【资讯】低成本室温连续波UV-B半导体激光器问世

2026-05-22 17:54:36

       紫外光是科学、医学和工业领域中的一种强有力工具。特别是介于可见光和短波紫外线之间的中波紫外线（UV-B），已被广泛应用于皮肤病光疗、杀菌消毒、DNA分析及高精度制造等领域。尽管UV-B激光意义重大，但实用的激光光源仍较为稀缺。现有系统多依赖气体激光器或复杂光学装置，这些设备体积大、成本高，难以集成到紧凑型或可扩展系统中。

       半导体激光二极管提供了一种极具吸引力的替代方案。它们体积小巧、能源效率高，且非常适合大规模生产。然而，将半导体激光技术扩展到UV-B波段一直面临着巨大的挑战。产生UV-B光所需的高铝组分氮化物材料存在晶体缺陷多、光限制能力差以及散热严重等问题。因此，以往的UV-B激光二极管仅能工作于脉冲模式，或需低温冷却以维持稳定运行。

       日本名城大学（Meijo University）的Motoaki Iwaya教授及其团队攻克了这些长期存在的难题。该研究由Motoaki Iwaya教授团队与名城大学Tetsuya Takeuchi教授、Satoshi Kamiyama教授，三重大学（Mie University）Hideto Miyake教授，以及日本牛尾电机株式会社（Ushio Inc.）、日本制钢所（The Japan Steel Works, Ltd.）的研究人员合作完成。

       研究人员开发了一种生长在蓝宝石衬底上的新型铝镓氮（AlGaN）激光二极管结构。蓝宝石衬底成本低且广泛用于商业半导体制造，这为实现低成本、大规模生产奠定了基础，使UV-B激光二极管更接近实际应用与广泛部署。为了解决AlGaN与蓝宝石之间晶体结构不匹配的问题，团队采用了一种弛豫AlGaN模板，该模板在保留光学质量的同时显著减少了缺陷。该方法提升了器件良率与可靠性，对可扩展制造与实际应用至关重要。此外，他们设计了折射率导引型脊形波导以有效限制光场，并采用高反射率介质膜反射镜增强激光反馈。

       Motoaki Iwaya博士表示：“这些设计创新同时实现了强光限制与高效热管理。室温连续波运行一直是UV-B半导体激光器的长期目标，而本研究证明了其可行性。”

       利用这种方法，该团队演示了在20°C下波长为318 nm的连续波激射。该激光二极管阈值电流为64 mA，对应电流密度为4.3 kA·cm?²，在连续电流注入下输出稳定。采用结区朝下的贴装方式进一步改善了散热性能，从而实现了持续运行且无性能退化。

图1 基于蓝宝石衬底的318 nm UV-B半导体激光器室温连续波激射特性

       这项进展的影响力远超实验室范畴。尤其在医疗领域，紧凑型UV-B激光二极管可大幅改进皮肤病与血管疾病的光疗设备，使其更小巧、安全、节能，且更易于临床部署。继医疗应用之后，生物技术和制造业也将从中受益匪浅。在生物技术中，此类激光器可提升DNA测序、荧光分析与生物传感技术的性能。在制造业中，它们有望推动用于半导体与先进材料加工的下一代高精度曝光系统及微细加工工具的发展。

       Motoaki Iwaya解释道：“我们的动力源于蓝色LED发明之初便确立的长期愿景，即拓展氮化物半导体至紫外波段，开发能直接助力人类健康与科学进步的光技术。”

       展望未来，基于低成本、可量产蓝宝石衬底的UV-B激光二极管制造能力，将加速其在多行业的应用。未来5至10年，该技术有望以更可靠、易部署的紧凑型固态方案替代传统紫外气体激光器。这一转变将使全球医院、实验室和制造工厂能更便捷地采用先进紫外工具。

       总体而言，该成果代表了紫外光电子学的一个重要里程碑，使UV-B半导体激光器向广泛的实际应用迈进了一大步，并为以医疗保健为核心的医疗应用、生物技术与精密制造开辟了新的可能。

参考文献： 中国光学期刊网

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