Realizace vysokého optického výkonu vertikálních ultrafialových polovodičových laserů! Slibné praktické aplikace v oblasti medicíny a laserového zpracování

Nedávno japonský výzkumný studijní tým vyrobil vertikální polovodičové laserové zařízení s hlubokým ultrafialovým vyzařováním na bázi AlGaN, u kterého se očekává použití v oblasti laserového zpracování, biotechnologie a medicíny.
Jak všichni víme, ultrafialové (UV) světlo je elektromagnetické vlnění s rozsahem vlnových délek 100 až 380 nm. Tyto vlnové délky lze rozdělit do tří oblastí: UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) a UV-C (100-280 nm). ), poslední dvě oblasti obsahují hluboké ultrafialové světlo.
Laserové světelné zdroje emitující v UV oblasti, jako jsou plynové lasery a pevnolátkové lasery založené na harmonických yttrium-hliník-granátových laserech, lze použít v široké škále aplikací, včetně biotechnologií, dermatologických ošetření, UV vytvrzovacích procesů a laseru. zpracovává se. Takové lasery však trpí velkými rozměry, vysokou spotřebou energie, omezeným rozsahem vlnových délek a nízkou účinností.

V posledních letech se souběžně s neustálým vývojem výrobní technologie prosazuje vývoj vysoce výkonných polovodičových laserů, které generují světlo vháněním proudu. Patří mezi ně zařízení vyzařující ultrafialové světlo na bázi polovodičového materiálu hliník gallium nitrid AlGaN. Jejich maximální optický výstupní výkon v hluboké UV oblasti je však pouze asi 150 mW, což je daleko pod výkonem požadovaným pro lékařské a průmyslové aplikace. Zvýšení injekčního proudu zařízení je rozhodující pro zvýšení výstupního výkonu. To vyžaduje zvětšení velikosti zařízení a také je třeba zajistit, aby proud procházel zařízením rovnoměrně.
V kontextu tohoto výzkumu japonský výzkumný tým vedený prof. Motome Iwayou z katedry materiálových věd a inženýrství na Meijo University úspěšně vyvinul vysoce výkonné vertikální UV-B polovodičové laserové diody typu AlGaN. Studie byla publikována v časopise Applied Physics Letters.
Prof. Motome Iwaya uvedl, že stávající hluboce ultrafialové lasery na bázi AlGaN využívají k získání vysoce kvalitních krystalů izolační materiály, jako je safír a AlN. Ale protože proud teče v těchto zařízeních laterálně, aby se zlepšil jejich světelný výkon, vědci prozkoumali vertikální zařízení, ve kterých jsou p- a n-elektrody proti sobě v pn přechodu. Ale v posledních několika letech se k realizaci vysoce výkonných polovodičových zařízení používaly vertikální konfigurace. U polovodičových laserů však vývoj takových konfigurací stagnoval a dosud nebyl realizován pro zařízení vyzařující hluboké ultrafialové světlo na bázi nitridu hliníku. Za tímto účelem vědci nejprve vyrobili vysoce kvalitní nitrid hliníku na safírovém substrátu. Poté byly vytvořeny periodické nanopilary z nitridu hliníku a naneseny pomocí laserových struktur na bázi nitridu hliníku.
Tým využil inovativní techniku ​​laserového odizolování založenou na pulzních pevnolátkových laserech k odstranění struktur zařízení ze substrátu. Vyvinuli také polovodičový proces pro výrobu elektrod, struktur omezujících proud a izolačních vrstev potřebných pro laserové oscilace a metodu štěpení pomocí lopatek k vytvoření vynikajících optických rezonátorů. Výsledná hluboká UV-B polovodičová laserová dioda na bázi AlGaN má nové a jedinečné vlastnosti. Funguje při pokojové teplotě, vyzařuje extrémně ostré světlo na 298,1 nm, má dobře definovaný prahový proud a silnou příčnou elektrickou polarizaci. Výzkumníci také pozorovali laserově specifický bodový vzor vzdáleného pole, který potvrzují oscilace zařízení.
Studie ukazuje, že vertikální zařízení mohou poskytovat vysoké proudy pro provoz zařízení s vysokým výkonem. V budoucnu bude hrát větší roli mimo jiné v nových nákladově efektivních výrobních procesech pro elektrická vozidla a umělou inteligenci. A vědci také doufají, že vertikální UV lasery na bázi nitridu hliníku najdou praktické uplatnění v lékařských a výrobních oborech.