Úvod do polovodičového lasera vyžarujúceho povrch z vertikálnej dutiny (VCSEL)

Úvod do vertikálneho povrchového vyžarovania dutínpolovodičový laser(VCSEL)
Vertikálne povrchovo vyžarujúce lasery s vonkajšou dutinou boli vyvinuté v polovici 90-tych rokov, aby prekonali kľúčový problém, ktorý sužoval vývoj tradičných polovodičových laserov: ako produkovať vysokovýkonné laserové výstupy s vysokou kvalitou lúča v základnom priečnom režime.
Vertikálne vonkajšie dutinové povrchovo vyžarujúce lasery (Vecsels), tiež známe akopolovodičové diskové lasery(SDL), sú relatívne novým členom rodiny laserov. Môže navrhnúť emisnú vlnovú dĺžku zmenou zloženia materiálu a hrúbky kvantovej jamy v polovodičovom zosilňovacom médiu a v kombinácii so zdvojnásobením frekvencie vo vnútri dutiny môže pokryť široký rozsah vlnových dĺžok od ultrafialovej po ďaleko infračervenú, čím sa dosiahne vysoký výkon pri zachovaní nízkej divergencie. Uhlový kruhový symetrický laserový lúč. Laserový rezonátor sa skladá zo spodnej DBR štruktúry zosilňovacieho čipu a vonkajšieho výstupného spojovacieho zrkadla. Táto jedinečná štruktúra externého rezonátora umožňuje vloženie optických prvkov do dutiny pre operácie, ako je zdvojnásobenie frekvencie, frekvenčný rozdiel a uzamknutie režimu, vďaka čomu je VECSEL ideálnymlaserový zdrojpre aplikácie od biofotoniky, spektroskopie,laserová medicínaa laserová projekcia.
Rezonátor polovodičového lasera vyžarujúceho povrch VC je kolmý na rovinu, kde sa nachádza aktívna oblasť, a jeho výstupné svetlo je kolmé na rovinu aktívnej oblasti, ako je znázornené na obrázku. VCSEL má jedinečné výhody, ako je malá veľkosť, vysoká frekvencia, dobrá kvalita lúča, prah poškodenia povrchu veľkej dutiny a relatívne jednoduchý výrobný proces. Vykazuje vynikajúci výkon v aplikáciách laserového displeja, optickej komunikácie a optických hodín. VCsel však nemôžu získať vysokovýkonné lasery nad úrovňou wattov, takže ich nemožno použiť v oblastiach s vysokými požiadavkami na výkon.

Laserový rezonátor VCSEL sa skladá z distribuovaného Braggovho reflektora (DBR) zloženého z viacvrstvovej epitaxnej štruktúry polovodičového materiálu na hornej aj dolnej strane aktívnej oblasti, ktorá je veľmi odlišná odlaserrezonátor zložený z štiepnej roviny v EEL. Smer optického rezonátora VCSEL je kolmý na povrch čipu, výstup lasera je tiež kolmý na povrch čipu a odrazivosť oboch strán DBR je oveľa vyššia ako odrazivosť roviny riešenia EEL.
Dĺžka laserového rezonátora VCSEL je vo všeobecnosti niekoľko mikrónov, čo je oveľa menšie ako dĺžka milimetrového rezonátora EEL, a jednosmerný zisk získaný osciláciou optického poľa v dutine je nízky. Hoci je možné dosiahnuť základný výstup v priečnom režime, výstupný výkon môže dosiahnuť iba niekoľko miliwattov. Profil prierezu výstupného laserového lúča VCSEL je kruhový a uhol divergencie je oveľa menší ako uhol laserového lúča vyžarujúceho okraj. Na dosiahnutie vysokého výkonu VCSEL je potrebné zvýšiť svetelnú oblasť, aby sa dosiahol väčší zisk, a zvýšenie svetelnej oblasti spôsobí, že výstupný laser sa stane multimódovým výstupom. Súčasne je ťažké dosiahnuť rovnomerné prúdové vstrekovanie vo veľkej svetelnej oblasti a nerovnomerné prúdové vstrekovanie zhorší akumuláciu odpadového tepla. Stručne povedané, VCSEL môže poskytnúť základný režim kruhového symetrického bodu prostredníctvom rozumného konštrukčného návrhu, ale výstupný výkon je nízky, keď je výstup v jednom režime. Preto je do výstupného režimu často integrovaných viacero VCsel.