垂直腔面發射激光器（VCSEL）是一種快速、高功率的緊湊型半導體激光器，其激光垂直于頂面射出。VCSEL在數據通信、傳感和照明等領域發揮巨大的作用，例如：智能手機中的面部識別以及數據傳輸中的光通信模塊。
到目前為止，這類激光器的商業應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面消毒殺菌系統以及皮膚病治療系統最優秀的解決方案。
光泵浦UVB垂直腔面發射激光器（VCSEL）的藝術插圖
圖源：Krantz NanoArt
然而，目前報道的紫外線VCSEL因GaN的能隙限制（360nm）而全部集中在UVA（320-400 nm）這個范圍內。為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制成，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德國柏林工業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。”
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”為題發表在ACS Photonics上。
如何將GaN基底VCSEL使用的電注入和鏡面技術應用到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，該方法可用于選擇性地蝕刻特定的AlGaN層。他們使用這種技術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并且創建光滑的AlGaN膜，我們解決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蝕刻方法，克服了使用傳統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點。”
UVB波段VCSEL的結構，表面形貌和外延結構，使用電化學蝕刻法處理過的表面
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范圍，成為一個重要跳板，用來未來實現覆蓋整個紫外光區域的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鍵，如果可以成功突破，有望為醫療應用和消毒系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
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