近期，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垂直腔麵發射激光器（VCSEL）。這為(wei) 未來在消毒和醫療等方麵的應用奠定了基礎。該研究成果最近以A310nmOpticallyPumpedAlGaNVertical-CavitySurface-EmittingLaser為(wei) 題發表在ACSPhotonics上。

“盡管還有很多工作要做，特別是要實現電泵浦驅動，但該成果為(wei) 實現覆蓋大部分紫外光譜範圍的VCSEL卻提供了重要基礎。”FilipHjort博士說，他是本文的第一作者，也是MC2光子學實驗室的博士生。

光泵浦 UVB VCSEL 的藝術插圖（圖片版權：ACS Photonics）

VCSEL是一種緊湊型半導體(ti) 激光器，在數據通信、傳(chuan) 感和照明等領域發揮著巨大作用，現已廣泛應用於(yu) 智能手機的人臉識別以及數據傳(chuan) 輸的光通信模塊。到目前為(wei) 止，這類激光器的商業(ye) 應用集中在可見紅光和紅外波段。還有其他可見光發射的VCSEL，可以應用於(yu) 汽車的自適應前大燈或投影儀(yi) ，很快也會(hui) 商業(ye) 化。

“如果將波長範圍進一步推向紫外線（UV），那麽(me) VCSEL將有更廣泛的用途。紫外線可以用於(yu) 消毒、材料固化、熒光激發和醫療，未來能發出紫外線的緊湊型VCSEL還可應用於(yu) 水源、空氣和表麵消毒殺菌係統，以及皮膚病治療。”FilipHjort說。

為(wei) 了實現大多數應用場景所需的UVB（280nm-320nm）和UVC（200nm-280nm）中的紫外線發射波長，激光介質必須由氮化镓鋁（AlGaN）製成。MC2光子學實驗室教授ÅsaHaglund的研究小組先前與(yu) 柏林工業(ye) 大學的學者，合作展示了一種電化學蝕刻方法，該方法可用於(yu) 選擇性蝕刻特定的AlGaN層。兩(liang) 個(ge) 研究小組在當前的工作中使用這種方法創建了世界上首個(ge) 光泵浦UVB波段的VCSEL。

“通過使用電化學蝕刻技術去除基底並創建光滑的AlGaN膜，我們(men) 解決(jue) 了VCSEL在紫外線波段長期存在的問題。一般來說，VCSEL需要兩(liang) 個(ge) 反射率超過99%的反射鏡，這些反射鏡可以采用外延生長或介電材料製成。但是，使用外延生長並不能實現高UVB或UVC的反射率，並且用於(yu) 在發藍光VCSEL中沉積第二介電鏡的典型襯底去除方法不適用於(yu) AlGaN，”Hjort解釋道，“通過采用電化學蝕刻，我們(men) 能夠製造出可以夾在兩(liang) 個(ge) 高反射率介電鏡之間的AlGaN膜。通過這種方式，我們(men) 形成了一個(ge) 在光泵浦下發出激光的垂直腔體(ti) 。”

UVB VCSEL 結構，表麵形貌和外延結構。（a）UVB VCSEL 的示意圖結構。（b）生長 的金屬極性 Al0.6Ga0.4N 表麵的顯微鏡圖像。（c）犧牲層電化學蝕刻暴露的 N 極表麵 顯微鏡圖像。（d）生長的外延層結構。多層犧牲層標記為(wei) 紅色。（圖片版權：ACS Photonics）

新成果展示了有史以來波長最短的VCSEL，電化學蝕刻技術也可擴展到UVC波長，這是滅菌應用例如對抗未來的流行病和提供清潔飲用水所需要的技術。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，用來實現覆蓋整個(ge) 紫外光區域的VCSEL。

該團隊指出，如何結合隧道結（tunneljunction）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。