日本將這一章為“社會5.0”，屆時將出現(xiàn)按需制造的商品、機器人看護、機器人出租車和機器人拖拉機。人工智能等諸多能夠?qū)崿F(xiàn)該目標(biāo)的創(chuàng)新技術(shù)日益受到重視，而激光則是一項很容易被忽視的關(guān)鍵技術(shù)。

社會5.0的激光器需滿足若干標(biāo)準(zhǔn)。它們必須足夠小巧，能夠安裝在日常設(shè)備中。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(fù)擔(dān)得起，這意味著它們還必須易于制造且能效高。由于大規(guī)模定制（而非大規(guī)模生產(chǎn)）的時代即將到來，它們還必須具有高度的可控性和適應(yīng)性。

半導(dǎo)體激光器似乎是最理想的選擇，但它們有一大致命缺陷——亮度太低。激光亮度是指單位面積內(nèi)每單位立體角的光功率，它是衡量光從激光器射出時的聚焦強度和光離開時的發(fā)散范圍的標(biāo)準(zhǔn)。切割、焊接、鉆孔等材料加工的閾值大約為1千兆瓦/平方厘米/球面度(GW/cm2/sr)。然而，即使是最亮的商用半導(dǎo)體激光器的亮度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個水平。

亮度對于自主機器人和自動駕駛車輛中的光探測和（激光雷達(dá)）測距系統(tǒng)也很重要。雖然這些系統(tǒng)不需要金屬熔化能力，但要在遠(yuǎn)距離或高速度下進(jìn)行精確測量，就需要高度聚焦的光束。當(dāng)今的頂級激光雷達(dá)系統(tǒng)采用了100多臺半導(dǎo)體激光器，其固有的發(fā)散光束可通過復(fù)雜的透鏡裝置進(jìn)行準(zhǔn)直。這種復(fù)雜性提高了成本，導(dǎo)致激光雷達(dá)導(dǎo)航汽車對大多數(shù)消費者而言遙不可及。

當(dāng)然，其他類型的激光器也能產(chǎn)生超亮光束，例如在工業(yè)應(yīng)用市場上占據(jù)主導(dǎo)地位的二氧化碳激光器和光纖激光器。但與微粒大小的半導(dǎo)體激光器相比，它們體積巨大，高功率二氧化碳激光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(xué)的團隊一直在開發(fā)一種新型的半導(dǎo)體激光器，這種激光器突破了傳統(tǒng)同類激光器的亮度上限。我們稱之為光子晶體表面發(fā)射激光器（PCSEL）。最近，我們制造了一種PCSEL，其亮度可與氣體激光器和光纖激光器媲美，足以快速切割鋼鐵，我們還提出了一種亮度達(dá)到當(dāng)前水平10到100倍的設(shè)計，這種設(shè)備能夠徹底改變制造業(yè)和汽車行業(yè)。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(xué)、美國的得克薩斯大學(xué)阿靈頓分校、英國的格拉斯哥大學(xué)）可進(jìn)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(jìn)等獨特應(yīng)用打開大門。

PCSEL的神奇之處在于其獨特的構(gòu)造。與其他半導(dǎo)體激光器一樣，PCSEL由夾在包層之間的一層薄薄的發(fā)光材料（稱為有源層）組成。為便于理解，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。

然后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(tǒng)的半導(dǎo)體激光器，它的光束會從遠(yuǎn)端輻射出來，遠(yuǎn)離你。這種光束是通過讓電流穿過有源“火腿”層中的條紋而產(chǎn)生的。被激發(fā)的“火腿”原子自發(fā)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。然后，條紋兩端的鏡子會反復(fù)反射這些光波；由于干涉和損耗，只有特定的頻率和空間形態(tài)（或模式）能夠持續(xù)。當(dāng)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(xiàn)，激光便會以該模式振蕩。

