科学家首创晶体激光器为更安全的传感器和更智能的技术提供动力

科学家们通过使用隐藏的固体材料层而不是脆弱的气孔，创造了一种更安全、更智能的激光器。结果：一个在车辆、机器人等领域具有巨大潜力的突破性设计。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院的研究人员报告了在室温和人眼安全波长下发射的埋地介电光子晶体表面发射激光器的光泵激光，这在该领域尚属首次。他们的研究结果发表在 IEEE Photonics Journal 上，改进了当前的激光器设计，并为国防应用开辟了新的途径。

几十年来，电气和计算机工程教授 Kent Choquette 的实验室一直在探索 VCSEL，这是一种用于智能手机、激光打印机、条形码扫描仪甚至车辆等常见技术的表面发射激光器。但在 2020 年初，Choquette 实验室对一个日本小组的开创性研究产生了兴趣，该小组推出了一种称为光子晶体表面发射激光器 （PCSEL） 的新型激光器。

PCSEL 是半导体激光器的一个较新领域，它使用光子晶体层来产生具有非常理想特性的激光束，例如高亮度和窄而圆的光斑尺寸。这种类型的激光器可用于国防应用，例如 LiDAR，这是一种用于战场测绘、导航和目标跟踪的遥感技术。在空军研究实验室的资助下，Choquette 的小组希望研究这项新技术，并在不断发展的领域取得自己的进步。

“我们相信 PCSEL 在未来将非常重要，”电气和计算机工程研究生、该论文的主要作者 Erin Raftery 说。“他们还没有达到工业成熟，我们想为此做出贡献。”

PCSEL 通常使用气孔制造，半导体材料在周边重新沉积后，气孔会嵌入器件内部。然而，半导体的原子往往会重新排列并填充这些空穴，从而损害光子晶体结构的完整性和均匀性。为了解决这个问题，伊利诺伊州格兰杰的工程师将气孔换成了固体介电材料，以防止光子晶体在再生过程中变形。通过将二氧化硅作为光子晶体层的一部分嵌入半导体再生中，研究人员能够展示具有埋入电介质特征的 PCSEL 的第一个概念验证设计。

“我们第一次尝试再生电介质时，我们甚至不知道这是否可能，”Raftery 说。“理想情况下，对于半导体生长，您希望从基层一直保持非常纯净的晶体结构，这对于二氧化硅等非晶材料来说是很难实现的。但我们实际上能够在介电材料周围横向生长并在顶部聚结。

该领域的成员预计，在未来 20 年内，这些新的和改进的激光器将用于自动驾驶汽车、激光切割、焊接和自由空间通信。与此同时，伊利诺伊州的工程师将改进他们目前的设计，重新创建带有电触点的相同设备，允许将激光器插入电流源以获取电源。

Choquette 说：“Erin 和 Minjoo Larry Lee 小组成员的综合专业知识，以及赖特-帕特森空军基地空军研究实验室的设施和专业知识对于实现这一结果是必要的。我们期待着二极管 PCSEL 的运行。