光子晶體鐳射器能夠熔化鋼鐵。
2016年，日本政府宣佈了《第五期科學技術基本計劃》。該計劃稱，人類文明始於狩獵採集，經歷了農業和工業階段，正在迅速接近資訊時代的終點。正如時任首相安倍晉三所言：“我們正在見證第五章拉開帷幕。”
日本將這一章為“社會5.0”，屆時將出現按需製造的商品、機器人看護、機器人計程車和機器人拖拉機。人工智慧等諸多能夠實現該目標的創新技術日益受到重視，而鐳射則是一項很容易被忽視的關鍵技術。
社會5.0的鐳射器需滿足若干標準。它們必須足夠小巧，能夠安裝在日常裝置中。它們必須成本低廉，讓普通金屬加工工人或汽車購買者能夠負擔得起，這意味著它們還必須易於製造且能效高。由於大規模定製（而非大規模生產）的時代即將到來，它們還必須具有高度的可控性和適應性。
半導體鐳射器似乎是最理想的選擇，但它們有一大致命缺陷——亮度太低。鐳射亮度是指單位面積內每單位立體角的光功率，它是衡量光從鐳射器射出時的聚焦強度和光離開時的發散範圍的標準。切割、焊接、鑽孔等材料加工的閾值大約為1千兆瓦/平方釐米/球面度(GW/cm 2 /sr)。 然而，即使是最亮的商用半導體鐳射器的亮度也遠遠低於這個水平。
亮度對於自主機器人和自動駕駛車輛中的光探測和（鐳射雷達）測距系統也很重要。雖然這些系統不需要金屬熔化能力，但要在遠距離或高速度下進行精確測量，就需要高度聚焦的光束。當今的頂級鐳射雷達系統採用了100多臺，其固有的發散光束可透過複雜的透鏡裝置進行準直。這種複雜性提高了成本，導致鐳射雷達導航汽車對大多數消費者而言遙不可及。
當然，其他型別的鐳射器也能產生超亮光束，例如在工業應用市場上佔據主導地位的二氧化碳鐳射器和光纖鐳射器。但與微粒大小的半導體鐳射器相比，它們體積巨大，高功率二氧化碳鐳射器可能像冰箱一樣大。此外，它們也更昂貴、能效更低、更難控制。
過去幾十年間，我們在日本京都大學的團隊一直在開發一種新型的半導體鐳射器，這種鐳射器突破了傳統同類鐳射器的亮度上限。我們稱之為光子晶體表面發射鐳射器（PCSEL）。最近，我們製造了一種PCSEL，其亮度可與氣體鐳射器和光纖鐳射器媲美，足以快速切割鋼鐵，我們還提出了一種亮度達到當前水平10到100倍的設計，這種裝置能夠徹底改變製造業和汽車行業。如果我們和世界各地的合作公司、研究小組（如中國臺灣的陽明交通大學、美國的得克薩斯大學阿靈頓分校、英國的格拉斯哥大學）可進一步提高PCSEL的亮度，它甚至可以為慣性約束核聚變、太空飛行的光推進等獨特應用開啟大門。
PCSEL的神奇之處在於其獨特的構造。與其他半導體鐳射器一樣，PCSEL由夾在包層之間的一層薄薄的發光材料（稱為有源層）組成。為便於理解，我們可以將該裝置想象成一個字面意義上的三明治，比如兩片面包之間夾著一片火腿。
然後可以想象把三明治舉到嘴邊要咬一口的情景。如果你的三明治是傳統的半導體鐳射器，它的光束會從遠端輻射出來，遠離你。這種光束是透過讓電流穿過有源“火腿”層中的條紋而產生的。被激發的“火腿”原子自發地釋放出光子，光子會刺激釋放出相同的光子，從而放大光束。然後，條紋兩端的鏡子會反覆反射這些光波；由於干涉和損耗，只有特定的頻率和空間形態（或模式）能夠持續。當某一模式的增益超過損耗時，光就會以相干光束的形式出現，鐳射便會以該模式振盪。
這種標準條紋方法的問題在於，它很難在不犧牲光束質量的情況下提高輸出功率。極度集中的光線會對半導體造成災難性的破壞，因此半導體鐳射器的功率受其發射面積的限制。透過加寬條紋可以實現更大功率，這便是所謂的寬面積鐳射器所使用的策略。但更寬的條紋也為振盪光提供了走之字形側向路徑的空間，從而形成所謂的高階橫向模式。
