世界上最短波長的垂直腔面表面發射雷射器得到驗證

2021-01-07 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：據《ACS Photonics》報導，來自查爾姆斯理工大學的研究人員和德國柏林工業大學的研究人員一起，為大家展示了一種世界山最短波長的垂直腔表面發射雷射器(VCSEL)。這一發現為將來的應用鋪平了道路，例如，消毒和醫療處理。

光泵浦超紫外的垂直腔發射雷射器的藝術構圖

紫外光對於消毒，螢光激發，材料固化以及醫療處理來說是非常重要的光源。一個具有小型化和優異光學性能的垂直腔表面發射雷射器（vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs)）可以發射出紫外的光源將會使得該類雷射器在以上這些領域的應用得到拓展。

然而，直到今天，依然只存在非常少量的紫外垂直腔表面發射雷射器，而且主要是光泵浦的垂直腔表面發射雷射器，且主要是低Al含量的AlGaN腔體和發射在GaN (360 nm)近能帶隙的光。在這裡，研究人員為大家展示了一個光學泵浦的 VCSEL，可以在室溫狀態下發射UVB的波長範圍的光(280–320 nm)，其所具有的 Al0.60Ga0.40N 腔位於兩個絕緣分布的布拉格反射物上。這兩個絕緣分布的布拉格反射設計通過一個基材上進行電化學腐刻的技術來移除進行實現的。這一新的辦法可以拓展至更短的波長，從而可以建立起一種新的技術來使得VCSEL 可以發射出UVA(320–400 nm)至UVC (<280 nm)的波長

這一新發現是來自查爾姆斯理工大學的研究人員和德國柏林工業大學的研究人員一起，為大家展示了一種迄今為止最短波長的垂直腔表面發射雷射器 ( vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL))。這一發現為將來的應用鋪平了道路，例如，消毒和醫療處理。這一結果發表在最近出版的科技期刊《ACS Photonics》上。

儘管還存在大量的工作需要開展，尤其是在電驅動的器件方面，目前的這一研究工作為實現垂直腔表面發射雷射器的實際應用構建了堅實的基礎，這一垂直腔發射雷射器 覆蓋了UV光譜範圍的大部分。

超紫外 B區間波長的垂直腔發射雷射器 的結構，表面形貌和外延結構

圖解： (a) 超紫外的垂直腔發射雷射器的結構示意圖. (b) 原子力顯微鏡觀察到的生長的金屬極Al0.6Ga0.4N的表面； (c) 和N-極的表面暴露在電化學蝕刻的犧牲層 . (d) 生長的外延生長的層結構 . 多層的犧牲層顯示為紅色。

垂直腔表面發射雷射器(vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL))是一種結構緊湊的半導體雷射並且具有廣泛的應用領域，如智慧型手機中的面部識別和數據中心的光通訊。因此，這一類型的雷射目前只有紅色和紅外波長的光是商業化的，但同時也有其他可見光波長的垂直腔表面發射雷射器，這一類型的雷射器在汽車的前燈或者投影顯示等領域也有應用，並將很快得到商業化的應用。

如果波長的範圍可以進一步的拓展的話，如進入到紫外的範圍，垂直腔表面發射雷射器就可以找到更為寬廣的應用領域。紫外光可以用來進行消毒，材料的固化，螢光激發和醫療處理等，並且紫外發射的VCSEL,例如，可以用在緊湊的水，空氣和消毒系統以及用於皮膚疾病的處理等。

為了實現UV波長的發射在紫外波段B (280-320 nm)和紫外波段C (200-280 nm),這一波段是應用中最需要的部分，雷射介質必須使用 AlGaN來製造。研究人員使用電化學蝕刻的辦法來選擇性的腐刻特定的 AlGaN 層來實現。在他們的當前的工作中，研究人員使用這一辦法來創造出世界上第一個電泵浦的UV B發射的 VCSEL。

通過使用電化學腐刻技術來移除基材和製造出光滑的AlGaN膜，研究人員解決了長期困擾著UV VCSELs的問題。VCSELs需要兩個鏡子的反射率超過99%的鏡子，並且這兩個鏡子要麼使用外延生長的辦法來生長，要麼使用絕緣體材料來進行製備。然而，在使用外延生長的時候，對UVB或UVC的反射非常高，並且典型的基材移除辦法通常用來促進第二格電絕緣的藍色發射VCSELs的沉積並不適合AlGaN。

這一新的VCSELs顯示了當前世界上最短波長的垂直腔表面發射雷射器，並且電化學腐刻技術可以拓展到UVC波長的製造，此時是滅菌應用所需要的，例如，可以用在將來的大流行病的鬥爭上和提供清潔的飲用水等方面。

文章來源：Filip Hjort et al. A 310 nm Optically Pumped AlGaN Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, ACS Photonics (2020).

