近期，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员与德国柏林工业大学的合作者，一起展示了现存能发射最短波长的垂直腔面发射激光器（VCSEL）。这为未来在消毒和医疗等方面的应用奠定了基础。该研究成果最近以A310nmOpticallyPumpedAlGaNVertical-CavitySurface-EmittingLaser为题发表在ACSPhotonics上。

“尽管还有很多工作要做，特别是要实现电泵浦驱动，但该成果为实现覆盖大部分紫外光谱范围的VCSEL却提供了重要基础。”FilipHjort博士说，他是本文的第一作者，也是MC2光子学实验室的博士生。

光泵浦 UVB VCSEL 的艺术插图（图片版权：ACS Photonics）

VCSEL是一种紧凑型半导体激光器，在数据通信、传感和照明等领域发挥着巨大作用，现已广泛应用于智能手机的人脸识别以及数据传输的光通信模块。到目前为止，这类激光器的商业应用集中在可见红光和红外波段。还有其他可见光发射的VCSEL，可以应用于汽车的自适应前大灯或投影仪，很快也会商业化。

“如果将波长范围进一步推向紫外线（UV），那么VCSEL将有更广泛的用途。紫外线可以用于消毒、材料固化、荧光激发和医疗，未来能发出紫外线的紧凑型VCSEL还可应用于水源、空气和表面消毒杀菌系统，以及皮肤病治疗。”FilipHjort说。

为了实现大多数应用场景所需的UVB（280nm-320nm）和UVC（200nm-280nm）中的紫外线发射波长，激光介质必须由氮化镓铝（AlGaN）制成。MC2光子学实验室教授ÅsaHaglund的研究小组先前与柏林工业大学的学者，合作展示了一种电化学蚀刻方法，该方法可用于选择性蚀刻特定的AlGaN层。两个研究小组在当前的工作中使用这种方法创建了世界上首个光泵浦UVB波段的VCSEL。

“通过使用电化学蚀刻技术去除基底并创建光滑的AlGaN膜，我们解决了VCSEL在紫外线波段长期存在的问题。一般来说，VCSEL需要两个反射率超过99%的反射镜，这些反射镜可以采用外延生长或介电材料制成。但是，使用外延生长并不能实现高UVB或UVC的反射率，并且用于在发蓝光VCSEL中沉积第二介电镜的典型衬底去除方法不适用于AlGaN，”Hjort解释道，“通过采用电化学蚀刻，我们能够制造出可以夹在两个高反射率介电镜之间的AlGaN膜。通过这种方式，我们形成了一个在光泵浦下发出激光的垂直腔体。”

UVB VCSEL 结构，表面形貌和外延结构。（a）UVB VCSEL 的示意图结构。（b）生长 的金属极性 Al0.6Ga0.4N 表面的显微镜图像。（c）牺牲层电化学蚀刻暴露的 N 极表面 显微镜图像。（d）生长的外延层结构。多层牺牲层标记为红色。（图片版权：ACS Photonics）

新成果展示了有史以来波长最短的VCSEL，电化学蚀刻技术也可扩展到UVC波长，这是灭菌应用例如对抗未来的流行病和提供清洁饮用水所需要的技术。值得一提的是，该项技术还很容易扩展到更短的紫外波长范围，成为一个重要跳板，用来实现覆盖整个紫外光区域的VCSEL。

该团队指出，如何结合隧道结（tunneljunction）电注入技术是未来应用的关键，如果可以成功突破，有望为医疗应用和消毒系统提供一种具有出色光束特性的小尺寸，高能效紫外光源。