光子晶體表面發射激光器（PCSEL）是一項前景廣闊的技術，能夠顯著提升激光的應用潛力。這種系統能夠產生高度定向且明亮的光束，精準度極高，適用於激光雷達、光通信及自動駕駛車輛和防禦裝置中的感測系統。
儘管PCSEL的潛力巨大，但其開發一直面臨挑戰。問題主要出在其核心設計上，這種設計依賴於特殊的空氣孔，而這些孔在形成不久後便會消失。
伊利諾伊大學厄本那-香檳分校（UIUC）的工程師們克服了這一長期難題。他們提出在光子晶體層中嵌入二氧化矽，而非使用空氣孔。根據科學家的說法，這一變化使他們成功演示了第一個在室溫下、對眼睛安全的、使用內埋介質特徵的光泵PCSEL。
傳統上，PCSEL是利用光子晶體層中的空氣孔來控制光在設備內的運動。然而，當科學家嘗試在這些孔周圍生長半導體材料時，原子會移動並填充這些孔，這一重塑破壞了光子晶體的結構，導致激光無法正常工作。
為了解決這一問題，研究作者在光子晶體層中填充了二氧化矽，這是一種穩定的固體介質材料。這一改變增強了結構的強度，防止在再生長過程中崩潰。
然而，這一解決方案引入了一個新問題。二氧化矽是非晶態的，意味著它沒有晶體結構，通常在這類材料上生長半導體是極其困難的。
“第一次嘗試再生長介質時，我們不知道這是否可能。理想情況下，半導體生長需要從基層保持非常純的晶體結構，而這在非晶材料如二氧化矽上是很難實現的，”負責研究的工程學學生Erin Raftery表示。
為了使激光正常工作，半導體層必須保持平滑且連續的晶體結構。團隊在不確定的情況下，通過仔細控制條件，成功地在介質周圍橫向生長半導體，然後將材料合併到頂部，這一過程稱為共生。
最終，研究團隊成功製作出一種內埋介質PCSEL，當受到光激發時能夠發射激光，即使在室溫下且在對人眼安全的波長範圍內，這是前所未有的成就。
下一步是實現電力驅動。這一概念驗證為新一代表面發射激光器奠定了基礎，這些激光器將比現有技術更精確、更穩定且更具可擴展性。PCSEL將產生高亮度、狹窄的圓形光束，適用於從通信應用到高科技武器的各種場景。
固體介質材料的使用也簡化了製造過程並提高了設備的耐用性。不過，這一版本仍需外部光源（光泵）來驅動激光，限制了其在實際應用中的實用性。
為了使其真正可用，團隊計劃設計一個電注入版本，通過添加電接觸，使激光能夠使用標準電源運行。
該研究發表在《IEEE Photonics Journal》期刊上。
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