日本將這一章為(wei) “社會(hui) 5.0”，屆時將出現按需製造的商品、機器人看護、機器人出租車和機器人拖拉機。人工智能等諸多能夠實現該目標的創新技術日益受到重視，而激光則是一項很容易被忽視的關(guan) 鍵技術。

社會(hui) 5.0的激光器需滿足若幹標準。它們(men) 必須足夠小巧，能夠安裝在日常設備中。它們(men) 必須成本低廉，讓普通金屬加工工人或汽車購買(mai) 者能夠負擔得起，這意味著它們(men) 還必須易於(yu) 製造且能效高。由於(yu) 大規模定製（而非大規模生產(chan) ）的時代即將到來，它們(men) 還必須具有高度的可控性和適應性。

半導體(ti) 激光器似乎是最理想的選擇，但它們(men) 有一大致命缺陷——亮度太低。激光亮度是指單位麵積內(nei) 每單位立體(ti) 角的光功率，它是衡量光從(cong) 激光器射出時的聚焦強度和光離開時的發散範圍的標準。切割、焊接、鑽孔等材料加工的閾值大約為(wei) 1千兆瓦/平方厘米/球麵度(GW/cm2/sr)。然而，即使是最亮的商用半導體(ti) 激光器的亮度也遠遠低於(yu) 這個(ge) 水平。

亮度對於(yu) 自主機器人和自動駕駛車輛中的光探測和（激光雷達）測距係統也很重要。雖然這些係統不需要金屬熔化能力，但要在遠距離或高速度下進行精確測量，就需要高度聚焦的光束。當今的頂級激光雷達係統采用了100多台半導體(ti) 激光器，其固有的發散光束可通過複雜的透鏡裝置進行準直。這種複雜性提高了成本，導致激光雷達導航汽車對大多數消費者而言遙不可及。

當然，其他類型的激光器也能產(chan) 生超亮光束，例如在工業(ye) 應用市場上占據主導地位的二氧化碳激光器和光纖激光器。但與(yu) 微粒大小的半導體(ti) 激光器相比，它們(men) 體(ti) 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(men) 也更昂貴、能效更低、更難控製。

過去幾十年間，我們(men) 在日本京都大學的團隊一直在開發一種新型的半導體(ti) 激光器，這種激光器突破了傳(chuan) 統同類激光器的亮度上限。我們(men) 稱之為(wei) 光子晶體(ti) 表麵發射激光器（PCSEL）。最近，我們(men) 製造了一種PCSEL，其亮度可與(yu) 氣體(ti) 激光器和光纖激光器媲美，足以快速切割鋼鐵，我們(men) 還提出了一種亮度達到當前水平10到100倍的設計，這種設備能夠徹底改變製造業(ye) 和汽車行業(ye) 。如果我們(men) 和世界各地的合作公司、研究小組（如中國台灣的陽明交通大學、美國的得克薩斯大學阿靈頓分校、英國的格拉斯哥大學）可進一步提高PCSEL的亮度，它甚至可以為(wei) 慣性約束核聚變、太空飛行的光推進等獨特應用打開大門。

PCSEL的神奇之處在於(yu) 其獨特的構造。與(yu) 其他半導體(ti) 激光器一樣，PCSEL由夾在包層之間的一層薄薄的發光材料（稱為(wei) 有源層）組成。為(wei) 便於(yu) 理解，我們(men) 可以將該裝置想象成一個(ge) 字麵意義(yi) 上的三明治，比如兩(liang) 片麵包之間夾著一片火腿。

然後可以想象把三明治舉(ju) 到嘴邊要咬一口的情景。如果你的三明治是傳(chuan) 統的半導體(ti) 激光器，它的光束會(hui) 從(cong) 遠端輻射出來，遠離你。這種光束是通過讓電流穿過有源“火腿”層中的條紋而產(chan) 生的。被激發的“火腿”原子自發地釋放出光子，光子會(hui) 刺激釋放出相同的光子，從(cong) 而放大光束。然後，條紋兩(liang) 端的鏡子會(hui) 反複反射這些光波；由於(yu) 幹涉和損耗，隻有特定的頻率和空間形態（或模式）能夠持續。當某一模式的增益超過損耗時，光就會(hui) 以相幹光束的形式出現，激光便會(hui) 以該模式振蕩。

