近期，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員與德國柏林工業(yè)大學(xué)的合作者，一起展示了現(xiàn)存能發(fā)射最短波長的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。這為未來在消毒和醫(yī)療等方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該研究成果最近以A310nmOpticallyPumpedAlGaNVertical-CavitySurface-EmittingLaser為題發(fā)表在ACSPhotonics上。

“盡管還有很多工作要做，特別是要實現(xiàn)電泵浦驅(qū)動，但該成果為實現(xiàn)覆蓋大部分紫外光譜范圍的VCSEL卻提供了重要基礎(chǔ)?！盕ilipHjort博士說，他是本文的第一作者，也是MC2光子學(xué)實驗室的博士生。

光泵浦 UVB VCSEL 的藝術(shù)插圖（圖片版權(quán)：ACS Photonics）

VCSEL是一種緊湊型半導(dǎo)體激光器，在數(shù)據(jù)通信、傳感和照明等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)的人臉識別以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓馔ㄐ拍K。到目前為止，這類激光器的商業(yè)應(yīng)用集中在可見紅光和紅外波段。還有其他可見光發(fā)射的VCSEL，可以應(yīng)用于汽車的自適應(yīng)前大燈或投影儀，很快也會商業(yè)化。

“如果將波長范圍進(jìn)一步推向紫外線（UV），那么VCSEL將有更廣泛的用途。紫外線可以用于消毒、材料固化、熒光激發(fā)和醫(yī)療，未來能發(fā)出紫外線的緊湊型VCSEL還可應(yīng)用于水源、空氣和表面消毒殺菌系統(tǒng)，以及皮膚病治療。”FilipHjort說。

為了實現(xiàn)大多數(shù)應(yīng)用場景所需的UVB（280nm-320nm）和UVC（200nm-280nm）中的紫外線發(fā)射波長，激光介質(zhì)必須由氮化鎵鋁（AlGaN）制成。MC2光子學(xué)實驗室教授?saHaglund的研究小組先前與柏林工業(yè)大學(xué)的學(xué)者，合作展示了一種電化學(xué)蝕刻方法，該方法可用于選擇性蝕刻特定的AlGaN層。兩個研究小組在當(dāng)前的工作中使用這種方法創(chuàng)建了世界上首個光泵浦UVB波段的VCSEL。

“通過使用電化學(xué)蝕刻技術(shù)去除基底并創(chuàng)建光滑的AlGaN膜，我們解決了VCSEL在紫外線波段長期存在的問題。一般來說，VCSEL需要兩個反射率超過99%的反射鏡，這些反射鏡可以采用外延生長或介電材料制成。但是，使用外延生長并不能實現(xiàn)高UVB或UVC的反射率，并且用于在發(fā)藍(lán)光VCSEL中沉積第二介電鏡的典型襯底去除方法不適用于AlGaN，”Hjort解釋道，“通過采用電化學(xué)蝕刻，我們能夠制造出可以夾在兩個高反射率介電鏡之間的AlGaN膜。通過這種方式，我們形成了一個在光泵浦下發(fā)出激光的垂直腔體?！?/p>

UVB VCSEL 結(jié)構(gòu)，表面形貌和外延結(jié)構(gòu)。（a）UVB VCSEL 的示意圖結(jié)構(gòu)。（b）生長 的金屬極性 Al0.6Ga0.4N 表面的顯微鏡圖像。（c）犧牲層電化學(xué)蝕刻暴露的 N 極表面 顯微鏡圖像。（d）生長的外延層結(jié)構(gòu)。多層犧牲層標(biāo)記為紅色。（圖片版權(quán)：ACS Photonics）

新成果展示了有史以來波長最短的VCSEL，電化學(xué)蝕刻技術(shù)也可擴(kuò)展到UVC波長，這是滅菌應(yīng)用例如對抗未來的流行病和提供清潔飲用水所需要的技術(shù)。值得一提的是，該項技術(shù)還很容易擴(kuò)展到更短的紫外波長范圍，成為一個重要跳板，用來實現(xiàn)覆蓋整個紫外光區(qū)域的VCSEL。

該團(tuán)隊指出，如何結(jié)合隧道結(jié)（tunneljunction）電注入技術(shù)是未來應(yīng)用的關(guān)鍵，如果可以成功突破，有望為醫(yī)療應(yīng)用和消毒系統(tǒng)提供一種具有出色光束特性的小尺寸，高能效紫外光源。