光子晶体表面发射激光器 (PCSEL) 最终制造得足够亮，可用于工业规模的切割光束
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、节能且高度可控。他们不能做的一件事就是提供竞争对手的钢铁切割亮度。
在《自然》杂志上周报道的结果中，日本京都大学的一组研究人员在IEEE 院士Susumu Noda的带领下，通过改变光子晶体表面发射结构，在克服半导体激光器亮度限制方面迈出了一大步激光器（PCSEL）。光子晶体由半导体片组成，半导体片上穿有规则的纳米级充气孔。光子晶体激光器是高亮度激光器的有吸引力的候选者，但直到现在，工程师们还无法按比例放大它们以提供足够亮的光束以用于实际的金属切割和加工。
（亮度是一个品质因数，它包含激光器的输出功率和光束质量，并封装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 吉瓦。）
野田的团队已经在 PCSEL 上研究了 20 多年，能够开发出直径为 3 毫米的激光器，面积比之前的1 毫米直径 PCSEL器件增加了 10 倍。新型激光器的功率输出为 50 瓦，与 1 毫米 PCSEL 的 5 至 10 瓦功率输出相比有类似的增长。新型激光器的亮度约为 1 GW/cm 2 /str，足以满足目前以体积庞大的气体激光器和光纤激光器为主的应用，例如电子和汽车行业的精密智能制造。对于卫星通信和推进等更奇特的应用，它也足够高。
增加光子晶体激光器的尺寸和亮度并非没有挑战。具体而言，半导体激光器在发射区域扩大时会遇到问题。更大的激光区域意味着光有空间在发射方向和横向上振荡。
这些称为高阶模式的横向振荡会破坏光束的质量。此外，如果激光器连续运行，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。Noda 的团队使用嵌入在激光器中的光子晶体，结合对内部反射器的调整，以允许在更广泛的区域进行单模振荡并补偿热干扰。这两个变化使 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——与周围半导体具有不同的折射率——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，使光线被一系列圆形和椭圆形孔偏转，这些孔的间距为激光波长的四分之一。这些偏转会导致高阶模式的损失，从而产生几乎不发散的高质量光束。
这个概念对于 1 毫米的激光器来说已经足够好了，但是将它放大到 3 毫米需要更多的独创性。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 的小组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，以便在激光器全功率时它们处于正确的位置以完成其工作。
光子晶体中气孔的形状和间距会导致不需要的激光模式相互折射和干涉 [左]。对于 3 毫米激光器 [右]，必须使用激光器的底部反射镜 [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，超过 85 家公司和研究所参与开发 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中，可用于快速创建非常规则的图案。
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，这个尺寸可以产生 1 千瓦的输出功率——尽管使用 3 毫米 PCSEL 阵列也可以达到这个目标。他预计可以使用导致 3 毫米设备的相同技术扩展到 10 毫米。“相同的设计就足够了，”野田说。
使激光器达到全功率需要 110 安培，这需要许多电极。
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，也意识到进一步扩展该设备的挑战。“在设计和理论方面仍然存在挑战，”他说。不过，他对野田团队克服这些挑战的能力充满信心。“我认为，基于他们所取得的成就，这是有可能做到的。从一毫米缩小到三毫米已经是一个相当大的突破了。”
