垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）是一種快速、高功率的緊湊型半導(dǎo)體激光器，其激光垂直于頂面射出。VCSEL在數(shù)據(jù)通信、傳感和照明等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用，例如：智能手機中的面部識別以及數(shù)據(jù)傳輸中的光通信模塊。
到目前為止，這類激光器的商業(yè)應(yīng)用大部分集中在可見光和紅外波段上，如果可以將波長范圍進一步推向紫外線（UV），那么VCSEL的用途勢必將更為廣泛。我們知道，紫外線可用于消毒，材料固化，熒光激發(fā)和醫(yī)學(xué)治療。隨著VCSEL技術(shù)的日趨成熟，在未來，更緊湊的紫外線VCSEL將毫無疑問是空間表面消毒殺菌系統(tǒng)以及皮膚病治療系統(tǒng)最優(yōu)秀的解決方案。光泵浦UVB垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的藝術(shù)插圖
圖源：Krantz NanoArt
然而，目前報道的紫外線VCSEL因GaN的能隙限制（360nm）而全部集中在UVA（320-400 nm）這個范圍內(nèi)。為了實現(xiàn)大多數(shù)應(yīng)用場景所需的UVB（280-320 nm）和UVC（200-280 nm）中波段的紫外線發(fā)射，激光介質(zhì)必須由AlGaN制成，這是這項工作的主要挑戰(zhàn)。
近日，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VCSEL。
Filip Hjort博士（文章一作）這樣說：“盡管還有很多工作要做，特別是在如何實現(xiàn)電泵浦驅(qū)動，但該成果為實用性地覆蓋絕大部分紫外光譜范圍的VCSEL提供了重要的基礎(chǔ)?！?img alt="" height="360" width="714" src="http://onlinethisweek.com/file/upload/202101/14/2208394113.jpg"/>該科研成果背后的四位研究人員，從左到右依次為：
Johannes Enslin，Michael Bergmann，?sa Haglund和Filip Hjort
圖源：Henrik Sandsj?
該成果最近以“A 310 nm Optically Pumped AlGaN Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser”為題發(fā)表在ACS Photonics上。
如何將GaN基底VCSEL使用的電注入和鏡面技術(shù)應(yīng)用到AlGaN基底VCSEL呢？
研究人員創(chuàng)造性地展示了一種電化學(xué)蝕刻方法，該方法可用于選擇性地蝕刻特定的AlGaN層。他們使用這種技術(shù)制造了世界上第一個室溫下光泵浦UVB波段（280-320 nm）的垂直腔面發(fā)射激光器。
Filip Hjort博士解釋說“通過使用電化學(xué)蝕刻技術(shù)去除襯底并且創(chuàng)建光滑的AlGaN膜，我們解決了如何實現(xiàn)紫外線波段的VCSEL激光器這一長期存在的問題。一般來說，VCSEL激光器需要兩個反射率超過99％的反射鏡，這些反射鏡可以通過使用外延生長技術(shù)或者介電材料制成。但在這項工作中，我們通過采用全新的電化學(xué)蝕刻方法，克服了使用傳統(tǒng)外延生長無法獲得在UVB或UVC波段高反射率的困難，從而能制造出可以夾在兩個高反射率介電鏡之間的AlGaN薄膜，這樣的膜具有高Al含量、表面光滑和厚度精確控制等優(yōu)點?！?img alt="" height="719" width="1080" src="http://onlinethisweek.com/file/upload/202101/14/2208399113.jpg"/>UVB波段VCSEL的結(jié)構(gòu)，表面形貌和外延結(jié)構(gòu)，使用電化學(xué)蝕刻法處理過的表面
圖源：ACS Photonics
值得一提的是，該項技術(shù)還很容易擴展到更短的紫外波長范圍，成為一個重要跳板，用來未來實現(xiàn)覆蓋整個紫外光區(qū)域的VCSEL。
該團隊指出，如何來結(jié)合隧道結(jié)（tunnel junction）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。
文章信息
Hjort, Filip, et al. "A 310 nm Optically Pumped AlGaN Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser." ACS Photonics (2020).
文章地址
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01382