Bild på forskningen.
En konstnärlig illustration av en optiskt pumpad ultraviolett B (UVB) vertikalkavitetslaser (VCSEL). Illustration: Krantz NanoArt

De skapar kompakta lasrar vid rekordkorta våglängder

Forskare på Chalmers tekniska högskola, med samarbetspartners vid Technische Universität Berlin, har demonstrerat den kortaste våglängd som hittills rapporterats för en ytemitterande laser med vertikal kavitet (VCSEL). Detta kan bana väg för framtida användning inom till exempel desinfektion och medicinsk behandling. Resultaten publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften ACS Photonics.
– Även om det fortfarande kvarstår mycket arbete, särskilt för att möjliggöra elektriskt drivna komponenter, är denna demonstration en viktig byggsten för förverkligandet av praktiska ytemitterande lasrar som täcker större delen av UV-spektrat, säger artikelns huvudförfattare Filip Hjort, doktorand på avdelningen för fotonik på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2.
 
En så kallad VCSEL är en kompakt halvledarlaser som idag flitigt används inom till exempel ansiktsigenkänning i smarta telefoner och för optisk kommunikation i serverhallar. Hittills är dessa lasrar endast kommersiellt tillgängliga med röda och infraröda våglängder, men även andra synliga VCSEL:ar, som kan hitta applikationer i adaptiva strålkastare för bilar eller projektionsdisplayer, kommer snart att kommersialiseras.
– Om vertikalkavitetslasrar skulle kunna skicka ut ultraviolett ljus (UV) skulle de kunna få en ännu bredare användning. UV-ljus kan användas för desinfektion, materialhärdning, excitering av fluoroforer och medicinsk behandling, och UV-emitterande VCSEL:ar skulle till exempel kunna användas i kompakta vatten-, luft- och ytdesinfektionssystem samt för behandling av hudsjukdomar, säger Filip Hjort.

Fyra av forskarna bakom de nya resultaten, fr v Johannes Enslin, Technische Universität Berlin, Michael Bergmann, Chalmers, Åsa Haglund, Chalmers, och Filip Hjort, Chalmers. Foto: Henrik Sandsjö
 
För att realisera UV-ljus med en våglängd i ultraviolett B (UVB-ljus, 280–320 nm) och ultraviolett C (UVC-ljus, 200–280 nm), vilket behövs för de flesta av dessa tillämpningar, måste lasermediet vara tillverkat av halvledarmaterialet AlGaN. Forskargruppen på Chalmers, ledd av Åsa Haglund, biträdande professor på avdelningen för fotonik, har tidigare tillsammans med kollegorna på Technische Universität Berlin demonstrerat en elektrokemisk etsningsmetod som kan användas för att selektivt etsa specifika AlGaN-skikt. I den nya demonstrationen använder de två forskargrupperna denna metod för att skapa världens första optiskt pumpade UVB-emitterande VCSEL.
– Med den elektrokemiska etsningsmetoden kunde vi avlägsna substratet och istället skapa släta AlGaN-membran. Därmed löste vi ett långvarigt problem för UV-emitterande vertikalkavitetslasrar. VCSEL:ar behöver två speglar som vardera reflekterar över 99% av ljuset och dessa speglar kan antingen tillverkas genom epitaxiell växt eller av dielektriska material. Tillräckligt hög reflektionsförmåga har tidigare inte uppnåtts med epitaxiellt växta speglar, och de substratborttagningsmetoder som vanligtvis används för att möjliggöra den andra dielektriska spegeln i en blå-emitterande VCSEL är inte lämpliga för AlGaN, förklarar Filip Hjort.
 
Han fortsätter:
– Men med vår metod kunde vi skapa AlGaN-membran som placerades mellan två högreflektiva dielektriska speglar. På detta sätt bildade vi en vertikal kavitet som lasrar under optisk pumpning.
 
Den nu presenterade demonstrationen sätter nytt världsrekord: det är den kortaste våglängd som någonsin rapporterats för en VCSEL. Den elektrokemiska etsningsmetoden kan även användas för att skapa lasrar vi de ännu kortare UVC-våglängderna som behövs inom steriliseringstillämpningar för att till exempel bekämpa framtida pandemier och ge rent dricksvatten.
 

Kontakter

Filip Hjort, doktorand, avdelningen för fotonik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola, Sverige, filip.hjort@chalmers.se
 
Åsa Haglund, biträdande professor, avdelningen för fotonik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola, Sverige, asa.haglund@chalmers.se
 

Läs artikeln i ACS Photonics >>>


Sidansvarig Publicerad: må 21 dec 2020.