相關焦點

  • 具有偏振分束功能的894nm垂直腔面發射雷射器
    為滿足垂直腔面發射雷射器在微型原子鐘、軍事通信等領域的應用，優化雷射器的結構參數來改善腔模位置以及在頂層集成光柵改善出光信號的光場分布就變得尤為重要。基於增益腔模失諧技術以及光柵優異的光束會聚、偏振分束功能，提出一種基於非周期性亞波長光柵的894 nm垂直腔面發射雷射器。利用光柵的偏振分束功能，可使器件輸出埠的消光大於30 dB。
  • 具有偏振分束功能的894nm垂直腔面發射雷射器
    為滿足垂直腔面發射雷射器在微型原子鐘、軍事通信等領域的應用，優化雷射器的結構參數來改善腔模位置以及在頂層集成光柵改善出光信號的光場分布就變得尤為重要。基於增益腔模失諧技術以及光柵優異的光束會聚、偏振分束功能，提出一種基於非周期性亞波長光柵的894 nm垂直腔面發射雷射器。利用光柵的偏振分束功能，可使器件輸出埠的消光大於30 dB。
  • 發光學報(特約綜述)| 垂直腔面發射雷射器研究進展
    原創 長光所Light中心 中國光學 收錄於話題#發光學報11個招募撰稿人/主筆垂直腔面發射雷射器（Vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL）是一種在與半導體外延片垂直方向上形成光學諧振腔、
  • 世界「最短波長」的緊湊型雷射器誕生
    原創 長光所Light中心 中國光學 收錄於話題#半導體雷射器1個【聽】AI語音朗讀撰稿人 | 趙詩源（巴黎綜合理工學院 博士生）垂直腔面發射雷射器（VCSEL）是一種快速、高功率的緊湊型半導體雷射器，其雷射垂直於頂面射出
  • 垂直腔面發射半導體雷射器的特性及其研究現狀
    近年來，以VCSEL為基礎發展起來的電抽運和光抽運垂直外腔面發射雷射器（VECSEL），在獲得高的輸出功率和光束質量的同時，可以通過在腔內插入光學元件，實現腔內倍頻、波長可調諧和鎖模等雷射技術，在雷射領域很有競爭力。本文介紹了面發射半導體雷射器的結構、工作原理及性能優勢，綜述了其在高功率輸出、可調諧技術、鎖模技術等方面的研究現狀與進展，探討了該類型雷射器的發展前景。
  • 【半導光電】垂直腔面發射雷射器(VCSEL)
    ----與智者為伍 為創新賦能----垂直腔面發射雷射器(VCSEL)是一種半導體，其雷射垂直於頂面射出，與一般用切開的獨立晶片製程，雷射由邊緣射出的邊射型雷射有所不同。1.VCSEL 原理垂直腔面發射雷射器分為底發射和頂發射類型,主要是由高反射率(>99%)的DBR 反射鏡，氧化層，光學諧振腔和金屬接觸層組成。其中氧化層所在的位置決定了 VCSEL 的發光類型，光學諧振腔包括有源區和波導限制層。
  • 垂直腔面發射半導體雷射器的特性及其研究現狀
    傳統的邊發射半導體雷射器已實現較大功率輸出，但其輸出光斑為橢圓形，光斑的縱橫比最差可達100 … 1，在某些應用中須附加光束整形系統。 1979年，Soda等提出了垂直腔面發射雷射器（VCSEL）的概念，與傳統的邊發射雷射器不同的是其雷射出射方向垂直於襯底表面，可獲得圓形光斑。
  • 有史以來最短波長的VCSEL誕生
    打開APP 有史以來最短波長的VCSEL誕生 MEMS 發表於 2021-01-04 13:54:21 據麥姆斯諮詢報導，瑞典查爾姆斯理工大學
  • 有史以來最短波長VCSEL誕生,可用於消毒和醫療領域
    據麥姆斯諮詢報導，瑞典查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology）與柏林工業大學的研究人員展示了迄今為止所報導的垂直腔表面發射雷射器
  • 研究人員開發出一種性能創記錄的垂直腔表面發射雷射器
    打開APP 研究人員開發出一種性能創記錄的垂直腔表面發射雷射器 MEMS 發表於 2020-12-01 17:29:55 據麥姆斯諮詢報導，美國喬治華盛頓大學（George Washington University，簡稱：GWU）的研究人員開發出一種性能創記錄的垂直腔表面發射雷射器（VCSEL），其通過增強「慢光」特性，獲得100 GHz的帶寬。
