Bevezetés a függőleges üreges felületkibocsátó félvezető lézerbe (VCSEL)

Bevezetés a függőleges üregfelület-kibocsátásbafélvezető lézer(VCSEL)
A függőleges külső üregű felületkibocsátó lézereket az 1990-es évek közepén fejlesztették ki, hogy megoldják a hagyományos félvezető lézerek fejlesztését sújtó kulcsfontosságú problémát: hogyan lehet nagy teljesítményű lézerkimeneteket előállítani kiváló nyalábminőséggel alapvető transzverzális módban.
Függőleges külső üreges felületkibocsátó lézerek (Vecsel-ek), más névenfélvezető tárcsás lézerek(SDL) a lézercsalád viszonylag új tagjai. A félvezető erősítőközegben lévő kvantumkút anyagösszetételének és vastagságának változtatásával képesek a kibocsátási hullámhosszt meghatározni, és az üregbe épített frekvenciakettőzéssel kombinálva széles hullámhossztartományt fedhetnek le az ultraibolya és a távoli infravörös tartománytól, nagy teljesítményt érve el, miközben alacsony eltérésű, körszimmetrikus lézersugarat tartanak fenn. A lézerrezonátor az erősítőchip alsó DBR szerkezetéből és a külső kimeneti csatolótükörből áll. Ez az egyedülálló külső rezonátorszerkezet lehetővé teszi optikai elemek behelyezését az üregbe olyan műveletekhez, mint a frekvenciakettőzés, a frekvenciakülönbség és a móduscsatolás, így a VECSEL ideális választás.lézerforrása biofotonikától és spektroszkópiától kezdve a különféle alkalmazásokiglézeres gyógyászatés lézervetítés.
A VC-felületű félvezető lézer rezonátora merőleges az aktív régió síkjára, és a kimenő fénye is merőleges az aktív régió síkjára, ahogy az ábrán is látható. A VCSEL egyedi előnyökkel rendelkezik, mint például a kis méret, a magas frekvencia, a jó nyalábminőség, a nagy üregfelület-károsodási küszöb és a viszonylag egyszerű gyártási folyamat. Kiváló teljesítményt mutat lézerkijelzők, optikai kommunikáció és optikai órák alkalmazásaiban. A VCsel-ek azonban nem képesek watt-nál nagyobb teljesítményű lézereket előállítani, így nem használhatók nagy teljesítményigényű területeken.

A VCSEL lézerrezonátora egy elosztott Bragg-reflektorból (DBR) áll, amely az aktív régió felső és alsó oldalán is többrétegű epitaxiális félvezető anyagból áll, ami nagyon eltér a hagyományostól.lézerAz EEL-ben hasadási síkból álló rezonátor. A VCSEL optikai rezonátor iránya merőleges a chip felületére, a lézerkimenet szintén merőleges a chip felületére, és a DBR mindkét oldalának visszaverődése sokkal nagyobb, mint az EEL megoldási síkjáé.
A VCSEL lézerrezonátor hossza általában néhány mikron, ami jóval kisebb, mint az EEL milliméteres rezonátoráé, és az üregben lévő optikai téroszcilláció által elért egyirányú erősítés alacsony. Bár az alapvető transzverzális módusú kimenet elérhető, a kimeneti teljesítmény csak néhány milliwattot érhet el. A VCSEL kimeneti lézernyaláb keresztmetszeti profilja kör alakú, és a divergencia szöge jóval kisebb, mint az élkibocsátó lézernyalábé. A VCSEL nagy teljesítményének eléréséhez növelni kell a megvilágított tartományt a nagyobb erősítés érdekében, és a megvilágított tartomány növekedése miatt a kimenő lézer többmódusú kimenetté válik. Ugyanakkor nehéz egyenletes árambefecskendezést elérni egy nagy megvilágított tartományban, és az egyenetlen árambefecskendezés súlyosbítja a hulladékhő felhalmozódását. Röviden, a VCSEL ésszerű szerkezeti kialakítással képes alapmódusú körszimmetrikus foltot kibocsátani, de a kimeneti teljesítmény alacsony, ha a kimenet egymódusú. Ezért gyakran több VCsel-t integrálnak a kimeneti módba.