伊利诺伊大学的工程师们通过在光子晶体层中嵌入二氧化硅，开发出了首款室温工作、人眼安全的光泵浦光子晶体表面发射激光器（PCSEL），解决了由特殊空气孔带来的长期挑战。

光子晶体表面发射激光器（PCSEL）是一项前景广阔的技术，有望彻底革新激光器的能力。这种系统能产生高度定向、高亮度且具有针尖级精度的光束，使其成为激光雷达（LiDAR）、光通信以及用于自动驾驶汽车和国防设备的传感系统等应用的理想选择。

然而，尽管潜力巨大，PCSEL的开发却一直困难重重。问题的核心在于其设计依赖于特殊的空气孔，而这些气孔在形成后不久就会消失。

如今，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）的工程师们克服了这个存在已久的障碍。他们提出，不再使用空气孔，而是在光子晶体层中嵌入二氧化硅。科学家们表示，这一改变使他们成功利用嵌入式介质结构，首次在室温下实现了人眼安全的光泵浦PCSEL演示。

以固态创新替代脆弱气孔

传统上，PCSEL是在其光子晶体层中制造空气孔，这有助于控制光在器件内部的传播。然而，当科学家们试图在这些孔洞周围生长半导体材料（这是完成激光器制造的必要步骤）时，原子会发生位移并填满气孔。这种形变破坏了光子晶体的结构，导致激光器无法正常工作。

为解决此问题，该研究的作者们用二氧化硅（一种固态稳定的介电材料）填充了光子晶体层。这一改变赋予了结构强度，防止其在再生长过程中坍塌。

然而，该解决方案带来了一个新问题。二氧化硅是非晶态的，意味着它没有晶体结构，在这种材料上生长半导体通常极其困难。

“我们第一次尝试再生长介质时，甚至不知道这是否可行。理想情况下，为了半导体生长，你希望从基底开始一直保持非常纯净的晶体结构，这在像二氧化硅这样的非晶材料上很难实现，”研究负责人、UIUC工程专业学生艾琳·拉夫特里（Erin Raftery）说道。

为使激光器工作，上方的半导体层必须保持平滑、连续的晶体结构。研究团队起初不确定是否可行，但通过精心控制条件，工程师们成功地在介质周围横向生长了半导体，然后通过一种称为“融合生长”（coalescence）的工艺，使材料在顶部合并。

其结果是一款嵌入式介质PCSEL，它能在光激发下发射激光束，甚至在室温下也能工作，并且发射的是对人眼安全的波长 —— 这是前所未有的成就。

下一步：实现电泵浦

这一概念验证为新一代表面发射激光器奠定了基础，它们将比现有技术更精确、更稳定、且更具可扩展性。PCSEL将产生高亮度、窄而圆的光束，使其成为从通信应用到高科技武器等广泛领域的理想选择。

使用固态介电材料还简化了制造工艺并提高了器件耐久性。然而，这第一个版本仍然需要外部光（光泵浦）来驱动激光器，这限制了其在实际应用中的实用性。

为使其真正可用，该团队计划通过添加电极触点来设计电泵浦版本，使激光器能够使用标准电源运行。

该研究发表在《IEEE 光子学杂志》上。

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