近期，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員與德國(guó)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(zhǎng)的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。這為未來(lái)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(shí)現(xiàn)電泵浦驅(qū)動(dòng)，但該成果為實(shí)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(shuō)，他是本文的第一作者，也是MC2光子學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jiàn)紅光和紅外波段。還有其他可見(jiàn)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(huì)商業(yè)化。

“如果將波長(zhǎng)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(lái)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?！盕ilipHjort說(shuō)。

為了實(shí)現(xiàn)大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景所需的UVB（280nm-320nm）和UVC（200nm-280nm）中的紫外線發(fā)射波長(zhǎng)，激光介質(zhì)必須由氮化鎵鋁（AlGaN）制成。MC2光子學(xué)實(shí)驗(yàn)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(gè)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(gè)光泵浦UVB波段的VCSEL。

“通過(guò)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(zhǎng)期存在的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，VCSEL需要兩個(gè)反射率超過(guò)99%的反射鏡，這些反射鏡可以采用外延生長(zhǎng)或介電材料制成。但是，使用外延生長(zhǎng)并不能實(shí)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(guò)采用電化學(xué)蝕刻，我們能夠制造出可以?shī)A在兩個(gè)高反射率介電鏡之間的AlGaN膜。通過(guò)這種方式，我們形成了一個(gè)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(zhǎng) 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(zhǎng)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(lái)波長(zhǎng)最短的VCSEL，電化學(xué)蝕刻技術(shù)也可擴(kuò)展到UVC波長(zhǎng)，這是滅菌應(yīng)用例如對(duì)抗未來(lái)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(xiàng)技術(shù)還很容易擴(kuò)展到更短的紫外波長(zhǎng)范圍，成為一個(gè)重要跳板，用來(lái)實(shí)現(xiàn)覆蓋整個(gè)紫外光區(qū)域的VCSEL。

該團(tuán)隊(duì)指出，如何結(jié)合隧道結(jié)（tunneljunction）電注入技術(shù)是未來(lái)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。