這種標準條紋方法的問題在於(yu) ，它很難在不犧牲光束質量的情況下提高輸出功率。極度集中的光線會(hui) 對半導體(ti) 造成災難性的破壞，因此半導體(ti) 激光器的功率受其發射麵積的限製。通過加寬條紋可以實現更大功率，這便是所謂的寬麵積激光器所使用的策略。但更寬的條紋也為(wei) 振蕩光提供了走之字形側(ce) 向路徑的空間，從(cong) 而形成所謂的高階橫向模式。

可以想象在輸出光束的橫截麵上放置一個(ge) 屏幕，這樣就可以直觀地看到橫向模式的強度圖樣。光沿著條紋的延伸方向完美地來回反射，會(hui) 形成基本（零階）模式，在光束的中心有一個(ge) 單一的強度峰值。一階模式來自與(yu) 夾層邊緣呈一定角度反射的光，在左右兩(liang) 側(ce) 有兩(liang) 個(ge) 峰值；二階模式來自較小角度的光，有一排三個(ge) 峰值，以此類推。對於(yu) 高階模式，激光器實際上是作為(wei) 較小發射器的組合而運行的，這些發射器的小孔徑會(hui) 導致光束迅速發散。由此產(chan) 生的橫向模式混合會(hui) 使激光產(chan) 生斑點和漫反射。

傳(chuan) 統半導體(ti) 激光器的最大亮度約為(wei) 100 MW/cm2/sr，原因就在於(yu) 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(ge) 特殊的額外層是一個(ge) 半導體(ti) 片，上麵印有二維納米級孔陣列。通過調整孔的間距和形狀，我們(men) 可以控製光在激光器內(nei) 部的傳(chuan) 播，這樣即使發射麵積擴大，光也隻能以基本模式振蕩。這樣產(chan) 生的光束既強又窄，因而光束明亮。

由於(yu) 其內(nei) 部物理特性，PCSEL的工作方式與(yu) 邊緣發射激光器完全不同。例如，PCSEL“三明治”發出的光束現在不是遠離你，而是向上輻射，穿過上方的“麵包片”。要解釋這種不尋常的發射方式，以及為(wei) 什麽(me) PCSEL的亮度能比其他半導體(ti) 激光器高出幾個(ge) 數量級，我們(men) 必須首先說明“瑞士奶酪”的材料特性，實際上，它是一種名為(wei) 光子晶體(ti) 的迷人結構。

光子晶體(ti) 控製光流動的方式與(yu) 半導體(ti) 控製電子流動的方式相似。然而，光子晶體(ti) 的晶格並非原子，而是由更大的實體(ti) （如孔、立方體(ti) 或柱體(ti) ）雕刻而成，其排列方式可使折射率在光波長的範圍內(nei) 發生周期性變化。盡管人工製造這種神奇材料的探索始於(yu) 不到40年前，但科學家們(men) 後來了解到，這些材料早已經存在於(yu) 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出絢麗(li) 色彩，都要歸功於(yu) 光在天然光子晶體(ti) 中的複雜作用。

了解光在光子晶體(ti) 中的運動方式是PCSEL的設計基礎。我們(men) 可以通過研究晶體(ti) 的光子帶結構（類似於(yu) 半導體(ti) 的電子能帶結構）來預測這種行為(wei) 。其中一種方法是繪製頻率和波數之間的關(guan) 係，波數是晶體(ti) 晶格中一個(ge) 單元格內(nei) 的波周期數。

