近年來隨著技術(shù)不斷發(fā)展，激光雷達的體積、成本也在不斷降低，成為了一種受到各行業(yè)關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。它的用途越發(fā)廣泛，可用于自動駕駛汽車、大氣觀測使用的LiDAR傳感器，還可以用于醫(yī)療保健（治療和檢查分析）、生物光子學等領(lǐng)域。在非熱精密切割、微創(chuàng)治療等激光加工、激光醫(yī)療場景的應(yīng)用潛力也越來越大。與此同時，市場對于千瓦級高功率激光模組的需求也開始增加。
激光雷達有多種方案，比如LiDAR、MEMS（微機電）等等，其中LiDAR采用VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）光源，而MEMS則基于固體鐳射技術(shù)。然而，固態(tài)鐳射和VCSEL各有局限，前者功率高但體積大，而后者體積雖小，但功率也小。為了解決現(xiàn)有激光技術(shù)的局限，索尼研發(fā)了一種單片激光器，并宣稱這是世界上首個峰值功率高達千瓦級（57.0千瓦）的激光方案。據(jù)悉，其體積不到1立方毫米（相當于固體鐳射的1/1000倍），輸出脈沖持續(xù)時間為450皮秒，強度是半導(dǎo)體激光1000倍。
與傳統(tǒng)的固態(tài)鐳射方案相比，索尼的激光模組的排列更簡單，結(jié)合了半導(dǎo)體和固態(tài)鐳射模組的結(jié)構(gòu)，可以很好的滿足LiDAR對于尺寸小巧、高功率激光源的需求。另外，小尺寸激光單元可并列排列在一個芯片中，并利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體光刻工藝，實現(xiàn)高精度的陣列排列（微米級）。
索尼表示：目前市場上還沒有可以滿足這一需求的其他激光技術(shù)，盡管高功率激光模組的可用性已經(jīng)在實驗室得到驗證，但在投入市場時還需要考慮成本、尺寸的限制。而如果這種小尺寸、高功率的超短激光光源能以低成本量產(chǎn)，將為高功率激光行業(yè)帶來一場革命。
應(yīng)用場景方面，該技術(shù)可用于開發(fā)更好的LiDAR傳感器，用于自動駕駛汽車、無人機、機器人、3D傳感、AR/VR等場景。
縮減激光腔的尺寸
迄今為止，市面上的高功率激光光源方案僅限于固態(tài)鐳射模組，比如碟片激光、光纖激光器、微晶片鐳射等等。固態(tài)鐳射由于載流子壽命長（微秒到毫秒級），所以可輸出高功率脈沖。然而，固態(tài)鐳射晶體需要用外部激光來激活，因此硬件系統(tǒng)尺寸大，而且需要手動組裝。通常，一臺固態(tài)鐳射系統(tǒng)的成本可達數(shù)百萬日元（約合人民幣5萬元），高成本限制了這項技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
另一方面，半導(dǎo)體激光方案的效率更高，由于它可以用電流激活，因此尺寸也可以縮小到1平方毫米以下，而且可使用現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝批量生產(chǎn)。不過，半導(dǎo)體激光的載流子壽命短，僅為納秒級，因此難以輸出高功率。
圖1：y軸為峰值功率，x軸為激光腔大小，激光模組尺寸越小、輸出功率越小
為了解決激光技術(shù)的功率和尺寸限制，在2018年，索尼開始嘗試設(shè)計一種體積像半導(dǎo)體激光器那樣緊湊，且輸出功率足夠高的激光晶體。
突破點：腔體重疊
于是，索尼將固態(tài)鐳射與半導(dǎo)體激光方案融合，打造了一種更加緊湊、峰值功率更高的激光技術(shù)。這項技術(shù)的核心是一種由固態(tài)和半導(dǎo)體激光器組成的單片激光器，以及將VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）作為激活光源，并將VCSEL和固態(tài)鐳射器（被動調(diào)Q激光）的空腔重疊。
圖2：藍色箭頭范圍為VCSEL腔（第一個腔），紅色箭頭表示被動調(diào)Q激光腔（第二個腔），兩個腔為光學耦合結(jié)構(gòu)
這種結(jié)構(gòu)有兩個優(yōu)點，第一，固態(tài)鐳射晶體會吸收激光熱量，從而改變折射率，使激光束更聚集。這樣一來，便降低了固態(tài)鐳射對聚焦透鏡的需求。
其二，由于固態(tài)鐳射晶體在VCSEL腔體內(nèi)被激活，即使晶體的單程吸收率低，泵浦激光也能被高效吸收。如此一來，固態(tài)鐳射晶體的厚度可縮減到現(xiàn)有切割工藝能達到的水平，并且可以通過現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝來生產(chǎn)單個激光器。
左：傳統(tǒng)高功率激光結(jié)構(gòu)；右：索尼方案的結(jié)構(gòu)圖
換句話說，腔體重疊后，VCSEL腔的內(nèi)部電場可激活固態(tài)鐳射介質(zhì)，無需聚光光學系統(tǒng)。另外，這種方案更容易批量生產(chǎn)，無需光學對準，利用現(xiàn)有的晶圓工藝，就能批量生產(chǎn)芯片尺寸的高功率激光器。相比之下，傳統(tǒng)的固體鐳射模組的多組件需要調(diào)節(jié)空間位置，精度要達到微米級別，制造難度更高。
圖4：固態(tài)鐳射基板粘合在半導(dǎo)體激光基板頂部，接著將晶圓切割成單獨的晶體，然后進行接線、安裝和封裝
據(jù)了解，索尼對半導(dǎo)體器件的研發(fā)、安裝和制造工藝有深入的了解，其團隊擁有固體鐳射和半導(dǎo)體激光領(lǐng)域的專家，他們從2019年4月就開始嘗試將VCSEL和固態(tài)鐳射融合的新型激光技術(shù)，從確認激光振蕩到研發(fā)單片模型，大約用了一年。在研發(fā)過程中，科研人員考慮了激光模組受電、光、熱等因素的影響，以確保最終的量產(chǎn)。
圖5：索尼的激光方案比傳統(tǒng)固態(tài)鐳射和VCSEL方案更好
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