中紫外激光實現室溫連續運行，藍寶石襯底推動產業化

中紫外半導體激光器在醫療、生物技術和精密制造等領域具有重要應用價值。然而長期以來，中紫外激光二極管僅能實現脈沖工作模式或需依賴低溫冷卻技術，室溫下的連續波運行始終無法實現。

目前，日本研究人員已成功在低成本藍寶石襯底上制備出全球首款室溫連續波中紫外半導體激光二極管。名城大學研究團隊的這一突破性進展推動了緊湊型高效紫外光源的發展，未來有望替代體積龐大的氣體激光器。

為實現波長介于可見光與更短波紫外線之間的中紫外輻射，半導體激光二極管為傳統紫外光源（如氣體激光器或復雜光學系統）提供了極具吸引力的替代方案。傳統光源通常存在體積龐大、成本高昂且難以集成的問題。

半導體光源具有結構緊湊、能效高且適合大規模生產的優勢。然而，將半導體激光技術拓展至中紫外波段已被證明極具挑戰性。產生中紫外光所需的高鋁含量氮化物半導體材料，長期受困于晶體缺陷、光學限制能力弱以及嚴重散熱問題等技術瓶頸。

一款緊湊型中紫外半導體激光二極管可在室溫條件下實現318納米波長的連續波發射。該器件在低成本藍寶石襯底上實現了穩定的中紫外激光輸出，標志著面向醫療、生物技術和精密制造等應用的實用化高效紫外光源邁出了關鍵一步

攻克“長期存在的技術挑戰”
因此，此前的中紫外激光二極管僅限于脈沖模式運行，或需要依賴低溫冷卻才能穩定工作。名城大學材料科學與工程系的Motoaki Iwaya教授及其團隊攻克了這些長期存在的技術挑戰。該課題組的研究成果已于1月12日發表于《應用物理快報》。

研究人員開發了一種在藍寶石襯底上生長的創新型鋁鎵氮激光二極管結構。使用藍寶石襯底尤為重要，因為它能夠實現低成本、大規模制造，使中紫外激光二極管更接近實際和廣泛的應用部署。

為解決鋁鎵氮材料與藍寶石晶體結構不匹配的問題，該團隊采用了弛豫鋁鎵氮模板技術，在保持光學質量的同時顯著減少了晶體缺陷。他們還設計了折射率引導型脊形波導以有效限制光場，并采用高反射率介質鏡面來增強激光反饋。

“這些設計創新使我們能夠同時實現強光學限制和有效的熱管理，”Iwaya教授表示，“室溫連續波運行一直是中紫外半導體激光器的長期目標，這一成果證明它現已實現。”

基于此方法，研究團隊在20°C條件下實現了318納米波長的連續波激光發射。該激光二極管的閾值電流為64毫安，對應的閾值電流密度為4.3千安/平方厘米，并在連續電注入下表現出穩定的輸出性能。結向下安裝方式進一步改善了散熱效果，使其能夠持續運行而性能不衰減。

研究團隊指出，這一進展的意義遠超實驗室范疇。特別是緊湊型中紫外激光二極管有望顯著改進用于治療皮膚病和血管疾病的醫療光療設備，使其更小巧、更安全、更節能，并更易于在臨床環境中部署。

“我們的動力源于從藍光LED發明之初就確立的長期愿景，”Iwaya教授說，“我們希望將氮化物半導體的能力拓展至紫外波段，開發能直接促進人類健康和科技進步的光學技術。”

展望未來，在低成本、可批量生產的藍寶石襯底上制備中紫外激光二極管的能力，或將加速其在多個行業的推廣應用。