Úvod do polovodičového laseru s vertikální dutinou a povrchovou emisí (VCSEL)

Úvod do emise s vertikální dutinoupolovodičový laser(VCSEL)
Vertikální lasery s vnější dutinou a povrchovým vyzařováním byly vyvinuty v polovině 90. let 20. století s cílem překonat klíčový problém, který sužoval vývoj tradičních polovodičových laserů: jak produkovat vysoce výkonné laserové výstupy s vysokou kvalitou paprsku v základním transverzálním módu.
Vertikální lasery s vnější dutinou vyzařující povrch (Vecsels), známé také jakopolovodičové diskové lasery(SDL) jsou relativně novým členem rodiny laserů. Dokážou navrhnout vlnovou délku emise změnou složení materiálu a tloušťky kvantové jámy v polovodičovém zesilovacím médiu a v kombinaci s intrakavitárním zdvojnásobením frekvence mohou pokrýt široký rozsah vlnových délek od ultrafialového po daleké infračervené záření, čímž dosahují vysokého výstupního výkonu při zachování kruhového symetrického laserového paprsku s nízkým úhlem divergence. Laserový rezonátor se skládá ze spodní struktury DBR zesilovacího čipu a externího výstupního vazebního zrcadla. Tato unikátní struktura externího rezonátoru umožňuje vložení optických prvků do dutiny pro operace, jako je zdvojnásobení frekvence, frekvenční rozdíl a synchronizace módů, což činí VECSEL ideálním...laserový zdrojpro aplikace od biofotoniky, spektroskopie,laserová medicínaa laserovou projekci.
Rezonátor polovodičového laseru s povrchovým emitováním VC je kolmý k rovině, kde se nachází aktivní oblast, a jeho výstupní světlo je kolmé k rovině aktivní oblasti, jak je znázorněno na obrázku. VCSEL má jedinečné výhody, jako jsou malé rozměry, vysoká frekvence, dobrá kvalita paprsku, vysoký práh poškození povrchu dutiny a relativně jednoduchý výrobní proces. Vykazuje vynikající výkon v aplikacích laserového displeje, optické komunikace a optických hodin. VCsely však nemohou získat lasery s vysokým výkonem nad úrovní wattu, takže je nelze použít v oblastech s vysokými požadavky na výkon.

Laserový rezonátor VCSEL se skládá z distribuovaného Braggova reflektoru (DBR) s vícevrstvou epitaxní strukturou polovodičového materiálu na horní i dolní straně aktivní oblasti, která se velmi liší od...laserRezonátor složený z roviny štěpení v EEL. Směr optického rezonátoru VCSEL je kolmý k povrchu čipu, laserový výstup je také kolmý k povrchu čipu a odrazivost obou stran DBR je mnohem vyšší než odrazivost roviny řešení EEL.
Délka laserového rezonátoru VCSEL je obecně několik mikronů, což je mnohem menší délka než u milimetrového rezonátoru EEL, a jednosměrný zisk získaný oscilací optického pole v dutině je nízký. Přestože lze dosáhnout základního příčného módu výstupu, výstupní výkon může dosáhnout pouze několika miliwattů. Profil průřezu výstupního laserového paprsku VCSEL je kruhový a úhel divergence je mnohem menší než u laserového paprsku emitujícího okraj. Pro dosažení vysokého výstupního výkonu VCSEL je nutné zvětšit světelný segment, aby se zajistil větší zisk, a zvětšení světelné oblasti způsobí, že výstupní laser se stane vícemódovým výstupem. Zároveň je obtížné dosáhnout rovnoměrného vstřikování proudu ve velké světelné oblasti a nerovnoměrné vstřikování proudu zhorší akumulaci odpadního tepla. Stručně řečeno, VCSEL může díky rozumné konstrukční konstrukci vydávat základní kruhový symetrický bod, ale výstupní výkon je nízký, když je výstup v jednom módu. Proto se do výstupního módu často integruje více VCsel.