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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

实现与大体积气体和固体激光器相媲美(甚至取代)的大规模单模、高功率、高光束质量半导体激光器是光子学和激光物理的终极目标之一。然而，传统的高功率半导体激光器由于多模振荡的出现，不可避免地会出现光束质量差的问题，而且在连续波( CW )工作条件下，振荡会受到破坏性热效应的影响。

有鉴于此，京都大学Susumu Noda等人通过在光子晶体内部控制厄密和非厄密耦合，并预先安装晶格常数的空间分布来开发大规模的光子晶体表面发射激光器来克服这些挑战，即使在连续波条件下也能保持这些耦合。对于具有3 mm大谐振直径的光子晶体表面发射激光器，实现了超过50 W的纯单模振荡和0.05 °的极窄光束发散角，对应于材料中超过10000个波长。其亮度达到1 GW cm^-2 sr^-1，兼具输出功率和光束质量的优点，可与现有体积庞大的激光器媲美。该工作是单模千瓦级半导体激光器问世的一个重要里程碑，有望在不久的将来取代传统的、体积更大的激光器。

厄米特和非厄米特控制的 PCSEL

首先，作者描述了在大规模PCSEL中实现单模振荡的策略。通过控制双晶格光子晶体中的厄米特和非厄米特耦合，使对应于（第一）高阶模的波数的辐射常数充分大于基模的辐射常数。作者说明了双晶格结构中厄米特和非厄米特耦合，由于四个基波之间的这种光学耦合，构建了四个谐振腔模式。

图  控制光子晶体内部的厄米特和非厄米特光学耦合

开发直径3mm的PCSEL

基于上述策略，开发了一种直径为3 mm的PCSEL，其R和I值通过改变双晶格结构的晶格间距和气孔尺寸的平衡来控制，其μ值通过改变p-AlGaAs包层的厚度来控制，作者展示了基于保留气孔的金属-有机气相外延再生长技术制造的3毫米直径PCSEL成品。首先测量了制造器件的Γ点周围模式A和C的频率和辐射常数，然后通过拟合方程给出的分析值估计耦合系数R，I和μ，然后测量了PCSEL在脉冲条件下的激光特性，实现了0.045°的非常窄的光束发散角。

图  开发直径为3毫米的PCSEL并演示脉冲操作下非常窄的光束发散

高亮度CW单模 PCSEL

由于热量的积累，CW电流注入会在PCSEL内部引起空间上不均匀的温度分布。基于对光子、载流子和热效应之间相互作用的自洽分析，在CW条件下模拟了热积累对3毫米直径PCSEL激光特性的影响。结果清楚地表明，由于温度引起的和晶格常数引起的带边频率变化相互抵消，获得了均匀的频率分布，预计将获得具有非常窄的发散角的单模光束的发射。

图  引入晶格常数分布，在CW操作下实现3毫米直径PCSEL的单模振荡

50 W单模CW操作演示

应用上述策略，作者开发了具有预装晶格常数分布的3毫米直径 PCSEL，器件的耦合系数估计为R≈ 24 cm⁻¹、I≈14 cm⁻¹和μ ≈ 44 cm⁻¹，阈值电流为25A，斜率效率约为 0.72W A⁻¹。在 100-110A 的注入电流下，从单芯片 PCSEL获得了超过50W的CW输出功率。这些结果表明，预先安装的晶格常数分布以及双晶格结构内部厄米特和非厄米特耦合的控制有助于实现纯单模、高光束质量、高功率CW操作超大面积PCSEL。

图  3毫米直径PCSEL的50 W单模CW操作演示

参考文献：

Yoshida, M., Katsuno, S., Inoue, T. et al. High-brightness scalable continuous-wave single-mode photonic-crystal laser. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06059-8