Superfície de limiar ultrabaixo emitindo lasers ultravioleta com nanofios semicondutores

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 6633 (2023) Citar este artigo

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Os lasers semicondutores emissores de superfície (SE) mudaram nossa vida cotidiana de várias maneiras, como comunicação e detecção. A expansão do comprimento de onda de operação dos lasers semicondutores SE para uma faixa de comprimento de onda ultravioleta (UV) mais curta amplia ainda mais as aplicações para desinfecção, diagnósticos médicos, fototerapia e assim por diante. No entanto, a realização de lasers SE na faixa UV continua sendo um desafio. Apesar do recente avanço nos lasers UV SE com nitreto de gálio e alumínio (AlGaN), os lasers UV de nanofios AlGaN injetados eletricamente são baseados em cavidades ópticas aleatórias, enquanto os lasers AlGaN UV de cavidade vertical SE (VCSELs) são todos por bombeamento óptico e são todos com grandes densidades de potência de limiar de laser na faixa de várias centenas de kW/cm2 a MW/cm2. Aqui, relatamos limiar ultrabaixo, laser SE na faixa espectral UV com cristais fotônicos de nanofios epitaxiais baseados em GaN. O laser a 367 nm é medido, com um limite de apenas cerca de 7 kW/cm2 (~ 49 μJ/cm2), um fator de redução de 100 × em comparação com os AlGaN UV VCSELs convencionais relatados anteriormente em comprimentos de onda de laser semelhantes. Esta é também a primeira conquista dos lasers SE de cristal fotônico de nanofios na faixa UV. Além disso, dada a excelente dopagem elétrica que já foi estabelecida em nanofios de nitreto III, este trabalho oferece um caminho viável para o desenvolvimento dos tão procurados lasers semicondutores UV SE.

Lasers semicondutores SE são importantes para uma variedade de campos, como fotônica, tecnologias de informação e comunicação e ciências biomédicas1,2,3,4,5,6. Em comparação com os lasers emissores de borda, os lasers SE oferecem várias vantagens, como divergência de feixe baixo, padrão circular de campo distante, velocidade de modulação rápida, capacidade de integração bidimensional e assim por diante5, 7. Ao longo de décadas de desenvolvimento, o arsenieto de gálio ( Os lasers SE de infravermelho próximo (IR) baseados em GaAs se transformaram em uma indústria de bilhões de dólares, impactando tanto a comunicação de dados quanto a detecção 3D, como reconhecimento facial e imagens de tempo de voo8,9,10,11,12. Infelizmente, o sucesso dos lasers SE no infravermelho próximo não é visto nas faixas espectrais visíveis e UV mais curtas. Por exemplo, apesar do progresso encorajador nos lasers SE azuis e verdes baseados em GaN nos últimos anos, eles ainda não atingiram o mesmo nível de maturidade que seus equivalentes no infravermelho próximo4, 10, 13,14,15, 16,17,18,19,20,21,22,23. Na faixa UV, a situação é ainda mais atrasada. Nenhuma das tecnologias existentes pode atender às necessidades de aplicação prática. A inovação no desenvolvimento do laser UV SE é fundamental para uma variedade de aplicações relacionadas à nossa vida cotidiana, incluindo desinfecção, diagnóstico médico, fototerapia, cura e impressão 3D de alta resolução24, 25.

No momento, embora existam muitos esforços no desenvolvimento de lasers UV SE com outros sistemas de materiais, como semicondutores orgânicos e óxido de zinco (ZnO), bem como outras tecnologias fotônicas, como acoplamento de óptica não linear a VCSELs baseados em GaAs próximo ao infravermelho, por exemplo , Refs.26,27,28,29,30,31. AlGaN tem recebido um grande interesse pelo desenvolvimento do laser UV SE devido a uma série de vantagens, como energias bandgap diretas, ultralargas e sintonizáveis, quimicamente estáveis, mecanicamente fortes, altamente compactas e assim por diante. No entanto, os lasers UV SE de nanofios AlGaN injetados eletricamente demonstrados até agora são todos baseados em cavidades ópticas aleatórias32,33,34,35, enquanto AlGaN UV VCSELs são todos por meio de bombeamento óptico e são todos com grandes densidades de potência de limiar de laser8, 11, 36,37 ,38,39,40,41,42,43,44,45. Por exemplo, a densidade de potência limite para laser sub-280 nm é de 1,2 MW/cm239 e, mesmo para laser em comprimento de onda mais longo (p. , 40. Aqui, demonstramos limiar ultrabaixo, laser SE na faixa espectral UV usando estruturas de cristal fotônico de nanofio epitaxial baseadas em GaN (epi-NPC), que não apenas superam as desvantagens de cavidades ópticas aleatórias com nanofios auto-organizados, mas também mitigar significativamente os desafios em AlGaN UV VCSELs convencionais. O laser UV SE mostrado neste estudo é de 367 nm com um limite de apenas 7 kW/cm2, uma redução de 100× em comparação com os AlGaN UV VCSELs convencionais. O uso de lasers SE baseados em cristal fotônico também pode potencialmente oferecer modo único uniforme em uma grande área e outros benefícios, como feixe sob demanda12.