摘要：在日本"社会5.0"的宏伟蓝图中，人工智能机器人将接管农业、制造业和服务业的诸多工作，实现按需定制生产和智能化生活。然而，支撑这一未来愿景的关键技术之一——激光器，却一直面临着亮度不足的致命缺陷。如今，京都大学的科学家们通过突破性的光子晶体表面发射激光器（PC

在日本"社会5.0"的宏伟蓝图中，人工智能机器人将接管农业、制造业和服务业的诸多工作，实现按需定制生产和智能化生活。然而，支撑这一未来愿景的关键技术之一——激光器，却一直面临着亮度不足的致命缺陷。如今，京都大学的科学家们通过突破性的光子晶体表面发射激光器（PCSEL）技术，成功打造出能够熔化钢铁的超亮半导体激光器，有望彻底改变制造业和自动驾驶汽车行业的技术格局。

这项突破性研究解决了困扰半导体激光器几十年的核心问题：如何在保持小型化和低成本的同时，实现足以进行工业级材料加工的高亮度输出。传统半导体激光器的亮度通常只有100兆瓦/平方厘米/球面度，远低于材料加工所需的1千兆瓦/平方厘米/球面度阈值。而京都大学团队研发的PCSEL已经达到了1千兆瓦/平方厘米/球面度的亮度水平，足以与气体激光器和光纤激光器匹敌，并成功实现了钢材切割演示。

PCSEL技术的核心创新在于其独特的分层结构设计。如果将传统半导体激光器比作一个简单的三明治——两片"面包"（包层）中间夹着一片"火腿"（有源层），那么PCSEL相当于在这个三明治中加入了一层"瑞士奶酪"——一个布满纳米级孔洞的二维光子晶体层。

这层光子晶体的工作原理类似于自然界中蛋白石和孔雀羽毛产生绚丽色彩的机制。通过精确控制孔洞的间距和形状，科学家们能够操控光在激光器内部的传播路径，确保即使发射面积扩大，光也只能以基本模式振荡，从而产生既强又窄的高亮度光束。

研究团队的突破始于对一维分布式反馈激光器的改进。早在20世纪80年代，当时在三菱电机工作的野田进就开始探索含有光子晶体结构的激光器。他发现，当在激光器内部加入周期性的凹槽结构时，可以控制特定波长的光反射和振荡。这一发现为后来的二维光子晶体激光器奠定了基础。

在PCSEL的设计中，当工作波长为940纳米的砷化镓激光器产生内部波长约280纳米的光时，光子晶体层中的孔洞就像微小的镜子，将光向各个方向衍射。多重衍射的共同效应产生二维驻波，被有源层放大后向上和向下衍射，从激光器顶部产生单一波长的表面光束。

要实现更高的功率输出，就必须扩大激光器的发射面积。但这带来了一个新挑战：高阶横向模式的出现。就像富士山一样，理想的基本模式在中心有一个单一的强度峰值，而高阶模式则会产生两个、三个甚至更多的"富士山"，导致光束质量严重下降。

为了解决这一问题，研究团队开发了突破性的双晶格设计。他们在光子晶体层中加入了两组不同的孔洞：一组由圆形孔组成的方形晶格，另一组由椭圆形孔组成的方形晶格，两者相距1/4波长。这种设计使晶体内部的部分衍射光发生破坏性干涉，从而抑制高阶模式的振荡。

利用这种方法，团队成功制造出直径1毫米的圆形发射区域PCSEL，在连续工作状态下可产生10瓦的光束，发散度仅为1/10度。这种光束比前一代200微米设备更细长、更准直，亮度是传统半导体激光器的3倍多。

随着技术的不断发展，研究人员进一步探索了三晶格结构的可能性。最新的研究表明，通过更复杂的晶格设计，可以实现更低的阈值和更高的效率。这种三晶格PCSEL在1550纳米波长下展现出了优异的性能，为光通信应用开辟了新的可能性。

