世界上最短波长的垂直腔面表面发射激光器得到验证

江苏激光联盟导读：据《ACS Photonics》报道，来自查尔姆斯理工大学的研究人员和德国柏林工业大学的研究人员一起,为大家展示了一种世界山最短波长的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。这一发现为将来的应用铺平了道路,例如,消毒和医疗处理。

光泵浦超紫外的垂直腔发射激光器的艺术构图

紫外光对于消毒，荧光激发，材料固化以及医疗处理来说是非常重要的光源。一个具有小型化和优异光学性能的垂直腔表面发射激光器（vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs)）可以发射出紫外的光源将会使得该类激光器在以上这些领域的应用得到拓展。然而，直到今天，依然只存在非常少量的紫外垂直腔表面发射激光器，而且主要是光泵浦的垂直腔表面发射激光器，且主要是低Al含量的AlGaN腔体和发射在GaN (360 nm)近能带隙的光。在这里，研究人员为大家展示了一个光学泵浦的 VCSEL，可以在室温状态下发射UVB的波长范围的光(280–320 nm)，其所具有的 Al0.60Ga0.40N 腔位于两个绝缘分布的布拉格反射物上。这两个绝缘分布的布拉格反射设计通过一个基材上进行电化学腐刻的技术来移除进行实现的。这一新的办法可以拓展至更短的波长，从而可以建立起一种新的技术来使得VCSEL 可以发射出UVA(320–400 nm)至UVC (

这一新发现是来自查尔姆斯理工大学的研究人员和德国柏林工业大学的研究人员一起,为大家展示了一种迄今为止最短波长的垂直腔表面发射激光器 ( vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL))。这一发现为将来的应用铺平了道路,例如,消毒和医疗处理。这一结果发表在最近出版的科技期刊《ACS Photonics》上。

尽管还存在大量的工作需要开展,尤其是在电驱动的器件方面,目前的这一研究工作为实现垂直腔表面发射激光器的实际应用构建了坚实的基础,这一垂直腔发射激光器覆盖了UV光谱范围的大部分。

超紫外 B区间波长的垂直腔发射激光器的结构,表面形貌和外延结构

图解： (a) 超紫外的垂直腔发射激光器的结构示意图. (b) 原子力显微镜观察到的生长的金属极Al0.6Ga0.4N的表面; (c) 和N-极的表面暴露在电化学蚀刻的牺牲层 . (d) 生长的外延生长的层结构 . 多层的牺牲层显示为红色。

垂直腔表面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL))是一种结构紧凑的半导体激光并且具有广泛的应用领域,如智能手机中的面部识别和数据中心的光通讯。因此,这一类型的激光目前只有红色和红外波长的光是商业化的,但同时也有其他可见光波长的垂直腔表面发射激光器,这一类型的激光器在汽车的前灯或者投影显示等领域也有应用,并将很快得到商业化的应用。

如果波长的范围可以进一步的拓展的话,如进入到紫外的范围,垂直腔表面发射激光器就可以找到更为宽广的应用领域。紫外光可以用来进行消毒,材料的固化,荧光激发和医疗处理等,并且紫外发射的VCSEL,例如,可以用在紧凑的水,空气和消毒系统以及用于皮肤疾病的处理等。

为了实现UV波长的发射在紫外波段B (280-320 nm)和紫外波段C (200-280 nm),这一波段是应用中最需要的部分,激光介质必须使用 AlGaN来制造。研究人员使用电化学蚀刻的办法来选择性的腐刻特定的 AlGaN 层来实现。在他们的当前的工作中,研究人员使用这一办法来创造出世界上第一个电泵浦的UV B发射的 VCSEL。

通过使用电化学腐刻技术来移除基材和制造出光滑的AlGaN膜,研究人员解决了长期困扰着UV VCSELs的问题。VCSELs需要两个镜子的反射率超过99%的镜子,并且这两个镜子要么使用外延生长的办法来生长,要么使用绝缘体材料来进行制备。然而,在使用外延生长的时候,对UVB或UVC的反射非常高，并且典型的基材移除办法通常用来促进第二格电绝缘的蓝色发射VCSELs的沉积并不适合AlGaN。

这一新的VCSELs显示了当前世界上最短波长的垂直腔表面发射激光器，并且电化学腐刻技术可以拓展到UVC波长的制造，此时是灭菌应用所需要的，例如，可以用在将来的大流行病的斗争上和提供清洁的饮用水等方面。

文章来源:Filip Hjort et al. A 310 nm Optically Pumped AlGaN Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, ACS Photonics (2020). DOI: 10.1021/acsphotonics.0c01382

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