舉(ju) 例而言，一個(ge) 簡單的一維光子晶體(ti) 由玻璃和空氣帶交替形成。進入晶體(ti) 的光會(hui) 通過每個(ge) 界麵折射並部分反射，從(cong) 而產(chan) 生重疊的光束，這些光束會(hui) 根據光的波長和方向相互增強或削弱。雖然大多數波都將穿過材料，但在某些點，也就是所謂的奇點，反射波與(yu) 入射波完美結合，形成駐波，而駐波不會(hui) 傳(chuan) 播。在此情況下，當波從(cong) 一條氣帶到另一條氣帶正好經過半個(ge) 周期時，就會(hui) 出現奇點。隻要單元格是波長一半的整數倍，就還有其他奇點。

我們(men) 中的野田進在這種材料還沒有名字的時候就開始試驗含有光子晶體(ti) 結構的激光器。20世紀80年代中期，在三菱電機公司工作期間，他研究了一種名為(wei) 分布式反饋（DFB）激光器的半導體(ti) 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(ge) 額外的內(nei) 層，其中含有間隔規律的凹槽，凹槽中填充的物質折射率略有不同。這種周期性結構的行為(wei) 有點像上文所述的一維光子晶體(ti) ：它會(hui) 重複反射由凹槽間距決(jue) 定的單一波長的光，從(cong) 而產(chan) 生駐波。因此，激光僅(jin) 以該波長振蕩，這對於(yu) 遠距離光纖傳(chuan) 輸和高靈敏度光學傳(chuan) 感至關(guan) 重要。

正如三菱團隊所展示的那樣，分布式反饋激光器可以玩出其他花樣。例如，當該團隊將凹槽間距設置為(wei) 與(yu) 設備中的激光波長相等時，部分振蕩光向上衍射，導致激光不僅(jin) 會(hui) 從(cong) 其有源條紋的微小前緣發出，還會(hui) 從(cong) 條紋的頂部發出。然而，由於(yu) 條紋的寬度較窄，這種表麵光束的扇形區域很大，因此難以提高輸出功率。

讓野田失望的是，他的團隊試圖在不引起其他問題的情況下拓寬條紋，並未成功提高亮度。然而，這些早期的失敗孕育了一個(ge) 有趣的想法：如果激光可以在二維空間而不是一維平麵中進行控製，那會(hui) 怎樣呢？

後來在京都大學，野田領導了二維和三維光子晶體(ti) 的研究，當時該領域剛剛起步。1998年，他的團隊製造出第一台PCSEL，此後，我們(men) 不斷對包括高亮度在內(nei) 的各種功能的設計進行了改進。

在基本的PCSEL中，光子晶體(ti) 層是一個(ge) 二維方形晶格：每個(ge) 單元格都是一個(ge) 由四個(ge) 孔劃定的正方形。雖然二維光子晶體(ti) 的能帶結構比一維光子晶體(ti) 複雜，但它同樣揭示了我們(men) 期望形成駐波的奇點。在該設備中，我們(men) 利用了相鄰孔之間的距離為(wei) 一個(ge) 波長時出現的奇點。例如，工作波長940納米的砷化镓激光器的內(nei) 部波長約為(wei) 280納米（考慮折射率和溫度），因此，在基礎的砷化镓PCSEL中，孔間距約為(wei) 280納米。

其工作原理如下：當該長度的波在有源層中產(chan) 生時，鄰近光子晶體(ti) 層中的孔就像微小的鏡子一樣，將光向後或向側(ce) 麵彎曲。多重這種衍射的共同效應會(hui) 產(chan) 生二維駐波，然後被有源層放大。其中一些振蕩光還會(hui) 向上和向下衍射，並從(cong) 激光器的頂部漏出，產(chan) 生單一波長的表麵光束。

這種設計之所以有效，關(guan) 鍵在於(yu) 半導體(ti) 和孔內(nei) 空氣之間的折射率對比較大。正如野田在製造第一台設備時所發現的那樣，折射率對比度較低的PCSEL（如分布式反饋激光器）不會(hui) 產(chan) 生相幹振蕩。與(yu) 分布式反饋激光器不同的是，PCSEL的表麵發射區域很寬，通常是圓形。因此，它產(chan) 生的光束發散度更低、質量更高。

