复合结构绿光激光器光功率
发布时间：2020-09-27 15:27
激光器是20世纪四大发明之一，自1960年被发明以来，它已经在医疗、信息、材料加工、国防和科学研究等领域发挥了重要作用。半导体激光器是采用半导体芯片加工工艺制备的激光器，具有体积小、成本低、寿命长等优势，是应用最多的激光器类别。基于GaN材料体系（GaN、InGaN和AlGaN）的激光器将半导体激光器的波长扩展到可见光谱和紫外光谱范围，在显示、照明、医疗、国防安全和金属加工等领域具有巨大的应用前景。绿光激光器可3D打印铜和贵金属
但在500 - 550 nm的绿光光谱范围内，GaN基半导体激光器的性能与其他波段相比还有很大的差距，这被称为“绿色鸿沟（green gap）”。绿色是显示三原色之一，高功率绿光激光器对激光显示技术具有重要的意义。此外，小体积的直接半导体绿光激光器在医疗、国防安全等方面也有很多重要的应用需求。
激光产生的原理为光增益材料中的光在光腔中振荡放大，形成相位、频率和传播方向都相同的光，即激光。通常半导体激光器的光增益区和光腔都是半导体材料组成，厚度为亚微米或微米尺度，这是半导体激光器体积小的原因。光腔由折射率比增益区小的半导体材料组成，折射率的调控通过改变半导体材料的组成和组分实现。例如808 nm的红外激光器的增益区为GaAs量子阱，采用折射率低的AlGaAs为光腔限制层。
因为GaAs和AlGaAs的晶格常数几乎一致，并且制备条件相似，所以激光器的增益区和光腔的质量很高，激光器的性能也很好。对于GaN基绿光激光器，增益区为In0.3Ga0.7N量子阱，光腔限制层为AlGaN层，但是In0.3Ga0.7N和AlGaN的晶格常数和制备条件差异很大，这是导致绿光激光器性能不好的主要原因。
针对这个难题，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所刘建平课题组博士生胡磊等人在Photonics Research 2020年第3期上展示了以氧化铟锡（ITO）代替光腔上限制层AlGaN的高功率复合结构绿光激光器。
具有ITO限制层的GaN激光器或传统GaN激光器的结构示意图（图片来源：“High power hybrid GaN-based green laser diodes with ITO cladding layer”， Photonics Research）
此项工作设计并制备了以ITO代替光腔AlGaN上限制层的复合结构绿光激光器。ITO具有良好的导电性并在可见光谱范围内透明，广泛用于光学器件的透明电极和电路。而在激光器中，因为ITO的折射率远低于AlGaN限制层，可以有效地将光限制在激光器光腔内，因此同时起到激光器光腔限制层的作用。ITO可以在300 °C左右甚至室温下沉积，因此能有效抑制绿光In0.3Ga0.7N量子阱增益区在生长AlGaN上限制层时的质量退化。