這種標(biāo)準(zhǔn)條紋方法的問題在于，它很難在不犧牲光束質(zhì)量的情況下提高輸出功率。極度集中的光線會對半導(dǎo)體造成災(zāi)難性的破壞，因此半導(dǎo)體激光器的功率受其發(fā)射面積的限制。通過加寬條紋可以實現(xiàn)更大功率，這便是所謂的寬面積激光器所使用的策略。但更寬的條紋也為振蕩光提供了走之字形側(cè)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屏幕，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(cè)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。對于高階模式，激光器實際上是作為較小發(fā)射器的組合而運行的，這些發(fā)射器的小孔徑會導(dǎo)致光束迅速發(fā)散。由此產(chǎn)生的橫向模式混合會使激光產(chǎn)生斑點和漫反射。

傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的最大亮度約為100 MW/cm2/sr，原因就在于這些麻煩的模式。通過在“三明治”中添加另一層“瑞士奶酪”層，PCSEL可處理不想要的模式。這個特殊的額外層是一個半導(dǎo)體片，上面印有二維納米級孔陣列。通過調(diào)整孔的間距和形狀，我們可以控制光在激光器內(nèi)部的傳播，這樣即使發(fā)射面積擴大，光也只能以基本模式振蕩。這樣產(chǎn)生的光束既強又窄，因而光束明亮。

由于其內(nèi)部物理特性，PCSEL的工作方式與邊緣發(fā)射激光器完全不同。例如，PCSEL“三明治”發(fā)出的光束現(xiàn)在不是遠(yuǎn)離你，而是向上輻射，穿過上方的“面包片”。要解釋這種不尋常的發(fā)射方式，以及為什么PCSEL的亮度能比其他半導(dǎo)體激光器高出幾個數(shù)量級，我們必須首先說明“瑞士奶酪”的材料特性，實際上，它是一種名為光子晶體的迷人結(jié)構(gòu)。

光子晶體控制光流動的方式與半導(dǎo)體控制電子流動的方式相似。然而，光子晶體的晶格并非原子，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范圍內(nèi)發(fā)生周期性變化。盡管人工制造這種神奇材料的探索始于不到40年前，但科學(xué)家們后來了解到，這些材料早已經(jīng)存在于自然界中。例如，蛋白石、孔雀羽毛和一些蝴蝶翅膀之所以能發(fā)出絢麗色彩，都要歸功于光在天然光子晶體中的復(fù)雜作用。

了解光在光子晶體中的運動方式是PCSEL的設(shè)計基礎(chǔ)。我們可以通過研究晶體的光子帶結(jié)構(gòu)（類似于半導(dǎo)體的電子能帶結(jié)構(gòu)）來預(yù)測這種行為。其中一種方法是繪制頻率和波數(shù)之間的關(guān)系，波數(shù)是晶體晶格中一個單元格內(nèi)的波周期數(shù)。

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(jìn)入晶體的光會通過每個界面折射并部分反射，從而產(chǎn)生重疊的光束，這些光束會根據(jù)光的波長和方向相互增強或削弱。雖然大多數(shù)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(jié)合，形成駐波，而駐波不會傳播。在此情況下，當(dāng)波從一條氣帶到另一條氣帶正好經(jīng)過半個周期時，就會出現(xiàn)奇點。只要單元格是波長一半的整數(shù)倍，就還有其他奇點。

我們中的野田進(jìn)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(jié)構(gòu)的激光器。20世紀(jì)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布式反饋（DFB）激光器的半導(dǎo)體激光器。分布式反饋激光器是一種基本的條紋激光器，它有一個額外的內(nèi)層，其中含有間隔規(guī)律的凹槽，凹槽中填充的物質(zhì)折射率略有不同。這種周期性結(jié)構(gòu)的行為有點像上文所述的一維光子晶體：它會重復(fù)反射由凹槽間距決定的單一波長的光，從而產(chǎn)生駐波。因此，激光僅以該波長振蕩，這對于遠(yuǎn)距離光纖傳輸和高靈敏度光學(xué)傳感至關(guān)重要。

正如三菱團隊所展示的那樣，分布式反饋激光器可以玩出其他花樣。例如，當(dāng)該團隊將凹槽間距設(shè)置為與設(shè)備中的激光波長相等時，部分振蕩光向上衍射，導(dǎo)致激光不僅會從其有源條紋的微小前緣發(fā)出，還會從條紋的頂部發(fā)出。然而，由于條紋的寬度較窄，這種表面光束的扇形區(qū)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，并未成功提高亮度。然而，這些早期的失敗孕育了一個有趣的想法：如果激光可以在二維空間而不是一維平面中進(jìn)行控制，那會怎樣呢？

