2016年，日本政府宣布了一项旨在建立新型社会的计划。该提案解释说，人类文明始于狩猎采集者，经历了农业和工业阶段，并迅速接近信息时代的终结。正如时任首相安倍晋三所说，“我们现在见证了第五章的开启。”
本章名为Society 5.0，将介绍按需生产的商品和机器人看护人、出租车和拖拉机。许多将使其成为可能的创新，比如人工智能，可能是显而易见的。但有一项关键技术很容易被忽视：激光。
Society 5.0的激光器需要满足几个标准。它们必须足够小，可以安装在日常设备中。它们必须是低成本的，这样普通的金属工人或汽车购买者才能负担得起——这意味着它们也必须易于制造和高效使用能源。因为这个即将到来的时代将是大规模定制(而不是大规模生产)，所以它们必须具有高度的可控性和适应性。
半导体激光器似乎是完美的候选者，除了一个致命的缺陷：它们太暗了。激光亮度(定义为每单位立体角每单位面积的光功率)是衡量光离开激光器时的聚焦强度以及离开激光器时的发散程度的指标。材料加工(切割、焊接、钻孔)的阈值约为每平方厘米每球面度 1 吉瓦 (GW/cm 2 /sr)。然而，即使是最亮的商用半导体激光器的亮度也远远低于此。
亮度对于自主机器人和车辆中的光检测和测距(激光雷达)系统也很重要。这些系统不需要金属熔化功率，但为了远距离或高速进行精确测量，它们确实需要紧密聚焦的光束。当今的顶级激光雷达系统采用 100 多个半导体激光器，其固有的发散光束通过手动安装的复杂透镜装置进行准直。这种复杂性增加了成本，使激光雷达导航汽车对大多数消费者来说遥不可及。
当然，其他类型的激光器也可以产生超亮光束。例如，二氧化碳和 光纤激光器在工业应用市场中占据主导地位。但与斑点尺寸的半导体激光器相比，它们是巨大的。高功率CO 2激光器可以有冰箱那么大。它们也更昂贵、能源效率更低且更难以控制。
在过去的几十年里，我们京都大学的团队一直在开发一种新型半导体激光器，它突破了传统激光器的亮度上限。我们将其称为 光子晶体表面发射激光器，或 PCSEL(发音为“pick-cell”)。最近，我们制造了一种可以与气体和光纤激光器一样明亮的PCSEL。——亮度足以快速切割钢铁——并提出了一种亮度提高 10 到 100 倍的设计。此类设备可能会彻底改变制造业和汽车行业。如果我们、我们的合作公司以及世界各地的研究小组——例如台湾新竹的国立阳明交通大学;德克萨斯大学阿灵顿分校;和格拉斯哥大学——可以进一步提高 PCSEL 的亮度，它甚至可以为惯性约束核聚变和航天光推进等奇异应用打开大门。
PCSEL 的神奇之处在于其独特的结构。与任何半导体激光器一样，PCSEL 由一层薄薄的发光材料(称为有源层)组成，夹在包层之间。事实上，为了便于定位，将设备想象成一个真正的三明治是有帮助的——比方说在两片面包之间放一片火腿。
现在想象一下将三明治举到嘴边，就好像您要咬一口一样。如果你的三明治是传统的半导体激光器，它的光束将从远离你的远端辐射。该光束是通过使电流穿过活动“火腿”层中的条带而产生的。激发的火腿原子自发地释放光子，从而刺激相同光子的释放，从而放大光。然后，条纹两端的镜子会反复反射这些波;由于干扰和损耗，只有某些频率和空间模式(或模式)得以维持。当某种模式的增益超过损耗时，光就会以相干光束的形式出现，并且激光器被称为以该模式振荡。
这种标准条带方法的问题在于，在不牺牲光束质量的情况下很难增加输出功率。半导体激光器的功率受到其发射面积的限制，因为极度集中的光会对半导体造成灾难性的损坏。您可以通过加宽条纹来提供更多功率，这是所谓的大面积激光器所采用的策略。但更宽的条纹也为振荡光提供了采取之字形横向路径的空间，形成所谓的高阶横向模式。
