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(fā)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(xué)的一組研究人員，由IEEE Fellow Susumu Noda領(lǐng)導，通過(guò)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(wú)法將其放大，以提供足夠亮的光束，用于實(shí)際的金屬切割和加工。

（亮度是一個(gè)包括激光器輸出功率和光束質(zhì)量的品質(zhì)因數，它涵蓋了光束聚焦的程度或發(fā)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(jīng)在PCSEL上工作了20多年，他們能夠開(kāi)發(fā)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(lèi)似的增長(cháng)。這種新型激光器的亮度約為1 GW/cm2/str，現在已經(jīng)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(chē)行業(yè)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(jìn)。

增加光子晶體激光器的尺寸和亮度并非沒(méi)有挑戰。具體地說(shuō)，半導體激光器在其****面積擴大時(shí)會(huì )遇到問(wèn)題。較大的激光****面積意味著(zhù)有空間讓光在****方向和橫向振蕩。

這些被稱(chēng)為高階模式的橫向振蕩會(huì )破壞光束的質(zhì)量。此外，如果激光器連續工作，激光器內部的熱量會(huì )改變器件的折射率，導致光束質(zhì)量進(jìn)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(jìn)行單模振蕩，并補償熱破壞。這兩個(gè)變化使PCSEL即使在連續工作的同時(shí)也能保持遠光質(zhì)量。

SUSUMA NODA

在典型的光子晶體激光器中，與周?chē)雽w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(cháng)間隔為激光波長(cháng)的四分之一。這些偏轉會(huì )導致高階模的損耗，從而產(chǎn)生幾乎不發(fā)散的高質(zhì)量光束。

這一概念對于1毫米激光器來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠好了，但將其擴展到3毫米需要進(jìn)一步的獨創(chuàng )性。為了允許在大面積上進(jìn)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(fā)散的問(wèn)題。解決這個(gè)問(wèn)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(mǎn)功率時(shí)處于正確的位置。

SUSUMA NODA

Noda和他的團隊在京都大學(xué)建立了1000平方米的光子晶體表面****激光器卓越中心，超過(guò)85家公司和研究所參與了PCSEL技術(shù)的開(kāi)發(fā)。該團隊正在將其PCSEL設計工業(yè)化，以進(jìn)行大規模生產(chǎn)。

作為這一過(guò)程的一部分，他們已經(jīng)從用電子束光刻技術(shù)制造光子晶體轉變?yōu)橛眉{米壓印光刻技術(shù)制造。電子束光刻是精確的，但對于大規模制造來(lái)說(shuō)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(chuàng )建非常規則的圖案方面很有用。

Noda解釋說(shuō)，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(chǎn)生1千瓦的輸出功率，盡管使用3毫米PCSEL陣列也可以實(shí)現這一目標。他預計，制造3毫米設備的相同技術(shù)可以用于擴展到10毫米?！跋嗤脑O計就足夠了，”Noda說(shuō)。

德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校PCSEL研究員Weidong Zhou表示，他對最新進(jìn)展感到興奮，也意識到進(jìn)一步擴大該設備規模的挑戰。他說(shuō)：“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(mǎn)信心?！拔艺J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(jīng)是一個(gè)相當大的突破?！?/p>

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