  • 量子級聯雷射器擴展到更短的波長
    由於法國Montpellier大學的Alexei Baranov及其同事的努力，量子級聯雷射器（QCL）現在能夠發射比以往更短波長的雷射。    該團隊製造出了基於InAs/AlSb材料的器件，能在80K的溫度下以脈衝模式工作，並在雷射波長2.75μ時達到每面0.3W的功率。第二個器件使用的是相同的材料體系，能在接近室溫的溫度下工作並達到每面1.5W，但是發射波長較長可達到2.97μ。
  • 傅立葉變換紅外光譜技術(FTIR)助力人臉識別技術硬體:垂直腔面發射...
    人臉識別和垂直腔面發射雷射器（VCSELs）人臉識別技術，這一重大進展硬體上可以通過所謂的垂直腔面發射雷射器(vertical-cavity surface-emitting lasers，簡稱VCSELs)來實現。
  • Bandwidth10為光學相干層析成像應用開發出一款電調諧式垂直腔面...
    打開APP Bandwidth10為光學相干層析成像應用開發出一款電調諧式垂直腔面發射雷射器 發表於 2018-12-24 11:30:58
  • 幾種新體制半導體雷射器及相關產業的現狀、挑戰和思考
    >（一）光泵浦垂直腔面發射雷射器光泵浦垂直外腔面發射雷射器（OP-VECSEL），又稱光泵浦半導體雷射器（OPSLs），或半導體碟片雷射器（SDL），是半導體雷射與固體雷射結合的產物。它的增益晶片採用半導體材料，與垂直腔面發射雷射器（VCSEL）非常相似；諧振腔結構則採用固體雷射器構型，通常由半導體晶片上的分布布拉格反射鏡 （DBR）和外腔鏡共同構成；泵浦方式通常使用光泵浦，可以提供更靈活的工作方式和更優良的器件性能。VECSEL 使用半導體晶片作為增益物質，可以提供多種波長選擇和寬譜的調諧範圍。
  • 一文解讀國內外半導體雷射器產業發展現狀趨勢
    1、光泵浦垂直腔面發射雷射器光泵浦垂直外腔面發射雷射器（OP-VECSEL），又稱光泵浦半導體雷射器（OPSLs），或半導體碟片雷射器（SDL），是半導體雷射與固體雷射結合的產物。它的增益晶片採用半導體材料，與垂直腔面發射雷射器（VCSEL）非常相似；諧振腔結構則採用固體雷射器構型，通常由半導體晶片上的分布布拉格反射鏡（DBR）和外腔鏡共同構成；泵浦方式通常使用光泵浦，可以提供更靈活的工作方式和更優良的器件性能。VECSEL 使用半導體晶片作為增益物質，可以提供多種波長選擇和寬譜的調諧範圍。
  • 雷射器輸出波長在光譜上的拓展之路
    早期，雷射用戶可選擇的波長屈指可數。隨著新的雷射發射波長、諧波產生、可調諧雷射器和非線性波長轉換等產品和技術的出現，現在雷射用戶幾乎可以實現任何想要的波長。　　在汽車大規模生產的初期，亨利&bull;福特說客戶只能購買到黑色的汽車。在雷射器問世後的最初幾年，尋求可見光雷射器的用戶只能獲得紅色的雷射輸出。
  • 俄羅斯開發出世界上最緊湊的綠光半導體雷射器
    美國物理學家組織網報導，近日，科學家宣布開發出了世界上最緊湊的半導體雷射器，該雷射器在室溫下工作在可見光範圍。
  • VCSEL雷射器是什麼?它很厲害嗎?
    VCSEL雷射器全名為垂直共振腔表面放射雷射器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL），簡稱面射型雷射器。它以砷化鎵半導體材料為基礎研製，是一種半導體雷射器。其雷射垂直於頂面射出，與雷射由邊緣射出的邊射型雷射有所不同。
  • 幾種半導體可調諧雷射器原理及特點
    比較常見的可調諧半導體雷射器從實現技術上有：電流控制技術、溫度控制技術和機械控制技術等類型。基於溫控技術的主要有DFB（分布反饋）和DBR（分布布喇格反射）雷射器。機械控制主要是基於MEMS（微機電系統）技術完成波長的選擇，具有較大的可調帶寬、較高的輸出功率。基於機械控制技術的主要有DFB（分布反饋）、ECL（外腔雷射器）和VCSEL（垂直腔表面發射雷射器）等結構。下面從這幾個方面可調諧雷射器的原理進行說明。