您可以通过想象在输出光束的横截面上放置一个屏幕来可视化横向模式的强度图案。沿着条纹长度完美地来回反射的光形成基本(零级)模式，该模式在光束中心具有单个强度峰值。一阶模式，来自以一定角度反射到三明治边缘的光，有左右两个峰值;二阶模态，从较小的角度看，有一排三个峰，依此类推。对于每种高阶模式，激光器有效地作为较小发射器的组合运行，其较窄的孔径导致光束快速发散。因此，由此产生的横向模式的混合使得激光变得斑驳且漫射。
这些麻烦的模式就是为什么传统半导体激光器的亮度最大可达 100 MW/cm 2 /sr 左右。PCSEL 通过在三明治内添加另一层来处理不需要的模式：“瑞士奶酪”层。这种特殊的额外层是印有二维纳米级孔阵列的半导体片。通过调整孔的间距和形状，我们可以控制激光在激光器内部的传播，使其仅以基模振荡，即使发射面积扩大也是如此。其结果是光束既强大又狭窄，即明亮。
由于其内部物理特性，PCSEL 的工作方式与边缘发射激光器完全不同。例如，PCSEL 三明治发出的光束现在不会指向远离您的方向，而是向上辐射，穿过顶部的面包片。为了解释这种不寻常的发射，以及为什么 PCSEL 比其他半导体激光器亮几个数量级，我们必须首先描述瑞士奶酪的材料特性——实际上，这是一种称为光子晶体的迷人结构。
光子晶体的工作原理
光子晶体控制光流的方式类似于半导体控制电子流的方式。然而，光子晶体的晶格不是由原子组成，而是由较大的实体(例如孔、立方体或柱)雕刻而成，这些实体的排列使得折射率在光波长的范围内周期性变化。尽管人工建造这些奇妙材料的探索始于不到 40 年前，但科学家们后来发现它们已经存在于自然界中。例如，蛋白石、孔雀羽毛和一些蝴蝶翅膀的绚丽虹彩都归功于自然工程光子晶体中光的复杂作用。
了解光如何在光子晶体中移动是 PCSEL 设计的基础。我们可以通过研究晶体的光子能带结构来预测这种行为，该结构类似于半导体的电子能带结构。一种方法是绘制频率和波数(适合晶体晶格的一个晶胞内的波周期数)之间的关系。
光如何在光子晶体中移动
在由凹槽间距决定的某些波长下，光会折射通过每个界面并部分反射。重叠的反射结合起来形成不穿过晶体的驻波。
在 PCSEL 中使用的方形晶格中，气孔使光线向后和向侧面弯曲。多个此类衍射的组合产生了二维驻波。在 PCSEL 中，只有该波在有源层中被放大，从而产生单一波长的激光束。
例如，考虑由玻璃带和空气交替形成的简单一维光子晶体。进入晶体的光将折射通过每个界面并部分反射，产生重叠的光束，根据光的波长和方向相互增强或减弱。大多数波会穿过材料。但在某些点(称为奇点)，反射与入射波完美结合，形成驻波，该驻波不会传播。在这种情况下，当波从一个空气带到下一个空气带正好经历半个周期时，就会出现奇点。只要晶胞是半波长的整数倍，就存在其他奇点。
我们中的一位(Susumu Noda)在这些材料还没有名字之前就开始试验含有类似光子晶体结构的激光器。20 世纪 80 年代中期，他在三菱电机公司研究了一种称为分布式反馈 (DFB) 激光器的半导体激光器。DFB 激光器是一种基本的条带激光器，具有额外的内层，其中包含规则间隔的凹槽，其中填充有折射率略有不同的物质。这种周期性结构的行为有点像上面描述的一维光子晶体：它重复反射由凹槽间距决定的单一波长的光，从而出现驻波。因此，激光仅在该波长下振荡，这对于长距离光纤传输和高灵敏度光学传感至关重要。
钢切片机
凭借其光子晶体层，3 毫米 PCSEL 的亮度可与气体激光器和光纤激光器相媲美。这种二维纳米级孔阵列操纵激光器内部的光，产生强大而狭窄的表面光束。
正如三菱团队所证明的那样，DFB 激光器可以被诱使执行其他技巧。例如，当研究小组将凹槽间距设置为等于设备中的激光波长时，一些振荡光向上衍射，导致激光不仅从其活动条纹的微小前边缘发光，而且从条纹的顶部发光。然而，由于条纹宽度较窄，这种表面光束疯狂扇动，这也导致输出功率难以提高。
令野田感到失望的是，他的团队试图在不引起其他问题的情况下加宽条纹，从而提高亮度，但没有成功。然而，这些早期的失败引发了一个有趣的想法：如果可以在二维而不是一维上控制激光会怎么样?