后來在京都大學(xué)，野田領(lǐng)導(dǎo)了二維和三維光子晶體的研究，當(dāng)時該領(lǐng)域剛剛起步。1998年，他的團隊制造出第一臺PCSEL，此后，我們不斷對包括高亮度在內(nèi)的各種功能的設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)。

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(jié)構(gòu)比一維光子晶體復(fù)雜，但它同樣揭示了我們期望形成駐波的奇點。在該設(shè)備中，我們利用了相鄰孔之間的距離為一個波長時出現(xiàn)的奇點。例如，工作波長940納米的砷化鎵激光器的內(nèi)部波長約為280納米（考慮折射率和溫度），因此，在基礎(chǔ)的砷化鎵PCSEL中，孔間距約為280納米。

其工作原理如下：當(dāng)該長度的波在有源層中產(chǎn)生時，鄰近光子晶體層中的孔就像微小的鏡子一樣，將光向后或向側(cè)面彎曲。多重這種衍射的共同效應(yīng)會產(chǎn)生二維駐波，然后被有源層放大。其中一些振蕩光還會向上和向下衍射，并從激光器的頂部漏出，產(chǎn)生單一波長的表面光束。

這種設(shè)計之所以有效，關(guān)鍵在于半導(dǎo)體和孔內(nèi)空氣之間的折射率對比較大。正如野田在制造第一臺設(shè)備時所發(fā)現(xiàn)的那樣，折射率對比度較低的PCSEL（如分布式反饋激光器）不會產(chǎn)生相干振蕩。與分布式反饋激光器不同的是，PCSEL的表面發(fā)射區(qū)域很寬，通常是圓形。因此，它產(chǎn)生的光束發(fā)散度更低、質(zhì)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(fā)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(xù)工作，同時保持發(fā)散度僅為約2度的點狀光束。傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的光束發(fā)散度通常超過30度，與之相比，此PCSEL的性能相當(dāng)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(jù)我們的理論模型，使用單晶格設(shè)計的PCSEL大于200微米后便會引起令人煩惱的高階橫向模式。在PCSEL中，當(dāng)駐波的強度由于重復(fù)衍射產(chǎn)生的干涉圖案而以多種方式分布時，就會形成多種模式。在基本模式（理想模式）下，強度分布類似富士山，大部分振蕩光集中在晶格中心。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(dāng)激光的發(fā)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設(shè)備的兩側(cè)漏出，從而阻止了這些模式的振蕩和激光束的產(chǎn)生。但與傳統(tǒng)激光器一樣，擴大發(fā)射面積可以為更多的模式提供振蕩空間。

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(nèi)部的部分衍射光會發(fā)生破壞性干涉。這種抵消會導(dǎo)致橫向模式的強度峰值減弱并擴散。因此，當(dāng)我們擴大激光的發(fā)射面積時，來自高階模式的光仍然會大量漏出，而不會發(fā)生振蕩。

利用這種方法，我們制造了具備直徑1毫米圓形發(fā)射區(qū)域的PCSEL，并證明它在連續(xù)工況下可以產(chǎn)生10瓦的光束。此光束的發(fā)散度僅為1/10度，它比前一代200微米的光束更細(xì)長、更準(zhǔn)直，亮度是傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的3倍多。當(dāng)然，我們的裝置還有一個優(yōu)點，那就是能在單一模式下振蕩，這是同等尺寸的傳統(tǒng)激光器無法做到的。

要提高PCSEL的亮度，還需要進(jìn)一步的創(chuàng)新。直徑更大時，僅靠雙晶格方法不能充分抑制高階模式，因此它們會再次振蕩。然而，我們已經(jīng)觀察到，這些模式會使激光略微偏離，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。）

