研究團(tuán)隊(duì)成功進(jìn)行了全球首次深紫外激光二極管的室溫連續(xù)波激光發(fā)射。

據(jù)《激光制造網(wǎng)》了解，近日，《Applied Physics Letters（應(yīng)用物理學(xué)快報(bào)）》發(fā)表了兩篇關(guān)于室溫下連續(xù)發(fā)射深紫外激光二極管的研究論文，由中國工程院外籍院士、日本工程院院士、美國國家工程院院士、2014年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主、名古屋大學(xué)未來材料與系統(tǒng)研究所教授天野浩領(lǐng)導(dǎo)的研究小姐與日本化工企業(yè)旭化成公司合作，在室溫狀態(tài)下，首次成功進(jìn)行了世界上連續(xù)波深-紫外激光二極管（波長低至UV-C區(qū)域）的發(fā)射。

這些結(jié)果標(biāo)志著一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用潛力的技術(shù)朝著應(yīng)用邁出了一步，比如消毒和醫(yī)藥領(lǐng)域。

2014年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主、中國工程院外籍院士、日本工程院院士、美國國家工程院院士、名古屋大學(xué)未來材料與系統(tǒng)研究所教授天野浩

自20世紀(jì)60年代推出以來，經(jīng)過數(shù)十年的研究和開發(fā)，激光二極管（LD）終于成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，適用于從紅外到藍(lán)紫的多種應(yīng)用。該技術(shù)的示例包括具有紅外LD的光通信設(shè)備和使用藍(lán)紫LD的藍(lán)光光盤。然而，盡管世界各地的研究小組做出了努力，但沒有人能夠開發(fā)出深紫外激光二極管。關(guān)鍵的突破發(fā)生在2007年之后，因?yàn)橹圃斓X基板制造技術(shù)（AlN）出現(xiàn)了——氮化鋁基板是生產(chǎn)紫外發(fā)光器件用氮化鋁鎵（AlGaN）膜的理想材料。

從2017年開始，天野浩教授的研究小組與提供2英寸AlN襯底的旭化成公司合作，開始開發(fā)深紫外LD。起初，向裝置中注入足夠的電流太困難，阻礙了UV-C激光二極管的進(jìn)一步發(fā)展。但在2019年，該研究小組使用極化誘導(dǎo)摻雜技術(shù)成功解決了這一問題。他們第一次制造了一種短波長紫外-可見光（UV-C）激光器，該激光器以短脈沖電流工作。然而，這些電流脈沖所需的輸入功率為5.2W。這對(duì)于連續(xù)波激光來說太高了，因?yàn)樵摴β蕰?huì)導(dǎo)致二極管快速升溫并停止激射。

但現(xiàn)在，名古屋大學(xué)和旭化成公司的研究人員已經(jīng)重造了設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)，將激光器在室溫下運(yùn)行所需的驅(qū)動(dòng)功率降低至僅 1.1W。早期的器件被發(fā)現(xiàn)需要高水平的工作功率，這是因?yàn)榧す鈼l紋處出現(xiàn)的晶體缺陷，導(dǎo)致無法提供有效的電流路徑。但在這項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)晶體應(yīng)變造成了這些缺陷。通過巧妙地剪裁激光條紋的側(cè)壁，它們抑制了缺陷，實(shí)現(xiàn)了流向激光二極管有源區(qū)的有效電流，并降低了工作功率。

名古屋大學(xué)的產(chǎn)學(xué)合作平臺(tái)——未來電子集成研究中心的轉(zhuǎn)換電子設(shè)施（C-TEF）使新的紫外激光技術(shù)的發(fā)展成為可能。在C-TEF下，旭化成公司等合作伙伴的研究人員可以共享名古屋大學(xué)校園內(nèi)最先進(jìn)的設(shè)施，為他們提供制造可復(fù)制的高質(zhì)量設(shè)備所需的人員和工具。

這項(xiàng)研究在所有波長范圍的半導(dǎo)體激光器的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展中具有里程碑意義。未來，UV-C激光二極管可以應(yīng)用于醫(yī)療保健、病毒檢測、顆粒物測量、氣體分析和高清激光處理。“它在殺菌技術(shù)上的應(yīng)用可能是開創(chuàng)性的，”一位團(tuán)隊(duì)成員說，“與當(dāng)前的LED消毒方法不同，激光可以在短時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)距離對(duì)大面積區(qū)域進(jìn)行消毒”。

參考文獻(xiàn)：

“Key temperature-dependent characteristics of AlGaN-based UV-C laser diode and demonstration of room-temperature continuous-wave lasing” by Ziyi Zhang, Maki Kushimoto, Akira Yoshikawa, Koji Aoto, Chiaki Sasaoka, Leo J. Schowalter and Hiroshi Amano, 24 November 2022, Applied Physics Letters.DOI: 10.1063/5.0124480

“Local stress control to suppress dislocation generation for pseudomorphically grown AlGaN UV-C laser diodes” by Maki Kushimoto, Ziyi Zhang, Akira Yoshikawa, Koji Aoto, Yoshio Honda, Chiaki Sasaoka, Leo J. Schowalter and Hiroshi Amano, 24 November 2022, Applied Physics Letters.DOI: 10.1063/5.0124512