Realizacja wysokiej mocy optycznej pionowych laserów półprzewodnikowych w ultrafiolecie! Obiecujące praktyczne zastosowania w medycynie i obróbce laserowej

Niedawno japoński zespół badawczy wyprodukował oparte na AlGaN pionowe, półprzewodnikowe urządzenie laserowe emitujące głębokie ultrafiolet, które ma znaleźć zastosowanie w dziedzinie obróbki laserowej, biotechnologii i medycyny.
Jak wszyscy wiemy, światło ultrafioletowe (UV) to fala elektromagnetyczna o długości fali w zakresie od 100 do 380 nm. Te długości fal można podzielić na trzy obszary: UV-A (315-380 nm), UV-B (280-315 nm) i UV-C (100-280 nm). ), dwa ostatnie obszary zawierają głębokie światło ultrafioletowe.
Laserowe źródła światła emitujące w obszarze UV, takie jak lasery gazowe i lasery na ciele stałym bazujące na harmonicznych laserów itrowo-aluminiowo-granatowych, mogą mieć szerokie zastosowanie, m.in. w biotechnologii, leczeniu dermatologicznym, procesach utwardzania promieniami UV i laserem. przetwarzanie. Jednakże takie lasery charakteryzują się dużymi rozmiarami, dużym zużyciem energii, ograniczonym zakresem długości fal i niską wydajnością.

W ostatnich latach równolegle z ciągłym rozwojem technologii wytwarzania promowany jest rozwój wysokowydajnych laserów półprzewodnikowych, które generują światło poprzez wstrzykiwanie prądu. Należą do nich urządzenia emitujące światło ultrafioletowe oparte na materiale półprzewodnikowym aluminium i azotku galu AlGaN. Jednakże ich maksymalna optyczna moc wyjściowa w głębokim obszarze UV ​​wynosi tylko około 150 mW, czyli znacznie poniżej mocy wymaganej w zastosowaniach medycznych i przemysłowych. Zwiększenie prądu wtrysku urządzenia ma kluczowe znaczenie dla zwiększenia mocy wyjściowej. Wymaga to zwiększenia rozmiaru urządzenia, a także zapewnienia równomiernego przepływu prądu w urządzeniu.
W kontekście tych badań japoński zespół badawczy kierowany przez prof. Motome Iwayę z Wydziału Nauki i Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu Meijo z powodzeniem opracował wysokowydajne pionowe półprzewodnikowe diody laserowe UV-B typu AlGaN. Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie Applied Physics Letters.
Prof. Motome Iwaya stwierdził, że istniejące lasery głębokiego ultrafioletu na bazie AlGaN wykorzystują materiały izolacyjne, takie jak szafir i AlN, w celu uzyskania kryształów wysokiej jakości. Ponieważ jednak w tych urządzeniach prąd płynie bocznie, aby poprawić ich strumień świetlny, naukowcy zbadali urządzenia pionowe, w których elektrody p i n są zwrócone ku sobie w złączu pn. Jednak od kilku lat do realizacji urządzeń półprzewodnikowych dużej mocy wykorzystuje się konfiguracje pionowe. Jednak w przypadku laserów półprzewodnikowych rozwój takich konfiguracji uległ stagnacji i nie został jeszcze zrealizowany w przypadku urządzeń emitujących światło w głębokim ultrafiolecie na bazie azotku glinu. W tym celu badacze najpierw wytworzyli wysokiej jakości azotek glinu na podłożu szafirowym. Następnie uformowano okresowe nanopilary z azotku glinu i osadzono je w strukturach laserowych na bazie azotku glinu.
Zespół zastosował innowacyjną technikę usuwania izolacji laserowej opartą na impulsowych laserach na ciele stałym, aby usunąć struktury urządzenia z podłoża. Opracowali także proces półprzewodników służący do wytwarzania elektrod, struktur ograniczających prąd i warstw izolacyjnych potrzebnych do oscylacji lasera, a także metodę rozszczepiania przy użyciu ostrzy w celu utworzenia doskonałych rezonatorów optycznych. Powstała w ten sposób półprzewodnikowa dioda laserowa głębokiego UV-B na bazie AlGaN ma nowatorskie i unikalne właściwości. Działa w temperaturze pokojowej, emituje wyjątkowo ostre światło o długości fali 298,1 nm, ma dobrze zdefiniowany prąd progowy i silną poprzeczną polaryzację elektryczną. Naukowcy zaobserwowali także specyficzny dla lasera plamkowy wzór pola dalekiego, potwierdzając oscylacje urządzenia.
Z badania wynika, że ​​urządzenia pionowe mogą dostarczać duże prądy do pracy urządzeń dużej mocy. W przyszłości odegra większą rolę w nowych, opłacalnych procesach produkcyjnych m.in. pojazdów elektrycznych i sztucznej inteligencji. Naukowcy mają także nadzieję, że pionowe lasery UV na bazie azotku glinu znajdą praktyczne zastosowania w medycynie i produkcji.