2014年，我們(men) 的研究小組報告表明，一種具有三角形孔方形晶格、發射麵積為(wei) 200微米×200微米的PCSEL可以在大約1瓦的功率下連續工作，同時保持發散度僅(jin) 為(wei) 約2度的點狀光束。傳(chuan) 統半導體(ti) 激光器的光束發散度通常超過30度，與(yu) 之相比，此PCSEL的性能相當出色。下一步是提高光功率，為(wei) 此我們(men) 需要更大的裝置。但我們(men) 在這方麵遇到了障礙。

根據我們(men) 的理論模型，使用單晶格設計的PCSEL大於(yu) 200微米後便會(hui) 引起令人煩惱的高階橫向模式。在PCSEL中，當駐波的強度由於(yu) 重複衍射產(chan) 生的幹涉圖案而以多種方式分布時，就會(hui) 形成多種模式。在基本模式（理想模式）下，強度分布類似富士山，大部分振蕩光集中在晶格中心。與(yu) 此同時，每個(ge) 高階模式都有兩(liang) 個(ge) 、三個(ge) 、四個(ge) 或更多的“富士山”。因此，當激光的發射麵積相對較小時，高階模式的強度峰值便會(hui) 靠近晶格的外圍。所以其大部分光都會(hui) 從(cong) 設備的兩(liang) 側(ce) 漏出，從(cong) 而阻止了這些模式的振蕩和激光束的產(chan) 生。但與(yu) 傳(chuan) 統激光器一樣，擴大發射麵積可以為(wei) 更多的模式提供振蕩空間。

為(wei) 解決(jue) 這一問題，我們(men) 在光子晶體(ti) 層上又增加了一組孔，形成了雙晶格。在我們(men) 最成功的版本中，一個(ge) 由圓形孔組成的方形晶格與(yu) 另一個(ge) 由橢圓形孔組成的方形晶格相距1/4波長。因此，晶體(ti) 內(nei) 部的部分衍射光會(hui) 發生破壞性幹涉。這種抵消會(hui) 導致橫向模式的強度峰值減弱並擴散。因此，當我們(men) 擴大激光的發射麵積時，來自高階模式的光仍然會(hui) 大量漏出，而不會(hui) 發生振蕩。

利用這種方法，我們(men) 製造了具備直徑1毫米圓形發射區域的PCSEL，並證明它在連續工況下可以產(chan) 生10瓦的光束。此光束的發散度僅(jin) 為(wei) 1/10度，它比前一代200微米的光束更細長、更準直，亮度是傳(chuan) 統半導體(ti) 激光器的3倍多。當然，我們(men) 的裝置還有一個(ge) 優(you) 點，那就是能在單一模式下振蕩，這是同等尺寸的傳(chuan) 統激光器無法做到的。

要提高PCSEL的亮度，還需要進一步的創新。直徑更大時，僅(jin) 靠雙晶格方法不能充分抑製高階模式，因此它們(men) 會(hui) 再次振蕩。然而，我們(men) 已經觀察到，這些模式會(hui) 使激光略微偏離，這引起了我們(men) 對背麵反射器的注意。（想象一下在火腿和瑞士三明治底部鋪上一層錫紙的情形。）

在前幾代設備中，這種反射器的作用僅(jin) 僅(jin) 是將向下衍射的光從(cong) 激光器的發射麵反射出來。通過調整其位置（以及光子晶體(ti) 孔的間距和形狀），我們(men) 發現可以控製反射，使其與(yu) 光子晶體(ti) 層內(nei) 振蕩的二維駐波產(chan) 生有效的幹涉。本質上，這種幹涉或耦合會(hui) 導致分離波失去部分能量。分離波越偏斜，損失的光就越多。然後就再沒有高階模式了。

