中紫外激光实现室温连续运行，蓝宝石衬底推动产业化

中紫外半导体激光器在医疗、生物技术和精密制造等领域具有重要应用价值。然而长期以来，中紫外激光二极管仅能实现脉冲工作模式或需依赖低温冷却技术，室温下的连续波运行始终无法实现。

目前，日本研究人员已成功在低成本蓝宝石衬底上制备出全球首款室温连续波中紫外半导体激光二极管。名城大学研究团队的这一突破性进展推动了紧凑型高效紫外光源的发展，未来有望替代体积庞大的气体激光器。

为实现波长介于可见光与更短波紫外线之间的中紫外辐射，半导体激光二极管为传统紫外光源（如气体激光器或复杂光学系统）提供了极具吸引力的替代方案。传统光源通常存在体积庞大、成本高昂且难以集成的问题。

半导体光源具有结构紧凑、能效高且适合大规模生产的优势。然而，将半导体激光技术拓展至中紫外波段已被证明极具挑战性。产生中紫外光所需的高铝含量氮化物半导体材料，长期受困于晶体缺陷、光学限制能力弱以及严重散热问题等技术瓶颈。

一款紧凑型中紫外半导体激光二极管可在室温条件下实现318纳米波长的连续波发射。该器件在低成本蓝宝石衬底上实现了稳定的中紫外激光输出，标志着面向医疗、生物技术和精密制造等应用的实用化高效紫外光源迈出了关键一步

攻克“长期存在的技术挑战”
因此，此前的中紫外激光二极管仅限于脉冲模式运行，或需要依赖低温冷却才能稳定工作。名城大学材料科学与工程系的Motoaki Iwaya教授及其团队攻克了这些长期存在的技术挑战。该课题组的研究成果已于1月12日发表于《应用物理快报》。

研究人员开发了一种在蓝宝石衬底上生长的创新型铝镓氮激光二极管结构。使用蓝宝石衬底尤为重要，因为它能够实现低成本、大规模制造，使中紫外激光二极管更接近实际和广泛的应用部署。

为解决铝镓氮材料与蓝宝石晶体结构不匹配的问题，该团队采用了弛豫铝镓氮模板技术，在保持光学质量的同时显著减少了晶体缺陷。他们还设计了折射率引导型脊形波导以有效限制光场，并采用高反射率介质镜面来增强激光反馈。

“这些设计创新使我们能够同时实现强光学限制和有效的热管理，”Iwaya教授表示，“室温连续波运行一直是中紫外半导体激光器的长期目标，这一成果证明它现已实现。”

基于此方法，研究团队在20°C条件下实现了318纳米波长的连续波激光发射。该激光二极管的阈值电流为64毫安，对应的阈值电流密度为4.3千安/平方厘米，并在连续电注入下表现出稳定的输出性能。结向下安装方式进一步改善了散热效果，使其能够持续运行而性能不衰减。

研究团队指出，这一进展的意义远超实验室范畴。特别是紧凑型中紫外激光二极管有望显著改进用于治疗皮肤病和血管疾病的医疗光疗设备，使其更小巧、更安全、更节能，并更易于在临床环境中部署。

“我们的动力源于从蓝光LED发明之初就确立的长期愿景，”Iwaya教授说，“我们希望将氮化物半导体的能力拓展至紫外波段，开发能直接促进人类健康和科技进步的光学技术。”

展望未来，在低成本、可批量生产的蓝宝石衬底上制备中紫外激光二极管的能力，或将加速其在多个行业的推广应用。