伊利诺伊大学发明首创的晶体激光器 可以实现更安全的传感器和更智能的技术

盖世汽车讯 据外媒报道，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）格兰杰工程学院（Grainger College of Engineering）的研究人员首次报道了一种光泵浦激光（photopumped lasing），该激光由埋入式介质光子晶体表面发射激光器产生，可在室温下发射人眼安全波长的激光。

图片来源： 期刊《IEEE Photonics Journal》

相关研究成果发表在期刊《IEEE Photonics Journal》上，改进了目前的激光器设计，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垂直腔面发射激光器（VCSEL），这是一种表面发射激光器，广泛应用于智能手机、激光打印机、条码扫描器甚至汽车等常见技术。但在2020年初，Choquette实验室对一个日本团队的突破性研究产生了兴趣，该团队推出了一种名为光子晶体表面发射激光器（PCSEL）的新型激光器。

PCSEL是半导体激光器中一个较新的领域，它利用光子晶体层产生激光束，该光束具有高亮度、窄而圆的光斑等非常理想的特性。这种类型的激光器在国防应用领域非常有用，例如激光雷达（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的团队希望研究这项新技术，并在这个蓬勃发展的领域取得自己的进展。“我们相信PCSEL在未来将极其重要，”电气与计算机工程研究生、论文第一作者Erin Raftery说道。“它们只是还没有达到工业化的成熟度，我们希望为此做出贡献。”

PCSEL通常采用气孔制作，半导体材料在周边再生生长后，气孔会嵌入器件内部。然而，半导体原子往往会重新排列并填充这些气孔，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，Illinois Grainger的工程师们用固体介电材料代替了气孔，以防止光子晶体在再生生长过程中变形。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层中，研究人员首次展示了具有埋置介电特征的PCSEL概念验证设计。

“我们第一次尝试再生介电层时，并不知道这是否可行，”Raftery说道。“理想情况下，对于半导体生长来说，你希望从基层一直向上保持非常纯净的晶体结构，而这对于像二氧化硅这样的非晶态材料来说很难实现。但我们实际上能够在介电材料周围进行横向生长，并在其顶部聚结。”

业内人士预计，在未来20年内，这些全新改进的激光器将应用于自动驾驶汽车、激光切割、焊接和自由空间通信。与此同时，Illinois的工程师们将改进目前的设计，重新打造带有电触点的相同装置，使激光器能够接入电流源供电。

“Erin和Minjoo Larry Lee团队成员的专业知识，以及赖特-帕特森空军基地（Wright-Patterson Air Force Base）空军研究实验室（Air Force Research Laboratory）的设施和专业知识，对于实现这一成果至关重要，”Choquette说道。“我们期待二极管PCSEL的运行。”