在前幾代設(shè)備中，這種反射器的作用僅僅是將向下衍射的光從激光器的發(fā)射面反射出來。通過調(diào)整其位置（以及光子晶體孔的間距和形狀），我們發(fā)現(xiàn)可以控制反射，使其與光子晶體層內(nèi)振蕩的二維駐波產(chǎn)生有效的干涉。本質(zhì)上，這種干涉或耦合會導(dǎo)致分離波失去部分能量。分離波越偏斜，損失的光就越多。然后就再沒有高階模式了。

因此，2023年我們開發(fā)了一款PCSEL，其亮度為1 GW/cm2/ sr，可媲美氣體激光器和光纖激光器。它的發(fā)射直徑為3毫米，能夠在以高達(dá)50瓦的功率連續(xù)發(fā)射激光的同時保持光束發(fā)散度僅為極小的1/20度。我們甚至可以用它來切割鋼材。當(dāng)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(yè)市場中的競爭。例如，制造汽車零件需要千瓦級的光功率。

制造能夠處理這種功率的PCSEL應(yīng)該相當(dāng)簡單，要么組裝9個3毫米的PCSEL陣列，要么將我們現(xiàn)有設(shè)備的發(fā)射區(qū)域擴大到1厘米。在這種尺寸下，高階模式將再次出現(xiàn)，從而降低光束質(zhì)量。但由于其亮度仍然不亞于高功率氣體激光器和光纖激光器，這種千瓦級的PCSEL可能會開始取代體積更大的競爭對手。

要真正改變游戲規(guī)則，1厘米的PCSEL需要通過抑制高階模式來升級。我們已經(jīng)設(shè)計了一種方法，通過微調(diào)光子晶體結(jié)構(gòu)和反射器的位置來實現(xiàn)該目標(biāo)。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(fā)出如此集中的光，我們就可以制造各種獨特而復(fù)雜的產(chǎn)品。

特別是對于那些高功率應(yīng)用，我們需要提高激光器的能效并改善熱管理。即使不進(jìn)行任何優(yōu)化，PCSEL的“插接”效率也已經(jīng)達(dá)到30%至40%，超過了大多數(shù)二氧化碳激光器和光纖激光器。此外，我們已經(jīng)找到了一條可以實現(xiàn)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(shù)應(yīng)該足以滿足1000瓦、1厘米PCSEL的需要。

高亮度的PCSEL還可用于為自動駕駛汽車和機器人制造更小、更經(jīng)濟的傳感器系統(tǒng)。最近，我們使用500微米的PCSEL構(gòu)建了一個激光雷達(dá)系統(tǒng)。在脈沖狀態(tài)下，我們以20瓦的功率運行，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厘米。對于沒有外部透鏡的緊湊型激光雷達(dá)系統(tǒng)而言，如此高的分辨率是聞所未聞的。然后，我們把大約一個網(wǎng)絡(luò)攝像頭大小的原型機安裝在了機器人推車上，并對其進(jìn)行編程，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(fā)射多個光束，這些光束可以通過電子方式來控制，從而使其指向不同的方向。這種片上光束控制是通過改變光子晶體層中孔的位置和大小來實現(xiàn)的。最終，它可以取代激光雷達(dá)系統(tǒng)中的機械光束控制。如果同一芯片上也集成了光探測器，那么這些全電子導(dǎo)航系統(tǒng)將非常小且成本低廉。

雖然不乏挑戰(zhàn)，但我們最終希望能制造出輸出功率超過10千瓦、光束亮度高達(dá)1000 GW/cm2/ sr的3厘米激光器，這種亮度比目前已有的任何激光器都要高。憑借這種極高亮度，PCSEL可以取代體積巨大、耗電較高的二氧化碳激光器，用于產(chǎn)生極紫外光刻機所需的等離子脈沖，從而大大提高芯片制造效率。同樣，它們還有助于實現(xiàn)核聚變，這一過程包括向豌豆大小的燃料膠囊發(fā)射數(shù)萬億瓦特的激光功率。超高亮度的激光還給太空飛行帶來了光推進(jìn)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(dá)遙遠(yuǎn)的恒星。

這也許是老生常談，但對于人類智慧的下一個篇章，我們想不出比這更貼切的預(yù)言了：正如人們所說的那樣，未來是光明的。

作者：野田進(jìn)、吉田昌廣、井上拓也