提高亮度
后来，野田在京都大学领导了 2D 和 3D 光子晶体的研究，当时该领域刚刚兴起。1998 年，他的团队构建了第一个 PCSEL，此后我们针对各种功能(包括高亮度)改进了设计。
在基本的 PCSEL 中，光子晶体层是二维方形晶格：每个晶胞都是由四个孔界定的正方形。尽管二维光子晶体的能带结构比一维晶体的能带结构更复杂，但它同样揭示了我们期望形成驻波的奇点。对于我们的设备，我们利用了当相邻孔之间的距离为一个波长时出现的奇点。例如，工作波长为 940 纳米的砷化镓激光器的内部波长约为 280 纳米(考虑折射率和温度)。因此，基本砷化镓 PCSEL 中的孔间隔大约为 280 nm。
其工作原理是这样的：当有源层中产生该长度的波时，邻近光子晶体层中的孔就像微小的镜子一样，使光线向后和向侧面弯曲。多次此类衍射的综合效应会产生二维驻波，然后由有源层放大。一些振荡光也会向上和向下衍射，并从激光器顶部泄漏出来，产生单一波长的表面光束。
这种设计有效的一个关键原因是半导体和孔内空气之间的折射率差异较大。正如 Noda 在制造第一个设备时发现的那样，具有低折射率对比度的 PCSEL(如 DFB 激光器)不会相干振荡。与 DFB 激光器不同的是，PCSEL 的表面发射区域很宽并且通常是圆形的。因此，它可以产生发散度更低、质量更高的光束。
更强大的 PCSEL
与钢材切片演示一样令人印象深刻的是，PCSEL 必须更加强大才能在工业市场上竞争。例如，制造汽车零部件需要千瓦级的光功率。
构建能够处理这种功率的 PCSEL 应该相当简单 - 通过组装九个 3 毫米 PCSEL 的阵列或将我们当前设备的发射面积扩大到 1 厘米。在这个尺寸下，高阶模将再次出现，从而降低光束质量。但由于它们仍然像高功率气体和光纤激光器一样明亮，因此这种千瓦级 PCSEL 可能会开始取代体积更大的竞争对手。
为了真正改变游戏规则，1 厘米 PCSEL 需要通过抑制那些高阶模式来升级。我们已经设计了一种方法，通过微调光子晶体结构和反射器的位置来实现这一点。尽管我们尚未在实验室中测试这种新配方，但我们的理论模型表明它可以将 PCSEL 亮度提高至 10 至 100 GW/cm 2 /sr。想象一下，当可以从一个微小的封装中使用如此集中的光线时，可以制造出各种独特而复杂的产品。
特别是对于那些高功率应用，我们需要提高激光器的能源效率和热管理。即使没有任何优化，PCSEL 的“墙壁插头”效率也已达到 30% 至 40%，超过了大多数二氧化碳和光纤激光器。更重要的是，我们发现了一条我们认为可以实现 60% 效率的途径。至于热管理，我们今天在实验室使用的水冷技术对于 1,000W、1cm PCSEL 来说应该足够了。
高亮度 PCSEL 还可用于为自动驾驶汽车和机器人制造更小、更实惠的传感器系统。最近，我们使用 500 μm PCSEL 构建了激光雷达系统。在脉冲操作下，我们以大约 20 W 的功率运行它，并得到了非常明亮的光束。即使在 30 米处，光斑尺寸也只有 5 厘米。对于没有外部镜头的紧凑型激光雷达系统来说，如此高分辨率是闻所未闻的。然后，我们将原型(大约有网络摄像头大小)安装在机器人推车上，并对它们进行编程，使其在工程大楼周围跟随我们和彼此。
在另一项工作中，我们已经证明 PCSEL 可以发射多束光束，这些光束可以通过电子方式控制指向不同的方向。这种片上光束控制是通过改变光子晶体层中孔的位置和大小来实现的。最终，它可以取代激光雷达系统中的机械光束控制。如果光探测器也集成在同一芯片上，这些全电子导航系统将变得非常微型和低成本。
尽管这具有挑战性，但我们最终希望制造出输出功率超过 10 千瓦、光束强度高达 1,000 GW/cm 2 /sr 的 3 厘米激光器，比当今存在的任何激光器都更亮。在如此极端的亮度下，PCSEL 可以取代用于为极紫外光刻机产生等离子体脉冲的巨大且耗电的 CO 2激光器，从而使芯片制造更加高效。他们同样可以推进实现核聚变的努力，这一过程涉及向豌豆大小的燃料舱发射数万亿瓦的激光功率。异常明亮的激光还提高了航天光推进的可能性。由光驱动的探测器不需要花费数千年的时间才能到达遥远的恒星，而只需几十年的时间即可完成旅程。
这可能是陈词滥调，但对于人类创造力的下一个篇章，我们想不出更贴切的预测：正如他们所说，未来是光明的。
