半導體激光器亮度里程碑 沖擊鋼切片水平

SUSUMA NODA

與體積龐大的氣體激光器和光纖激光器不同，半導體激光器體積小、能效高、可控性強。但是，他們做不到的一件事就是提供競爭對手的鋼鐵切片亮度。

在近日發表在《自然》雜志上（https://doi.org/10.1038/s41586-023-06059-8）的研究結果中，日本京都大學的一組研究人員，由IEEE Fellow Susumu Noda領導，通過改變光子晶體表面****激光器（PCSEL）的結構，在克服半導體激光器亮度的限制方面邁出了一大步。光子晶體是由半導體片組成的，半導體片上有規則的納米級空氣填充孔。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，用于實際的金屬切割和加工。

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

Noda的團隊已經在PCSEL上工作了20多年，他們能夠開發出直徑為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，現在已經足夠高，適用于目前由體積龐大的氣體激光器和光纖激光器主導的應用，例如電子和汽車行業的精密智能制造。它也足夠應用于更奇特的應用，如衛星通信和推進。

增加光子晶體激光器的尺寸和亮度并非沒有挑戰。具體地說，半導體激光器在其****面積擴大時會遇到問題。較大的激光****面積意味著有空間讓光在****方向和橫向振蕩。

這些被稱為高階模式的橫向振蕩會破壞光束的質量。此外，如果激光器連續工作，激光器內部的熱量會改變器件的折射率，導致光束質量進一步惡化。Noa的團隊使用嵌入激光器中的光子晶體，結合對內部反射器的調整，以允許在更寬的區域內進行單模振蕩，并補償熱破壞。這兩個變化使PCSEL即使在連續工作的同時也能保持遠光質量。

SUSUMA NODA

在典型的光子晶體激光器中，與周圍半導體具有不同折射率的空穴導致激光器內的光以精確的方式偏轉。Noda的團隊設計了晶體中的孔圖案，使光被一組圓形和橢圓形孔偏轉，這些孔的波長間隔為激光波長的四分之一。這些偏轉會導致高階模的損耗，從而產生幾乎不發散的高質量光束。

這一概念對于1毫米激光器來說已經足夠好了，但將其擴展到3毫米需要進一步的獨創性。為了允許在大面積上進行單模操作，調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的團隊處理了熱改變器件折射率并導致光束發散的問題。解決這個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處于正確的位置。

SUSUMA NODA

Noda和他的團隊在京都大學建立了1000平方米的光子晶體表面****激光器卓越中心，超過85家公司和研究所參與了PCSEL技術的開發。該團隊正在將其PCSEL設計工業化，以進行大規模生產。

作為這一過程的一部分，他們已經從用電子束光刻技術制造光子晶體轉變為用納米壓印光刻技術制造。電子束光刻是精確的，但對于大規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體上，在快速創建非常規則的圖案方面很有用。

Noda解釋說，下一步是繼續將激光器的直徑從3毫米擴大到10毫米，這種尺寸可以產生1千瓦的輸出功率，盡管使用3毫米PCSEL陣列也可以實現這一目標。他預計，制造3毫米設備的相同技術可以用于擴展到10毫米。“相同的設計就足夠了，”Noda說。

德克薩斯大學阿靈頓分校PCSEL研究員Weidong Zhou表示，他對最新進展感到興奮，也意識到進一步擴大該設備規模的挑戰。他說：“在設計和理論上仍然存在挑戰。” 然而，他對Noda團隊克服這些挑戰的能力充滿信心。“我認為，根據他們所取得的成就，這是可能的。從一毫米擴大到三毫米已經是一個相當大的突破。”