可以想象在輸出光束的橫截面上放置一個螢幕，這樣就可以直觀地看到橫向模式的強度圖樣。光沿著條紋的延伸方向完美地來回反射，會形成基本（零階）模式，在光束的中心有一個單一的強度峰值。一階模式來自與夾層邊緣呈一定角度反射的光，在左右兩側有兩個峰值；二階模式來自較小角度的光，有一排三個峰值，以此類推。對於高階模式，鐳射器實際上是作為較小發射器的組合而執行的，這些發射器的小孔徑會導致光束迅速發散。由此產生的橫向模式混合會使鐳射產生斑點和漫反射。
傳統半導體鐳射器的最大亮度約為100 MW/cm2/sr，原因就在於這些麻煩的模式。透過在“三明治”中新增另一層“瑞士乳酪”層，PCSEL可處理不想要的模式。這個特殊的額外層是一個半導體片，上面印有二維奈米級孔陣列。透過調整孔的間距和形狀，我們可以控制光在鐳射器內部的傳播，這樣即使發射面積擴大，光也只能以基本模式振盪。這樣產生的光束既強又窄，因而光束明亮。
由於其內部物理特性，PCSEL的工作方式與邊緣發射鐳射器完全不同。例如，PCSEL“三明治”發出的光束現在不是遠離你，而是向上輻射，穿過上方的“麵包片”。要解釋這種不尋常的發射方式，以及為什麼PCSEL的亮度能比其他半導體鐳射器高出幾個數量級，我們必須首先說明“瑞士乳酪”的材料特性，實際上，它是一種名為光子晶體的迷人結構。
光子晶體控制光流動的方式與半導體控制電子流動的方式相似。然而，光子晶體的晶格並非原子，而是由更大的實體（如孔、立方體或柱體）雕刻而成，其排列方式可使折射率在光波長的範圍內發生週期性變化。儘管人工製造這種神奇材料的探索始於不到40年前，但科學家們後來瞭解到，這些材料早已經存在於自然界中。例如，蛋白石、孔雀羽毛和一些蝴蝶翅膀之所以能發出絢麗色彩，都要歸功於光在天然光子晶體中的複雜作用。
瞭解光在光子晶體中的運動方式是PCSEL的設計基礎。我們可以透過研究晶體的光子帶結構（類似於半導體的電子能帶結構）來預測這種行為。其中一種方法是繪製頻率和波數之間的關係，波數是晶體晶格中一個單元格內的波週期數。
舉例而言，一個簡單的一維光子晶體由玻璃和空氣帶交替形成。進入晶體的光會透過每個介面折射並部分反射，從而產生重疊的光束，這些光束會根據光的波長和方向相互增強或削弱。雖然大多數波都將穿過材料，但在某些點，也就是所謂的奇點，反射波與入射波完美結合，形成駐波，而駐波不會傳播。在此情況下，當波從一條氣帶到另一條氣帶正好經過半個週期時，就會出現奇點。只要單元格是波長一半的整數倍，就還有其他奇點。
我們中的野田進在這種材料還沒有名字的時候就開始試驗含有光子晶體結構的鐳射器。20世紀80年代中期，在三菱電機公司工作期間，他研究了一種名為分散式反饋（DFB）鐳射器的半導體鐳射器。分散式反饋鐳射器是一種基本的條紋鐳射器，它有一個額外的內層，其中含有間隔規律的凹槽，凹槽中填充的物質折射率略有不同。這種週期性結構的行為有點像上文所述的一維光子晶體：它會重複反射由凹槽間距決定的單一波長的光，從而產生駐波。因此，鐳射僅以該波長振盪，這對於遠距離光纖傳輸和高靈敏度光學感測至關重要。
正如三菱團隊所展示的那樣，分散式反饋鐳射器可以玩出其他花樣。例如，當該團隊將凹槽間距設定為與裝置中的鐳射波長相等時，部分振盪光向上衍射，導致鐳射不僅會從其有源條紋的微小前緣發出，還會從條紋的頂部發出。然而，由於條紋的寬度較窄，這種表面光束的扇形區域很大，因此難以提高輸出功率。
讓野田失望的是，他的團隊試圖在不引起其他問題的情況下拓寬條紋，並未成功提高亮度。然而，這些早期的失敗孕育了一個有趣的想法：如果鐳射可以在二維空間而不是一維平面中進行控制，那會怎樣呢？
