一种光子晶体表面发射激光器，其亮度足以用于工业规模的切割
发布时间：2023-06-26 08:00:00 阅读数： 169
开发直径为3毫米的PCSEL，并展示了脉冲操作下的极窄光束发散。资料来源：《自然》（2023）。DOI: 10.1038/s41586-023-06059-8
京都大学的一个光子学和电子工程师小组已经找到了一种方法来克服光子晶体表面发射激光器（PCSELs）的缺点，这些缺点阻碍了它们在工业规模的切割应用中的使用。在《自然》杂志上报道的研究中，该小组对传统的PCSELs进行了修改，以赋予此类应用所需的亮度。
目前，气体和固体激光器在工业规模的应用中被用来切割材料，包括钢铁。但是这类系统的用户更愿意使用半导体激光器，因为它们的体积和能耗要小得多。不幸的是，由于与多模振荡和热不稳定效应有关的光束质量问题，这类激光器一直不适合此类工作。在这项新的努力中，日本的研究小组找到了一种克服这些问题的方法，允许创建可用于工业规模应用的PCSELs。
为了克服这些问题，工程师们改变了PCSELs的结构。其中一个变化是将直径大小从1毫米增加到3毫米，允许高达50瓦的功率输出。尺寸的增加导致相关的亮度增加到1 GW/cm2/str--足以用于工业应用。
增加直径大小导致了横向振荡问题，这是预料之中的。如果不加以纠正，它们会导致光束质量下降，产生的热量也会增加。为了克服这些问题，研究小组在激光器中嵌入了光子晶体，还修改了内部反射层。为了嵌入光子晶体，研究小组在晶体层中设计了一个孔的图案，以有用的方式偏转光线，从而产生了一个发散性极小的光束。
为了防止振荡问题，该团队还调整了PCSEL的底层，以增加不需要的垂直模式的损失。他们改变了热折射率，通过修改光子晶体中的气孔来减少热引起的问题。他们使用纳米压印光刻技术来制造光子晶体，以加快生产速度。
研究人员计划继续扩大他们的激光器，希望将直径扩大到10毫米，这将允许产生1千瓦的光束。
参考资料
Masahiro Yoshida et al, High-brightness scalable continuous-wave single-mode photonic-crystal laser, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06059-8