2023年，研究团队实现了决定性突破。他们开发出一款发射直径为3毫米的PCSEL，其亮度达到1千兆瓦/平方厘米/球面度，能够在50瓦的连续功率下工作，同时保持极小的1/20度光束发散度。更令人震撼的是，这台激光器成功切割了钢材。

"当明亮、美丽的光束在100微米厚的金属板上切割出一个圆盘时，我们整个实验室的人都挤在一起惊奇地见证了这一过程，"研究团队在论文中描述道。这一演示不仅证明了PCSEL技术的工业应用潜力，也标志着半导体激光器首次达到了工业级材料加工的亮度水平。

目前，工业材料加工市场主要由体积庞大的二氧化碳激光器和光纤激光器主导，这些设备往往像冰箱一样大，成本高昂且能效较低。相比之下，PCSEL不仅体积微小，其"插接"效率已达到30%-40%，超过了大多数传统工业激光器，未来甚至有望达到60%的效率水平。

更令人鼓舞的是，最新的研究显示单管PCSEL器件已经实现了高达110瓦的功率输出，这一突破性进展使得PCSEL在高功率工业应用领域的竞争力进一步增强。

除了工业加工应用，PCSEL技术在自动驾驶汽车的激光雷达系统中同样具有革命性意义。当前的顶级激光雷达系统需要使用100多台半导体激光器，并通过复杂的透镜装置来准直其发散光束，这种复杂性大大提高了成本，使激光雷达导航汽车对大多数消费者来说遥不可及。

研究团队使用500微米的PCSEL构建了一个激光雷达系统演示。在脉冲状态下，以20瓦功率运行，即使在30米距离，光斑大小也只有5厘米。对于没有外部透镜的紧凑型激光雷达系统而言，如此高的分辨率前所未有。他们将这个大约网络摄像头大小的原型机安装在机器人推车上，成功实现了跟随导航功能。

更令人兴奋的是，PCSEL还可以发射多个光束，这些光束可以通过电子方式控制方向。这种片上光束控制技术有望取代激光雷达系统中的机械光束控制，如果同时集成光探测器，这些全电子导航系统将变得非常小巧且成本低廉。

值得注意的是，随着DFB（分布式反馈）激光器逐渐接近其实际极限，PCSEL正成为下一代AI数据传输的主要竞争者。英国创业公司Vector Photonics等企业正在开发PCSEL产品，为每个AI芯片提供多达20个数据通道，这表明PCSEL技术在数据通信领域也具有巨大的应用潜力。

研究团队并未止步于当前的成果。他们已经设计出理论上能够将PCSEL亮度提高到10-100千兆瓦/平方厘米/球面度的新方案，虽然尚未在实验室测试，但理论模型显示这一目标完全可以实现。

如果成功制造出输出功率超过10千瓦、光束亮度高达1000千兆瓦/平方厘米/球面度的3厘米激光器，其应用前景将令人惊叹。这种超高亮度的激光器可以取代体积庞大的二氧化碳激光器用于芯片制造中的极紫外光刻，还可能应用于惯性约束核聚变等前沿科技领域。

人工智能技术的快速发展也为PCSEL的设计优化带来了新的机遇。先进的AI技术，特别是深度学习算法，正在被应用于光子晶体表面发射激光器的逆向设计中，这大大降低了传统设计中需要的物理学、材料科学和量子力学专业知识的人力成本。

更为令人兴奋的是太空应用前景。超高亮度激光器将使光推进技术成为可能，由光推动的太空探测器只需几十年而非几千年就能到达遥远的恒星。正如研究团队所说："对于人类智慧的下一个篇章，我们想不出比这更贴切的预言了——未来是光明的。"

从市场前景来看，根据最新的行业分析，2025-2029年光子晶体面发射激光器PCSEL市场将迎来快速发展期。随着研究的深入，光子晶体面发射激光器在亮度、功率、操作性等方面将得到进一步提升，预计将在多个高科技领域找到更广泛的应用。

来源：人工智能学家