後來在京都大學，野田領導了二維和三維光子晶體的研究，當時該領域剛剛起步。1998年，他的團隊製造出第一臺PCSEL，此後，我們不斷對包括高亮度在內的各種功能的設計進行了改進。
在基本的PCSEL中，光子晶體層是一個二維方形晶格：每個單元格都是一個由四個孔劃定的正方形。雖然二維光子晶體的能帶結構比一維光子晶體複雜，但它同樣揭示了我們期望形成駐波的奇點。在該裝置中，我們利用了相鄰孔之間的距離為一個波長時出現的奇點。例如，工作波長940奈米的砷化鎵鐳射器的內部波長約為280奈米（考慮折射率和溫度），因此，在基礎的砷化鎵PCSEL中，孔間距約為280奈米。
其工作原理如下：當該長度的波在有源層中產生時，鄰近光子晶體層中的孔就像微小的鏡子一樣，將光向後或向側面彎曲。多重這種衍射的共同效應會產生二維駐波，然後被有源層放大。其中一些振盪光還會向上和向下衍射，並從鐳射器的頂部漏出，產生單一波長的表面光束。
這種設計之所以有效，關鍵在於半導體和孔內空氣之間的折射率對比較大。正如野田在製造第一臺裝置時所發現的那樣，折射率對比度較低的PCSEL（如分散式反饋鐳射器）不會產生相干振盪。與分散式反饋鐳射器不同的是，PCSEL的表面發射區域很寬，通常是圓形。因此，它產生的光束髮散度更低、質量更高。
2014年，我們的研究小組報告表明，一種具有三角形孔方形晶格、發射面積為200微米×200微米的PCSEL可以在大約1瓦的功率下連續工作，同時保持發散度僅為約2度的點狀光束。傳統半導體鐳射器的光束髮散度通常超過30度，與之相比，此PCSEL的效能相當出色。下一步是提高光功率，為此我們需要更大的裝置。但我們在這方面遇到了障礙。
根據我們的理論模型，使用單晶格設計的PCSEL大於200微米後便會引起令人煩惱的高階橫向模式。在PCSEL中，當駐波的強度由於重複衍射產生的干涉圖案而以多種方式分佈時，就會形成多種模式。在基本模式（理想模式）下，強度分佈類似富士山，大部分振盪光集中在晶格中心。與此同時，每個高階模式都有兩個、三個、四個或更多的“富士山”。因此，當鐳射的發射面積相對較小時，高階模式的強度峰值便會靠近晶格的外圍。所以其大部分光都會從裝置的兩側漏出，從而阻止了這些模式的振盪和鐳射束的產生。但與傳統鐳射器一樣，擴大發射面積可以為更多的模式提供振盪空間。
為解決這一問題，我們在光子晶體層上又增加了一組孔，形成了雙晶格。在我們最成功的版本中，一個由圓形孔組成的方形晶格與另一個由橢圓形孔組成的方形晶格相距1/4波長。因此，晶體內部的部分衍射光會發生破壞性干涉。這種抵消會導致橫向模式的強度峰值減弱並擴散。因此，當我們擴大鐳射的發射面積時，來自高階模式的光仍然會大量漏出，而不會發生振盪。
利用這種方法，我們製造了具備直徑1毫米圓形發射區域的PCSEL，並證明它在連續工況下可以產生10瓦的光束。此光束的發散度僅為1/10度，它比前一代200微米的光束更細長、更準直，亮度是傳統半導體鐳射器的3倍多。當然，我們的裝置還有一個優點，那就是能在單一模式下振盪，這是同等尺寸的傳統鐳射器無法做到的。
要提高PCSEL的亮度，還需要進一步的創新。直徑更大時，僅靠雙晶格方法不能充分抑制高階模式，因此它們會再次振盪。然而，我們已經觀察到，這些模式會使鐳射略微偏離，這引起了我們對背面反射器的注意。（想象一下在火腿和瑞士三明治底部鋪上一層錫紙的情形。）
在前幾代裝置中，這種反射器的作用僅僅是將向下衍射的光從鐳射器的發射面反射出來。透過調整其位置（以及光子晶體孔的間距和形狀），我們發現可以控制反射，使其與光子晶體層內振盪的二維駐波產生有效的干涉。本質上，這種干涉或耦合會導致分離波失去部分能量。分離波越偏斜，損失的光就越多。然後就再沒有高階模式了。
