日本將這一章為“社會(huì)5.0”，屆時(shí)將出現(xiàn)按需制造的商品、機(jī)器人看護(hù)、機(jī)器人出租車和機(jī)器人拖拉機(jī)。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(xiàng)很容易被忽視的關(guān)鍵技術(shù)。

社會(huì)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(shí)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(shí)的聚焦強(qiáng)度和光離開時(shí)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(gè)水平。

亮度對于自主機(jī)器人和自動(dòng)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(fèi)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(tuán)隊(duì)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(jì)，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(dú)特應(yīng)用打開大門。

PCSEL的神奇之處在于其獨(dú)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(gè)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(huì)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(huì)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(huì)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(shí)，光就會(huì)以相干光束的形式出現(xiàn)，激光便會(huì)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(huì)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(shí)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(gè)屏幕，這樣就可以直觀地看到橫向模式的強(qiáng)度圖樣。光沿著條紋的延伸方向完美地來回反射，會(huì)形成基本（零階）模式，在光束的中心有一個(gè)單一的強(qiáng)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(gè)峰值；二階模式來自較小角度的光，有一排三個(gè)峰值，以此類推。對于高階模式，激光器實(shí)際上是作為較小發(fā)射器的組合而運(yùn)行的，這些發(fā)射器的小孔徑會(huì)導(dǎo)致光束迅速發(fā)散。由此產(chǎn)生的橫向模式混合會(huì)使激光產(chǎn)生斑點(diǎn)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(gè)特殊的額外層是一個(gè)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(kuò)大，光也只能以基本模式振蕩。這樣產(chǎn)生的光束既強(qiáng)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(gè)數(shù)量級，我們必須首先說明“瑞士奶酪”的材料特性，實(shí)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(dòng)的方式與半導(dǎo)體控制電子流動(dòng)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(shí)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?dú)w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(yùn)動(dòng)方式是PCSEL的設(shè)計(jì)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(gè)單元格內(nèi)的波周期數(shù)。

舉例而言，一個(gè)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(huì)通過每個(gè)界面折射并部分反射，從而產(chǎn)生重疊的光束，這些光束會(huì)根據(jù)光的波長和方向相互增強(qiáng)或削弱。雖然大多數(shù)波都將穿過材料，但在某些點(diǎn)，也就是所謂的奇點(diǎn)，反射波與入射波完美結(jié)合，形成駐波，而駐波不會(huì)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(gè)周期時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)奇點(diǎn)。只要單元格是波長一半的整數(shù)倍，就還有其他奇點(diǎn)。

我們中的野田進(jìn)在這種材料還沒有名字的時(shí)候就開始試驗(yàn)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(jī)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(gè)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(diǎn)像上文所述的一維光子晶體：它會(huì)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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)將凹槽間距設(shè)置為與設(shè)備中的激光波長相等時(shí)，部分振蕩光向上衍射，導(dǎo)致激光不僅會(huì)從其有源條紋的微小前緣發(fā)出，還會(huì)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(tuán)隊(duì)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(gè)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(huì)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(shí)該領(lǐng)域剛剛起步。1998年，他的團(tuán)隊(duì)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(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。

在基本的PCSEL中，光子晶體層是一個(gè)二維方形晶格：每個(gè)單元格都是一個(gè)由四個(gè)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(diǎn)。在該設(shè)備中，我們利用了相鄰孔之間的距離為一個(gè)波長時(shí)出現(xiàn)的奇點(diǎn)。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(shí)，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(huì)產(chǎn)生二維駐波，然后被有源層放大。其中一些振蕩光還會(huì)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(jì)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(shí)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(huì)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(bào)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(shí)保持發(fā)散度僅為約2度的點(diǎn)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(jì)的PCSEL大于200微米后便會(huì)引起令人煩惱的高階橫向模式。在PCSEL中，當(dāng)駐波的強(qiáng)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(shí)，就會(huì)形成多種模式。在基本模式（理想模式）下，強(qiáng)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(shí)，每個(gè)高階模式都有兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多的“富士山”。因此，當(dāng)激光的發(fā)射面積相對較小時(shí)，高階模式的強(qiáng)度峰值便會(huì)靠近晶格的外圍。所以其大部分光都會(huì)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(kuò)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(gè)由圓形孔組成的方形晶格與另一個(gè)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(huì)發(fā)生破壞性干涉。這種抵消會(huì)導(dǎo)致橫向模式的強(qiáng)度峰值減弱并擴(kuò)散。因此，當(dāng)我們擴(kuò)大激光的發(fā)射面積時(shí)，來自高階模式的光仍然會(huì)大量漏出，而不會(huì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)，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(shí)，僅靠雙晶格方法不能充分抑制高階模式，因此它們會(huì)再次振蕩。然而，我們已經(jīng)觀察到，這些模式會(huì)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(huì)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?zèng)]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(shí)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(gè)圓盤時(shí)，我們整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(gè)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(kuò)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(huì)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(jì)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(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。雖然這一新方案尚未在實(shí)驗(yàn)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(gè)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(dú)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(shí)現(xiàn)60%效率的途徑。熱管理方面，我們目前在實(shí)驗(yàn)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(dòng)駕駛汽車和機(jī)器人制造更小、更經(jīng)濟(jì)的傳感器系統(tǒng)。最近，我們使用500微米的PCSEL構(gòu)建了一個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)。在脈沖狀態(tài)下，我們以20瓦的功率運(yùn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭大小的原型機(jī)安裝在了機(jī)器人推車上，并對其進(jìn)行編程，讓它們跟著我們一個(gè)接一個(gè)地在工程大樓周圍走動(dòng)。

在另一項(xiàng)研究中，我們證明了PCSEL可以發(fā)射多個(gè)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(shí)現(xiàn)的。最終，它可以取代激光雷達(dá)系統(tǒng)中的機(jī)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(jī)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(shí)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(dòng)的探測器不用花幾千年的時(shí)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(gè)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