Uvod u poluvodički laser s vertikalnom šupljinom koji emitira površinu (VCSEL)

Uvod u površinsko emitiranje vertikalne šupljinepoluvodički laser(VCSEL)
Laseri s površinskim emitiranjem okomite vanjske šupljine razvijeni su sredinom 1990-ih kako bi se prevladao ključni problem koji je mučio razvoj tradicionalnih poluvodičkih lasera: kako proizvesti laserske izlaze velike snage s visokom kvalitetom snopa u osnovnom transverzalnom modu.
Vertikalni površinski emitirajući laseri s vanjskom šupljinom (Vecsels), također poznati kaopoluvodički disk laseri(SDL), relativno su novi član obitelji lasera. Može dizajnirati valnu duljinu emisije promjenom sastava materijala i debljine kvantne jame u poluvodičkom mediju pojačanja, a u kombinaciji s udvostručenjem frekvencije unutar šupljine može pokriti široki raspon valnih duljina od ultraljubičastog do dalekog infracrvenog, postižući veliku izlaznu snagu uz održavanje niske divergencije Kutna kružna simetrična laserska zraka. Laserski rezonator sastoji se od donje DBR strukture pojačalnog čipa i vanjskog izlaznog spojnog zrcala. Ova jedinstvena struktura vanjskog rezonatora omogućuje umetanje optičkih elemenata u šupljinu za operacije kao što su udvostručenje frekvencije, frekvencijska razlika i zaključavanje moda, čineći VECSEL idealnimlaserski izvorza primjene u rasponu od biofotonike, spektroskopije,laserska medicina, i laserska projekcija.
Rezonator VC-površinskog emitirajućeg poluvodičkog lasera okomit je na ravninu u kojoj se nalazi aktivno područje, a njegovo izlazno svjetlo okomito je na ravninu aktivnog područja, kao što je prikazano na slici. VCSEL ima jedinstvene prednosti, poput male veličina, visoka frekvencija, dobra kvaliteta snopa, prag oštećenja velike površine šupljine i relativno jednostavan proces proizvodnje. Pokazuje izvrsne performanse u primjenama laserskog zaslona, ​​optičke komunikacije i optičkog sata. Međutim, VCsels ne mogu dobiti lasere velike snage iznad razine vata, tako da se ne mogu koristiti u poljima s velikim zahtjevima za snagom.

Laserski rezonator VCSEL-a sastoji se od distribuiranog Braggovog reflektora (DBR) koji se sastoji od višeslojne epitaksijalne strukture poluvodičkog materijala na gornjoj i donjoj strani aktivnog područja, što se jako razlikuje odlaserrezonator sastavljen od ravnine cijepanja u EEL. Smjer VCSEL optičkog rezonatora je okomit na površinu čipa, laserski izlaz je također okomit na površinu čipa, a reflektivnost obje strane DBR-a mnogo je veća od one ravnine EEL rješenja.
Duljina laserskog rezonatora VCSEL-a općenito je nekoliko mikrona, što je mnogo manje od duljine milimetarskog rezonatora EEL-a, a jednosmjerno pojačanje dobiveno oscilacijom optičkog polja u šupljini je nisko. Iako se osnovni poprečni način rada može postići, izlazna snaga može doseći samo nekoliko milivata. Profil poprečnog presjeka VCSEL izlazne laserske zrake je kružni, a kut divergencije mnogo je manji od kuta laserske zrake koja emitira rub. Da bi se postigla velika izlazna snaga VCSEL-a, potrebno je povećati svjetlosno područje kako bi se osiguralo veće pojačanje, a povećanje svjetlosnog područja uzrokovat će da izlazni laser postane višemodni izlaz. U isto vrijeme, teško je postići ravnomjerno ubrizgavanje struje u veliko svjetlosno područje, a neravnomjerno ubrizgavanje struje pogoršat će akumulaciju otpadne topline. Ukratko, VCSEL može proizvesti kružnu simetričnu točku osnovnog načina kroz razuman strukturni dizajn, ali izlazna snaga je niska kada je izlaz jednostruki mod. Stoga je višestruki VCsel često integriran u izlazni mod.