近年來隨著技術不斷發展，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關注的關鍵技術。它的用途越發廣泛，可用于自動駕駛汽車、大氣觀測使用的LiDAR傳感器，還可以用于醫療保健(治療和檢查分析)、生物光子學等領域。在非熱精密切割、微創治療等激光加工、激光醫療場景的應用潛力也越來越大。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(垂直腔面發射激光器)光源，而MEMS則基于固體鐳射技術。然而，固態鐳射和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。為了解決現有激光技術的局限，索尼研發了一種單片激光器，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)，輸出脈沖持續時間為450皮秒，強度是半導體激光1000倍。

　　與傳統的固態鐳射方案相比，索尼的激光模組的排列更簡單，結合了半導體和固態鐳射模組的結構，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，并利用現有的半導體光刻工藝，實現高精度的陣列排列(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，盡管高功率激光模組的可用性已經在實驗室得到驗證，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，將為高功率激光行業帶來一場革命。

　　應用場景方面，該技術可用于開發更好的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鐳射模組，比如碟片激光、光纖激光器、微晶片鐳射等等。固態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，固態鐳射晶體需要用外部激光來激活，因此硬件系統尺寸大，而且需要手動組裝。通常，一臺固態鐳射系統的成本可達數百萬日元(約合人民幣5萬元)，高成本限制了這項技術的廣泛應用。

　　另一方面，半導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，而且可使用現有的半導體工藝批量生產。不過，半導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

　　為了解決激光技術的功率和尺寸限制，在2018年，索尼開始嘗試設計一種體積像半導體激光器那樣緊湊，且輸出功率足夠高的激光晶體。 突破點：腔體重疊

　　于是，索尼將固態鐳射與半導體激光方案融合，打造了一種更加緊湊、峰值功率更高的激光技術。這項技術的核心是一種由固態和半導體激光器組成的單片激光器，以及將VCSEL(垂直腔面發射激光器)作為激活光源，并將VCSEL和固態鐳射器(被動調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Q激光腔(第二個腔)，兩個腔為光學耦合結構

　　這種結構有兩個優點，第一，固態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，便降低了固態鐳射對聚焦透鏡的需求。

　　其二，由于固態鐳射晶體在VCSEL腔體內被激活，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，固態鐳射晶體的厚度可縮減到現有切割工藝能達到的水平，并且可以通過現有的半導體制造工藝來生產單個激光器。

　　左：傳統高功率激光結構;右：索尼方案的結構圖

　　換句話說，腔體重疊后，VCSEL腔的內部電場可激活固態鐳射介質，無需聚光光學系統。另外，這種方案更容易批量生產，無需光學對準，利用現有的晶圓工藝，就能批量生產芯片尺寸的高功率激光器。相比之下，傳統的固體鐳射模組的多組件需要調節空間位置，精度要達到微米級別，制造難度更高。

　　圖4：固態鐳射基板粘合在半導體激光基板頂部，接著將晶圓切割成單獨的晶體，然后進行接線、安裝和封裝

　　據了解，索尼對半導體器件的研發、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體激光領域的專家，他們從2019年4月就開始嘗試將VCSEL和固態鐳射融合的新型激光技術，從確認激光振蕩到研發單片模型，大約用了一年。在研發過程中，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。

　　圖5：索尼的激光方案比傳統固態鐳射和VCSEL方案更好

　　參考：索尼