因此，2023年我們開發了一款PCSEL，其亮度為1 GW/cm2/ sr，可媲美氣體鐳射器和光纖鐳射器。它的發射直徑為3毫米，能夠在以高達50瓦的功率連續發射鐳射的同時保持光束髮散度僅為極小的1/20度。我們甚至可以用它來切割鋼材。當明亮、美麗的光束在100微米厚的金屬板上切割出一個圓盤時，我們整個實驗室的人擠在一起驚奇地見證了這一過程。
雖然切割鋼片的演示令人印象深刻，但PCSEL必須更加強大，才能參與工業市場中的競爭。例如，製造汽車零件需要千瓦級的光功率。
製造能夠處理這種功率的PCSEL應該相當簡單，要麼組裝9個3毫米的PCSEL陣列，要麼將我們現有裝置的發射區域擴大到1釐米。在這種尺寸下，高階模式將再次出現，從而降低光束質量。但由於其亮度仍然不亞於高功率氣體鐳射器和光纖鐳射器，這種千瓦級的PCSEL可能會開始取代體積更大的競爭對手。
要真正改變遊戲規則，1釐米的PCSEL需要透過抑制高階模式來升級。我們已經設計了一種方法，透過微調光子晶體結構和反射器的位置來實現該目標。雖然這一新方案尚未在實驗室測試，但我們的理論模型表明，PCSEL的亮度可以提高到10～100 GW/cm2/ sr。如果能從一個微小的封裝中發出如此集中的光，我們就可以製造各種獨特而複雜的產品。
特別是對於那些高功率應用，我們需要提高鐳射器的能效並改善熱管理。即使不進行任何最佳化，PCSEL的“插接”效率也已經達到30%至40%，超過了大多數二氧化碳鐳射器和光纖鐳射器。此外，我們已經找到了一條可以實現60%效率的途徑。熱管理方面，我們目前在實驗室使用的水冷技術應該足以滿足1000瓦、1釐米PCSEL的需要。
高亮度的PCSEL還可用於為自動駕駛汽車和機器人制造更小、更經濟的感測器系統。最近，我們使用500微米的PCSEL構建了一個鐳射雷達系統。在脈衝狀態下，我們以20瓦的功率執行，得到了非常明亮的光束。即使在30米的距離，光斑的大小也只有5釐米。對於沒有外部透鏡的緊湊型鐳射雷達系統而言，如此高的解析度是聞所未聞的。然後，我們把大約一個網路攝像頭大小的原型機安裝在了機器人推車上，並對其進行程式設計，讓它們跟著我們一個接一個地在工程大樓周圍走動。
在另一項研究中，我們證明了PCSEL可以發射多個光束，這些光束可以透過電子方式來控制，從而使其指向不同的方向。這種片上光束控制是透過改變光子晶體層中孔的位置和大小來實現的。最終，它可以取代鐳射雷達系統中的機械光束控制。如果同一晶片上也集成了光探測器，那麼這些全電子導航系統將非常小且成本低廉。
雖然不乏挑戰，但我們最終希望能製造出輸出功率超過10千瓦、光束亮度高達1000 GW/cm2/ sr的3釐米鐳射器，這種亮度比目前已有的任何鐳射器都要高。憑藉這種極高亮度，PCSEL可以取代體積巨大、耗電較高的二氧化碳鐳射器，用於產生極紫外光刻機所需的等離子脈衝，從而大大提高晶片製造效率。同樣，它們還有助於實現核聚變，這一過程包括向豌豆大小的燃料膠囊發射數萬億瓦特的鐳射功率。超高亮度的鐳射還給太空飛行帶來了光推進的可能性。由光推動的探測器不用花幾千年的時間，而只需幾十年便可到達遙遠的恆星。
這也許是老生常談，但對於人類智慧的下一個篇章，我們想不出比這更貼切的預言了：正如人們所說的那樣，未來是光明的。
作者：野田進、吉田昌廣、井上拓也
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