近年來隨著技術不斷發展，激光雷達的體(ti) 積、成本也在不斷降低，成為(wei) 了一種受到各行業(ye) 關(guan) 注的關(guan) 鍵技術。它的用途越發廣泛，可用於(yu) 自動駕駛汽車、大氣觀測使用的LiDAR傳(chuan) 感器，還可以用於(yu) 醫療保健（治療和檢查分析）、生物光子學等領域。在非熱精密切割、微創治療等激光加工、激光醫療場景的應用潛力也越來越大。與(yu) 此同時，市場對於(yu) 千瓦級高功率激光模組的需求也開始增加。

激光雷達有多種方案，比如LiDAR、MEMS（微機電）等等，其中LiDAR采用VCSEL（垂直腔麵發射激光器）光源，而MEMS則基於(yu) 固體(ti) 鐳射技術。然而，固態鐳射和VCSEL各有局限，前者功率高但體(ti) 積大，而後者體(ti) 積雖小，但功率也小。為(wei) 了解決(jue) 現有激光技術的局限，索尼研發了一種單片激光器，並宣稱這是世界上首個(ge) 峰值功率高達千瓦級（57.0千瓦）的激光方案。據悉，其體(ti) 積不到1立方毫米（相當於(yu) 固體(ti) 鐳射的1/1000倍），輸出脈衝(chong) 持續時間為(wei) 450皮秒，強度是半導體(ti) 激光1000倍。

與(yu) 傳(chuan) 統的固態鐳射方案相比，索尼的激光模組的排列更簡單，結合了半導體(ti) 和固態鐳射模組的結構，可以很好的滿足LiDAR對於(yu) 尺寸小巧、高功率激光源的需求。另外，小尺寸激光單元可並列排列在一個(ge) 芯片中，並利用現有的半導體(ti) 光刻工藝，實現高精度的陣列排列（微米級）。

索尼表示：目前市場上還沒有可以滿足這一需求的其他激光技術，盡管高功率激光模組的可用性已經在實驗室得到驗證，但在投入市場時還需要考慮成本、尺寸的限製。而如果這種小尺寸、高功率的超短激光光源能以低成本量產(chan) ，將為(wei) 高功率激光行業(ye) 帶來一場革命。

應用場景方麵，該技術可用於(yu) 開發更好的LiDAR傳(chuan) 感器，用於(yu) 自動駕駛汽車、無人機、機器人、3D傳(chuan) 感、AR/VR等場景。

縮減激光腔的尺寸

迄今為(wei) 止，市麵上的高功率激光光源方案僅(jin) 限於(yu) 固態鐳射模組，比如碟片激光、光纖激光器、微晶片鐳射等等。固態鐳射由於(yu) 載流子壽命長（微秒到毫秒級），所以可輸出高功率脈衝(chong) 。然而，固態鐳射晶體(ti) 需要用外部激光來激活，因此硬件係統尺寸大，而且需要手動組裝。通常，一台固態鐳射係統的成本可達數百萬(wan) 日元（約合人民幣5萬(wan) 元），高成本限製了這項技術的廣泛應用。

另一方麵，半導體(ti) 激光方案的效率更高，由於(yu) 它可以用電流激活，因此尺寸也可以縮小到1平方毫米以下，而且可使用現有的半導體(ti) 工藝批量生產(chan) 。不過，半導體(ti) 激光的載流子壽命短，僅(jin) 為(wei) 納秒級，因此難以輸出高功率。

圖1：y軸為(wei) 峰值功率，x軸為(wei) 激光腔大小，激光模組尺寸越小、輸出功率越小

為(wei) 了解決(jue) 激光技術的功率和尺寸限製，在2018年，索尼開始嚐試設計一種體(ti) 積像半導體(ti) 激光器那樣緊湊，且輸出功率足夠高的激光晶體(ti) 。

突破點：腔體(ti) 重疊

於(yu) 是，索尼將固態鐳射與(yu) 半導體(ti) 激光方案融合，打造了一種更加緊湊、峰值功率更高的激光技術。這項技術的核心是一種由固態和半導體(ti) 激光器組成的單片激光器，以及將VCSEL（垂直腔麵發射激光器）作為(wei) 激活光源，並將VCSEL和固態鐳射器（被動調Q激光）的空腔重疊。

圖2：藍色箭頭範圍為(wei) VCSEL腔（第一個(ge) 腔），紅色箭頭表示被動調Q激光腔（第二個(ge) 腔），兩(liang) 個(ge) 腔為(wei) 光學耦合結構

這種結構有兩(liang) 個(ge) 優(you) 點，第一，固態鐳射晶體(ti) 會(hui) 吸收激光熱量，從(cong) 而改變折射率，使激光束更聚集。這樣一來，便降低了固態鐳射對聚焦透鏡的需求。

其二，由於(yu) 固態鐳射晶體(ti) 在VCSEL腔體(ti) 內(nei) 被激活，即使晶體(ti) 的單程吸收率低，泵浦激光也能被高效吸收。如此一來，固態鐳射晶體(ti) 的厚度可縮減到現有切割工藝能達到的水平，並且可以通過現有的半導體(ti) 製造工藝來生產(chan) 單個(ge) 激光器。

左：傳(chuan) 統高功率激光結構；右：索尼方案的結構圖

換句話說，腔體(ti) 重疊後，VCSEL腔的內(nei) 部電場可激活固態鐳射介質，無需聚光光學係統。另外，這種方案更容易批量生產(chan) ，無需光學對準，利用現有的晶圓工藝，就能批量生產(chan) 芯片尺寸的高功率激光器。相比之下，傳(chuan) 統的固體(ti) 鐳射模組的多組件需要調節空間位置，精度要達到微米級別，製造難度更高。

圖4：固態鐳射基板粘合在半導體(ti) 激光基板頂部，接著將晶圓切割成單獨的晶體(ti) ，然後進行接線、安裝和封裝

據了解，索尼對半導體(ti) 器件的研發、安裝和製造工藝有深入的了解，其團隊擁有固體(ti) 鐳射和半導體(ti) 激光領域的專(zhuan) 家，他們(men) 從(cong) 2019年4月就開始嚐試將VCSEL和固態鐳射融合的新型激光技術，從(cong) 確認激光振蕩到研發單片模型，大約用了一年。在研發過程中，科研人員考慮了激光模組受電、光、熱等因素的影響，以確保最終的量產(chan) 。

圖5：索尼的激光方案比傳(chuan) 統固態鐳射和VCSEL方案更好