垂直腔麵發射激光器（VCSEL）是一種快速、高功率的緊湊型半導體(ti) 激光器，其激光垂直於(yu) 頂麵射出。VCSEL在數據通信、傳(chuan) 感和照明等領域發揮巨大的作用，例如：智能手機中的麵部識別以及數據傳(chuan) 輸中的光通信模塊。
到目前為(wei) 止，這類激光器的商業(ye) 應用大部分集中在可見光和紅外波段上，如果可以將波長範圍進一步推向紫外線（UV），那麽(me) VCSEL的用途勢必將更為(wei) 廣泛。我們(men) 知道，紫外線可用於(yu) 消毒，材料固化，熒光激發和醫學治療。隨著VCSEL技術的日趨成熟，在未來，更緊湊的紫外線VCSEL將毫無疑問是空間表麵消毒殺菌係統以及皮膚病治療係統最優(you) 秀的解決(jue) 方案。光泵浦UVB垂直腔麵發射激光器（VCSEL）的藝術插圖
圖源：Krantz NanoArt
然而，目前報道的紫外線VCSEL因GaN的能隙限製（360nm）而全部集中在UVA（320-400 nm）這個(ge) 範圍內(nei) 。為(wei) 了實現大多數應用場景所需的UVB（280-320 nm）和UVC（200-280 nm）中波段的紫外線發射，激光介質必須由AlGaN製成，這是這項工作的主要挑戰。
近日，瑞典查爾姆斯理工大學的研究人員與(yu) 德國柏林工業(ye) 大學的合作者一起展示了現存能發射最短波長的VCSEL。
Filip Hjort博士（文章一作）這樣說：“盡管還有很多工作要做，特別是在如何實現電泵浦驅動，但該成果為(wei) 實用性地覆蓋絕大部分紫外光譜範圍的VCSEL提供了重要的基礎。”該科研成果背後的四位研究人員，從(cong) 左到右依次為(wei) ：
Johannes Enslin，Michael Bergmann，Åsa Haglund和Filip Hjort
圖源：Henrik Sandsjö
該成果最近以“A 310 nm Optically Pumped AlGaN Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser”為(wei) 題發表在ACS Photonics上。
如何將GaN基底VCSEL使用的電注入和鏡麵技術應用到AlGaN基底VCSEL呢？
研究人員創造性地展示了一種電化學蝕刻方法，該方法可用於(yu) 選擇性地蝕刻特定的AlGaN層。他們(men) 使用這種技術製造了世界上第一個(ge) 室溫下光泵浦UVB波段（280-320 nm）的垂直腔麵發射激光器。
Filip Hjort博士解釋說“通過使用電化學蝕刻技術去除襯底並且創建光滑的AlGaN膜，我們(men) 解決(jue) 了如何實現紫外線波段的VCSEL激光器這一長期存在的問題。一般來說，VCSEL激光器需要兩(liang) 個(ge) 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或者介電材料製成。但在這項工作中，我們(men) 通過采用全新的電化學蝕刻方法，克服了使用傳(chuan) 統外延生長無法獲得在UVB或UVC波段高反射率的困難，從(cong) 而能製造出可以夾在兩(liang) 個(ge) 高反射率介電鏡之間的AlGaN薄膜，這樣的膜具有高Al含量、表麵光滑和厚度精確控製等優(you) 點。”UVB波段VCSEL的結構，表麵形貌和外延結構，使用電化學蝕刻法處理過的表麵
圖源：ACS Photonics
值得一提的是，該項技術還很容易擴展到更短的紫外波長範圍，成為(wei) 一個(ge) 重要跳板，用來未來實現覆蓋整個(ge) 紫外光區域的VCSEL。
該團隊指出，如何來結合隧道結（tunnel junction）電注入技術是未來應用的關(guan) 鍵，如果可以成功突破，有望為(wei) 醫療應用和消毒係統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