因此，2023年我們(men) 開發了一款PCSEL，其亮度為(wei) 1 GW/cm2/ sr，可媲美氣體(ti) 激光器和光纖激光器。它的發射直徑為(wei) 3毫米，能夠在以高達50瓦的功率連續發射激光的同時保持光束發散度僅(jin) 為(wei) 極小的1/20度。我們(men) 甚至可以用它來切割鋼材。當明亮、美麗(li) 的光束在100微米厚的金屬板上切割出一個(ge) 圓盤時，我們(men) 整個(ge) 實驗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必須更加強大，才能參與(yu) 工業(ye) 市場中的競爭(zheng) 。例如，製造汽車零件需要千瓦級的光功率。

製造能夠處理這種功率的PCSEL應該相當簡單，要麽(me) 組裝9個(ge) 3毫米的PCSEL陣列，要麽(me) 將我們(men) 現有設備的發射區域擴大到1厘米。在這種尺寸下，高階模式將再次出現，從(cong) 而降低光束質量。但由於(yu) 其亮度仍然不亞(ya) 於(yu) 高功率氣體(ti) 激光器和光纖激光器，這種千瓦級的PCSEL可能會(hui) 開始取代體(ti) 積更大的競爭(zheng) 對手。

要真正改變遊戲規則，1厘米的PCSEL需要通過抑製高階模式來升級。我們(men) 已經設計了一種方法，通過微調光子晶體(ti) 結構和反射器的位置來實現該目標。雖然這一新方案尚未在實驗室測試，但我們(men) 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(cong) 一個(ge) 微小的封裝中發出如此集中的光，我們(men) 就可以製造各種獨特而複雜的產(chan) 品。

特別是對於(yu) 那些高功率應用，我們(men) 需要提高激光器的能效並改善熱管理。即使不進行任何優(you) 化，PCSEL的“插接”效率也已經達到30%至40%，超過了大多數二氧化碳激光器和光纖激光器。此外，我們(men) 已經找到了一條可以實現60%效率的途徑。熱管理方麵，我們(men) 目前在實驗室使用的水冷技術應該足以滿足1000瓦、1厘米PCSEL的需要。

高亮度的PCSEL還可用於(yu) 為(wei) 自動駕駛汽車和機器人製造更小、更經濟的傳(chuan) 感器係統。最近，我們(men) 使用500微米的PCSEL構建了一個(ge) 激光雷達係統。在脈衝(chong) 狀態下，我們(men) 以20瓦的功率運行，得到了非常明亮的光束。即使在30米的距離，光斑的大小也隻有5厘米。對於(yu) 沒有外部透鏡的緊湊型激光雷達係統而言，如此高的分辨率是聞所未聞的。然後，我們(men) 把大約一個(ge) 網絡攝像頭大小的原型機安裝在了機器人推車上，並對其進行編程，讓它們(men) 跟著我們(men) 一個(ge) 接一個(ge) 地在工程大樓周圍走動。

在另一項研究中，我們(men) 證明了PCSEL可以發射多個(ge) 光束，這些光束可以通過電子方式來控製，從(cong) 而使其指向不同的方向。這種片上光束控製是通過改變光子晶體(ti) 層中孔的位置和大小來實現的。最終，它可以取代激光雷達係統中的機械光束控製。如果同一芯片上也集成了光探測器，那麽(me) 這些全電子導航係統將非常小且成本低廉。

雖然不乏挑戰，但我們(men) 最終希望能製造出輸出功率超過10千瓦、光束亮度高達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(ti) 積巨大、耗電較高的二氧化碳激光器，用於(yu) 產(chan) 生極紫外光刻機所需的等離子脈衝(chong) ，從(cong) 而大大提高芯片製造效率。同樣，它們(men) 還有助於(yu) 實現核聚變，這一過程包括向豌豆大小的燃料膠囊發射數萬(wan) 億(yi) 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的可能性。由光推動的探測器不用花幾千年的時間，而隻需幾十年便可到達遙遠的恒星。

這也許是老生常談，但對於(yu) 人類智慧的下一個(ge) 篇章，我們(men) 想不出比這更貼切的預言了：正如人們(men) 所說的那樣，未來是光明的。

作者：野田進、吉田昌廣、井上拓也