Laser ultravioletti con emissione superficiale a soglia ultrabassa con nanofili semiconduttori

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6633 (2023) Citare questo articolo

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I laser a semiconduttore a emissione superficiale (SE) hanno cambiato la nostra vita quotidiana in vari modi, ad esempio nella comunicazione e nel rilevamento. L'espansione della lunghezza d'onda operativa dei laser a semiconduttore SE a una gamma di lunghezze d'onda ultraviolette (UV) più corte amplia ulteriormente le applicazioni alla disinfezione, alla diagnostica medica, alla fototerapia e così via. Tuttavia, la realizzazione di laser SE nella gamma UV continua ad essere una sfida. Nonostante la recente svolta nei laser UV SE con nitruro di alluminio e gallio (AlGaN), i laser UV a nanofili AlGaN iniettati elettricamente si basano su cavità ottiche casuali, mentre i laser SE a cavità verticale AlGaN UV (VCSEL) sono tutti tramite pompaggio ottico e sono tutti con densità di potenza di soglia laser elevate nell'intervallo da diverse centinaia di kW/cm2 a MW/cm2. Qui, riportiamo la soglia ultrabassa, il laser SE nell'intervallo spettrale UV con cristalli fotonici nanofili epitassiali basati su GaN. Viene misurato il laser a 367 nm, con una soglia di soli circa 7 kW/cm2 (~ 49 μJ/cm2), un fattore di riduzione di 100 volte rispetto ai VCSEL UV AlGaN convenzionali precedentemente riportati a lunghezze d'onda laser simili. Questo è anche il primo risultato ottenuto dai laser SE a cristalli fotonici nanofili nella gamma UV. Inoltre, dato l’eccellente drogaggio elettrico già stabilito nei nanofili di nitruro III, questo lavoro offre un percorso praticabile per lo sviluppo dei tanto ricercati laser UV SE a semiconduttore.

I laser a semiconduttore SE sono importanti per una varietà di campi come la fotonica, le tecnologie dell'informazione e della comunicazione e le scienze biomediche1,2,3,4,5,6. Rispetto ai laser a emissione laterale, i laser SE offrono una serie di vantaggi come la divergenza del raggio anabbagliante, il modello circolare del campo lontano, l'elevata velocità di modulazione, la capacità di integrazione bidimensionale e così via5, 7. Nel corso di decenni di sviluppo, l'arseniuro di gallio ( I laser SE nel vicino infrarosso (IR) basati su GaAs si sono trasformati in un'industria da miliardi di dollari, influenzando sia la comunicazione dei dati che il rilevamento 3D come il riconoscimento facciale e l'imaging del tempo di volo8,9,10,11,12. Il successo dei laser SE nel vicino IR purtroppo non si vede nelle gamme spettrali del visibile e dell’UV più brevi. Ad esempio, nonostante gli incoraggianti progressi compiuti negli ultimi anni nei laser SE blu e verdi basati su GaN, questi non hanno ancora raggiunto lo stesso livello di maturità di quello dei loro omologhi nel vicino IR4, 10, 13,14,15, 16,17,18,19,20,21,22,23. Nella gamma UV la situazione è ancora più ritardata. Nessuna delle tecnologie esistenti può soddisfare le esigenze applicative pratiche. La svolta nello sviluppo del laser UV SE è fondamentale per una varietà di applicazioni legate alla nostra vita quotidiana, tra cui disinfezione, diagnostica medica, fototerapia, polimerizzazione e stampa 3D ad alta risoluzione24, 25.

Al momento, mentre ci sono molti sforzi esistenti nello sviluppo di laser UV SE con altri sistemi materiali come semiconduttori organici e ossido di zinco (ZnO), così come altre tecnologie fotoniche come l'accoppiamento di ottiche non lineari con VCSEL basati su GaAs nel vicino IR, ad es. , Rif.26,27,28,29,30,31. L'AlGaN ha ricevuto un ampio interesse per lo sviluppo del laser UV SE grazie a una serie di vantaggi come energie di banda proibita diretta, ultraampia e sintonizzabile, chimicamente stabile, meccanicamente resistente, altamente compatta e così via. Tuttavia, i laser UV SE a nanofili AlGaN iniettati elettricamente dimostrati finora sono tutti basati su cavità ottiche casuali32,33,34,35, mentre i VCSEL UV AlGaN sono tutti sottoposti a pompaggio ottico e sono tutti con densità di potenza di soglia laser elevate8, 11, 36,37 ,38,39,40,41,42,43,44,45. Ad esempio, la densità di potenza soglia per i laser inferiori a 280 nm è 1,2 MW/cm239, e anche per i laser a lunghezza d'onda maggiore (ad esempio, vicino a 400 nm) la densità di potenza soglia è nell'intervallo di circa 200–400 kW/cm211 , 40. Qui, dimostriamo il laser SE con soglia ultrabassa nell'intervallo spettrale UV utilizzando strutture di cristalli fotonici di nanofili epitassiali basati su GaN (epi-NPC), che non solo superano gli inconvenienti delle cavità ottiche casuali con nanofili auto-organizzati, ma anche mitigano notevolmente le sfide dei VCSEL UV AlGaN convenzionali. Il laser UV SE mostrato in questo studio è a 367 nm con una soglia di soli 7 kW/cm2, una riduzione di 100 volte rispetto ai convenzionali VCSEL UV AlGaN. L'uso di laser SE basati su cristalli fotonici può anche potenzialmente offrire una modalità singola uniforme su una vasta area e altri vantaggi come il raggio su richiesta12.