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研究人员首次在室温下实现深紫外激光二极管的连续波段放电

cnBeta.COM 徽标 cnBeta.COM 2022/11/24 ugmbbc

科学家们已经成功地进行了世界上第一次深紫外激光二极管(波长低至紫外-C区域)的室温连续波放电。这些结果代表着向广泛使用这项技术迈出了一步,该技术具有广泛的应用潜力,包括消毒和医疗。

这项研究成果今天(11月24日)发表在期刊《应用物理学通讯》上,由2014年诺贝尔奖得主天野浩领导的研究小组与旭化成公司合作,在日本中部的名古屋大学材料与系统可持续发展研究所(IMaSS)进行。

自20世纪60年代推出以来,经过几十年的研究和开发,激光二极管(LD)终于成功实现了商业化,用于波长从红外到蓝紫色的一些应用。这种技术的例子包括使用红外LD的光通信设备和使用蓝紫色LD的蓝光光盘。然而,尽管世界各地的研究小组都在努力,但没有人能够开发出深紫外LD。2007年以后,随着制造氮化铝(AlN)基板的技术的出现,才出现了一个关键的突破,这是一种用于生长紫外发光器件的氮化铝(AlGaN)薄膜的理想材料。

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科学家们在世界范围内首次展示了深紫外激光二极管在室温下的连续波放电。资料来源:Issey Takahashi

从2017年开始,天野教授的研究小组与提供2英寸AlN基板的旭化成公司合作,开始开发深紫外LD。起初,向设备中充分注入电流过于困难,阻碍了紫外-C激光二极管的进一步发展。但在2019年,该研究小组利用极化诱导的掺杂技术成功地解决了这个问题。他们首次生产出了一种短波长的紫外线-可见光(UV-C)LD,该器件以短脉冲电流运行。然而,这些电流脉冲所需的输入功率为5.2瓦。这对于连续波发光来说太高了,因为功率会导致二极管迅速升温并停止发光。

但是现在,来自名古屋大学和旭化成的研究人员已经重塑了设备本身的结构,减少了激光器所需的驱动功率,使其在室温下的工作功率仅为1.1W。早期的设备被发现需要很高的工作功率,因为由于激光条纹处出现的晶体缺陷而无法形成有效的电流路径。但在这项研究中,研究人员发现,强烈的晶体应变产生了这些缺陷。通过巧妙地裁剪激光条纹的侧壁,他们抑制了这些缺陷,实现了有效的电流流向激光二极管的活性区域,并降低了工作功率。

名古屋大学的产学合作平台,即未来电子学综合研究中心、变革性电子设施(C-TEFs),使新的紫外激光技术的开发成为可能。在C-TEFs下,来自旭化成等合作伙伴的研究人员可以共享名古屋大学校园内最先进的设施,为他们提供建造可重复的高质量设备所需的人员和工具。研究小组的代表Zhang Ziyi在参与项目创建时,正在旭化成公司读二年级。"我想做一些新的事情,"他在接受采访时说。"当时大家都认为深紫外激光二极管是不可能的,但天野教授告诉我,'我们已经做到了蓝色激光,现在是紫外线的时候了'。"

这项研究是所有波长范围的半导体激光器的实际应用和发展的一个里程碑。未来,紫外-C激光器可应用于医疗保健、病毒检测、颗粒物测量、气体分析和高清激光处理。"它在消毒技术方面的应用可能是开创性的,"Zhang说。"与目前的LED消毒方法不同,它的时间效率很低,激光可以在短时间内进行大面积的消毒,而且距离很远"。这项技术可能特别有利于需要消毒手术室和自来水的外科医生和护士。

成功的结果已在《应用物理学通讯》杂志的两篇论文中报告。

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