不到的一件事就是提供競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的鋼鐵切片亮度。

在近日發(fā)表在《自然》雜志上（https://doi.org/10.1038/s41586-023-06059-8）的研究結(jié)果中，日本京都大學(xué)的一組研究人員，由IEEE Fellow Susumu Noda領(lǐng)導(dǎo)，通過改變光子晶體表面發(fā)射激光器（PCSEL）的結(jié)構(gòu)，在克服半導(dǎo)體激光器亮度的限制方面邁出了一大步。光子晶體是由半導(dǎo)體片組成的，半導(dǎo)體片上有規(guī)則的納米級(jí)空氣填充孔。光子晶體激光器是高亮度激光器的有吸引力的候選者，但到目前為止，工程師們還無法將其放大，以提供足夠亮的光束，用于實(shí)際的金屬切割和加工。

（亮度是一個(gè)包括激光器輸出功率和光束質(zhì)量的品質(zhì)因數(shù)，它涵蓋了光束聚焦的程度或發(fā)散的程度。金屬功的閾值約為每平方厘米1吉瓦/平方米。）

Noda的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在PCSEL上工作了20多年，他們能夠開發(fā)出直徑為3毫米的激光器，這是以前直徑為1毫米的PCSEL器件的十倍。新型激光器的功率輸出為50瓦，與1毫米PCSEL的5至10瓦功率輸出相比也有類似的增長。這種新型激光器的亮度約為1 GW/cm2/str，現(xiàn)在已經(jīng)足夠高，適用于目前由體積龐大的氣體激光器和光纖激光器主導(dǎo)的應(yīng)用，例如電子和汽車行業(yè)的精密智能制造。它也足夠應(yīng)用于更奇特的應(yīng)用，如衛(wèi)星通信和推進(jìn)。

增加光子晶體激光器的尺寸和亮度并非沒有挑戰(zhàn)。具體地說，半導(dǎo)體激光器在其發(fā)射面積擴(kuò)大時(shí)會(huì)遇到問題。較大的激光發(fā)射面積意味著有空間讓光在發(fā)射方向和橫向振蕩。

這些被稱為高階模式的橫向振蕩會(huì)破壞光束的質(zhì)量。此外，如果激光器連續(xù)工作，激光器內(nèi)部的熱量會(huì)改變器件的折射率，導(dǎo)致光束質(zhì)量進(jìn)一步惡化。Noa的團(tuán)隊(duì)使用嵌入激光器中的光子晶體，結(jié)合對(duì)內(nèi)部反射器的調(diào)整，以允許在更寬的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行單模振蕩，并補(bǔ)償熱破壞。這兩個(gè)變化使PCSEL即使在連續(xù)工作的同時(shí)也能保持遠(yuǎn)光質(zhì)量。

SUSUMA NODA

在典型的光子晶體激光器中，與周圍半導(dǎo)體具有不同折射率的空穴導(dǎo)致激光器內(nèi)的光以精確的方式偏轉(zhuǎn)。Noda的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了晶體中的孔圖案，使光被一組圓形和橢圓形孔偏轉(zhuǎn)，這些孔的波長間隔為激光波長的四分之一。這些偏轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致高階模的損耗，從而產(chǎn)生幾乎不發(fā)散的高質(zhì)量光束。

這一概念對(duì)于1毫米激光器來說已經(jīng)足夠好了，但將其擴(kuò)展到3毫米需要進(jìn)一步的獨(dú)創(chuàng)性。為了允許在大面積上進(jìn)行單模操作，調(diào)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損失。最后，Noda的團(tuán)隊(duì)處理了熱改變器件折射率并導(dǎo)致光束發(fā)散的問題。解決這個(gè)問題的方法是稍微改變光子晶體中氣孔的周期，使其在激光器滿功率時(shí)處于正確的位置。

SUSUMA NODA

Noda和他的團(tuán)隊(duì)在京都大學(xué)建立了1000平方米的光子晶體表面發(fā)射激光器卓越中心，超過85家公司和研究所參與了PCSEL技術(shù)的開發(fā)。該團(tuán)隊(duì)正在將其PCSEL設(shè)計(jì)工業(yè)化，以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

作為這一過程的一部分，他們已經(jīng)從用電子束光刻技術(shù)制造光子晶體轉(zhuǎn)變?yōu)橛眉{米壓印光刻技術(shù)制造。電子束光刻是精確的，但對(duì)于大規(guī)模制造來說通常太慢了。納米壓印光刻，基本上是將圖案壓印到半導(dǎo)體上，在快速創(chuàng)建非常規(guī)則的圖案方面很有用。

Noda解釋說，下一步是繼續(xù)將激光器的直徑從3毫米擴(kuò)大到10毫米，這種尺寸可以產(chǎn)生1千瓦的輸出功率，盡管使用3毫米PCSEL陣列也可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。他預(yù)計(jì)，制造3毫米設(shè)備的相同技術(shù)可以用于擴(kuò)展到10毫米。“相同的設(shè)計(jì)就足夠了，”Noda說。

德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校PCSEL研究員Weidong Zhou表示，他對(duì)最新進(jìn)展感到興奮，也意識(shí)到進(jìn)一步擴(kuò)大該設(shè)備規(guī)模的挑戰(zhàn)。他說：“在設(shè)計(jì)和理論上仍然存在挑戰(zhàn)?！?然而，他對(duì)Noda團(tuán)隊(duì)克服這些挑戰(zhàn)的能力充滿信心?！拔艺J(rèn)為，根據(jù)他們所取得的成就，這是可能的。從一毫米擴(kuò)大到三毫米已經(jīng)是一個(gè)相當(dāng)大的突破。”