光学设备如何使表面不产生病原体

在最近发表于《应用物理快报》（Applied Physics Express）杂志的一篇文章中，研究人员设计并制造了一种对人体安全的横向准相位匹配（QPM）氮化铝（AlN）通道波导，它具有垂直极性反转功能，可以杀死表面的病原体。



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远紫外（UV）光的重要性
紫外线光源可用于不同的应用领域，包括材料加工和传感。近年来，210-230 nm 波长范围内的远紫外光在细菌消毒和病毒灭活方面获得了极大关注，由于其被非生物表面组织吸收的能力很强，因此不会对暴露在外面的人眼和皮肤造成伤害。

虽然波长为 222 nm 的准分子灯已在市场上销售，但它们有一些缺点，包括寿命短、效率低和使用昂贵的气体。同样，波长短于 250 纳米的发光二极管（LED）的效率也会显著降低。

不过，利用具有≈6.0 eV 宽带隙的氮化铝，已经实现了最短发射波长为 210 nm 的发光二极管。在氮化铝镓（AlGaN）激光二极管（LD）中，最短的发光波长为 271.8 nm。氮化铝镓的绝缘性是实现远紫外发光二极管和激光二极管的一大挑战，因此有必要开发新型远紫外光源。

实现远紫外光的波长转换
远紫外光源可通过波长转换技术实现。使用块状晶体（如硼酸铯锂晶体（CLBO））的远紫外波长转换系统已广泛应用于工业领域。虽然这些晶体具有较小的非线性光学常数，但在大功率激发下仍可实现较高的转换效率。

在具有纵向周期性极性反转的 QPM 结构的波导器件中，由于相互作用长度较长，可以实现较高的归一化转换效率，同时在低功率激励下保持较高的功率密度。

钽酸锂和铌酸锂等铁电晶体具有较大的光学非线性，可用于制造波长超过 300 纳米的器件。

虽然锗酸镧钡在 190 纳米波长之前是透明的，但由于其光学非线性较小，因此无法实现高效波长转换。

氮化铝具有较大的光学非线性和对远紫外光的透明度，因此是一种适合产生远紫外光的材料。在没有 QPM 结构的情况下，在波长为 306 纳米、厚度满足模态色散相匹配（MDPM）条件的 AlN 波导中演示了紫外二次谐波发生（SHG）。

为了提高效率，还在 AlN 沟道波导中合成了三阶 QPM 结构，并在 344 纳米波长处显示出紫外 SHG。在为 250-275 纳米紫外光制造的具有一阶 QPM 结构的 AlN 波导中，还没有 SHG 的报道。

使用满足 MDPM 条件/横向 QPM 结构的垂直极性反转多层结构可提高波长转换效率。

建议的方法
在这项研究中，研究人员设计并制造了一种横向 QPM SHG 沟道波导，该波导具有垂直极性反转的 AlN 双层结构。在使用溅射和沉积后面对面退火（FFA）技术在 c 平面蓝宝石衬底上制造的由 -c/+c-AlN 双层/上层 -c-AlN 和下层 +c-AlN 组成的通道波导中，成功演示了 229 nm 远紫外 SHG。

用于产生远紫外光的原型设备制造方法主要基于半导体加工技术，该技术能够精确控制氮化铝晶体的取向。

首先，使用烧结 AlN 靶件进行射频溅射，在 c 平面蓝宝石衬底上沉积出 210 nm 厚的 +c-AlN 层，然后进行沉积后 FFA。然后，使用金属 Al 靶件进行射频溅射，在 +c-AlN 层上沉积 280 nm 厚的 -c-AlN 层，再进行沉积后 FFA。

使用氯气和三氯化硼气体进行电感耦合等离子体反应离子蚀刻 (ICP-RIE)，以减小氮化铝双层层的厚度，其中三氯化硼气体用于消除表面无意形成的氧化物。

此外，偏置功率和天线功率分别设定为 10 W 和 250 W，与通道形成过程中使用的功率相比有所降低，以降低蚀刻速率，从而实现精确的厚度控制，并获得了厚度为 352 nm 的极性相反的 -c-AlN/+c-AlN 层。

随后，使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积了 200 nm 厚的二氧化硅层。二氧化硅掩膜是用四氟化碳/氢气电容耦合等离子体 RIE（CCP-RIE）形成的。

ICP-RIE 用于制造通道波导，偏置功率和天线功率分别为 50 W 和 400 W。最后，使用 PECVD 沉积了 1 μm 厚的二氧化硅包层，并使用金刚石浆料通过切割和抛光形成了沟道波导端面。制作的波导长度约为两毫米。

光学实验使用了可调谐倍频飞秒钛（Ti）：蓝宝石激光器，以β-硼酸钡（BBO）晶体作为泵浦源。泵浦光的功率和偏振通过格兰-汤姆森棱镜和半波板进行调节。

在使用垂直极性倒置 AlN 双层膜制作的横向 QPM SHG 器件中，二氧化硅包层的形成是为了在端面形成过程中保护通道波导。然而，该层导致光学约束性略有降低。

此外，沟道波导的横截面尺寸被设计为满足高阶横磁（TM0q）模式的 SH 波和一阶 TM00 导向模式的基波之间的 MDPM 条件。选择 TM 偏振基波是为了利用 AlN 的最大非线性光学张量分量 d33，从而产生 TM 偏振 SH 波。

研究意义
研究人员成功获得了中心波长为 229 nm 的远紫外光。在超短脉冲激光激发下，通过最大的非线性光学张量分量 d33 产生的远紫外 SHG 从 SH 强度的波长谱和泵浦功率依赖性得到了证实。

SH 光谱和泵浦的半最大全宽分别为 1.0 nm 和 2.7 nm。此外，SH 光的峰值强度与平均泵浦功率成正比。这些观测结果证实了垂直极性倒置 AlN 双层通道波导中的远紫外 SHG。

此外，横向电（TE）和 TM 偏振泵浦光的 SH 光波长光谱显示，TM 泵浦光的 SH 光强度明显强于 TE 泵浦光的 SH 光强度，这表明 SHG 是通过 d33 的非线性光学张量分量实现的。

总之，原型设备发出的紫外线波长能有效杀死病菌，不会对人体健康造成任何危害，这表明远紫外线消毒工具可以在不影响人体安全的情况下成功实现高效和紧凑。

参考资料

Katayama, R., Tanikawa, T., Uemukai, M., Tonouchi, M., Murakami, H., Serita, K., Fujiwara, Y., Tatebayashi, J., Ichikawa, S., Miyake, H., Shojiki, K., Umeda, S., Honda, H. (2023). 229 nm far-ultraviolet second harmonic generation in a vertical polarity inverted AlN bilayer channel waveguide. Applied Physics Express, 16, 062006. https://doi.org/10.35848/1882-0786/acda79

Researchers create optical device that can kill pathogens on surfaces while remaining safe for humans. [Online] Available at https://phys.org/news/2023-09-optical-device-pathogens-surfaces-safe.html 

作者：Samudrapom Dam