Úvod do polovodičového laseru emitujícího povrch s vertikální dutinou (VCSEL)

Úvod do vertikálního povrchového vyzařování dutinypolovodičový laser(VCSEL)
Lasery vyzařující povrch s vertikální vnější dutinou byly vyvinuty v polovině 90. let, aby překonaly klíčový problém, který sužoval vývoj tradičních polovodičových laserů: jak produkovat vysoce výkonné laserové výstupy s vysokou kvalitou paprsku v základním příčném režimu.
Vertikální povrchové lasery vyzařující vnější dutinu (Vecsels), také známé jakopolovodičové diskové lasery(SDL), jsou relativně novým členem rodiny laserů. Může navrhnout emisní vlnovou délku změnou materiálového složení a tloušťky kvantové studny v polovodičovém zesilovacím médiu a v kombinaci se zdvojnásobením frekvence uvnitř dutiny může pokrýt široký rozsah vlnových délek od ultrafialové po daleko infračervenou, dosáhnout vysokého výkonu při zachování nízké divergence. Úhlový kruhový symetrický laserový paprsek. Laserový rezonátor se skládá ze spodní struktury DBR čipu zesílení a vnějšího výstupního vazebního zrcadla. Tato jedinečná struktura externího rezonátoru umožňuje vložení optických prvků do dutiny pro operace, jako je zdvojnásobení frekvence, rozdíl frekvence a uzamčení režimu, díky čemuž je VECSEL ideálnílaserový zdrojpro aplikace od biofotoniky, spektroskopie,laserová medicínaa laserová projekce.
Rezonátor polovodičového laseru emitujícího povrch 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 je malá velikost, vysoká frekvence, dobrá kvalita paprsku, velký práh poškození povrchu dutiny a relativně jednoduchý výrobní proces. Vykazuje vynikající výkon v aplikacích laserového displeje, optické komunikace a optických hodin. VCsels však nedokážou získat vysoce výkonné lasery nad úroveň wattů, takže je nelze použít v oblastech s vysokými požadavky na výkon.

Laserový rezonátor VCSEL se skládá z distribuovaného Braggova reflektoru (DBR) složeného z vícevrstvé epitaxní struktury polovodičového materiálu na horní i spodní straně aktivní oblasti, která je velmi odlišná odlaserrezonátor složený z štěpné roviny v EEL. Směr optického rezonátoru VCSEL je kolmý k povrchu čipu, výstup laseru je také kolmý k povrchu čipu a odrazivost obou stran DBR je mnohem vyšší než u roviny řešení EEL.
Délka laserového rezonátoru VCSEL je obecně několik mikronů, což je mnohem menší než délka milimetrového rezonátoru EEL, a jednosměrné zesílení získané oscilací optického pole v dutině je nízké. Ačkoli lze dosáhnout základního výkonu v příčném režimu, výstupní výkon může dosáhnout pouze několika miliwattů. Profil průřezu výstupního laserového paprsku VCSEL je kruhový a úhel divergence je mnohem menší než u okrajového laserového paprsku. Pro dosažení vysokého výstupního výkonu VCSEL je nutné zvětšit oblast svítivosti, aby bylo dosaženo většího zisku, a zvýšení oblasti svítivosti způsobí, že se výstupní laser stane výstupem s více režimy. Současně je obtížné dosáhnout stejnoměrného vstřikování proudu ve velké světelné oblasti a nerovnoměrné vstřikování proudu zhorší akumulaci odpadního tepla. Stručně řečeno, VCSEL může poskytovat kruhový symetrický bod v základním režimu prostřednictvím rozumného konstrukčního návrhu, ale výstupní výkon je nízký, když je výstup v jednom režimu. Proto je do výstupního režimu často integrováno více VCsel.