Uvod u vertikalni poluprovodnički laser koji emituje površinu šupljine (VCSEL)

Uvod u vertikalno emitovanje površine šupljinepoluprovodnički laser(VCSEL)
Laseri koji emituju površinu vertikalne eksterne šupljine razvijeni su sredinom 1990-ih da bi se prevazišao ključni problem koji je mučio razvoj tradicionalnih poluprovodničkih lasera: kako proizvesti laserske izlaze velike snage sa visokim kvalitetom zraka u osnovnom transverzalnom modu.
Laseri koji emituju površinu vertikalne eksterne šupljine (Vecsels), takođe poznati kaopoluprovodnički disk laseri(SDL), relativno su novi član porodice lasera. Može dizajnirati valnu dužinu emisije promjenom sastava materijala i debljine kvantne jame u poluvodičkom mediju za pojačanje, a u kombinaciji s udvostručavanjem frekvencije unutar šupljine može pokriti širok raspon valnih duljina od ultraljubičastog do dalekog infracrvenog, postižući visoku izlaznu snagu uz održavanje niske divergencije Kutni kružni simetrični laserski snop. Laserski rezonator se sastoji od donje DBR strukture pojačanog čipa i vanjskog izlaznog spojnog ogledala. Ova jedinstvena struktura eksternog rezonatora omogućava da se optički elementi umetnu u šupljinu za operacije kao što su udvostručavanje frekvencije, razlika frekvencije i zaključavanje moda, što VECSEL čini idealnimlaserski izvorza primjene u rasponu od biofotonike, spektroskopije,laserska medicinai laserska projekcija.
Rezonator VC-površinskog poluprovodničkog lasera je okomit na ravan u kojoj se nalazi aktivno područje, a njegovo izlazno svjetlo je okomito na ravan aktivnog područja, kao što je prikazano na slici. VCSEL ima jedinstvene prednosti, kao što je mala veličina, visoka frekvencija, dobar kvalitet zraka, veliki prag oštećenja površine šupljine i relativno jednostavan proizvodni proces. Pokazuje odlične performanse u aplikacijama laserskog displeja, optičke komunikacije i optičkog sata. Međutim, VCsels ne mogu dobiti lasere velike snage iznad nivoa u vatima, tako da se ne mogu koristiti u poljima sa visokim zahtjevima za snagom.

Laserski rezonator VCSEL-a se sastoji od distribuiranog Braggovog reflektora (DBR) sastavljenog od višeslojne epitaksijalne strukture poluprovodničkog materijala i na gornjoj i na donjoj strani aktivnog područja, što se veoma razlikuje odlaserrezonator sastavljen od ravni cepanja u EEL. Smjer VCSEL optičkog rezonatora je okomit na površinu čipa, izlaz lasera je također okomit na površinu čipa, a reflektivnost obje strane DBR-a je mnogo veća od one u ravni EEL rješenja.
Dužina laserskog rezonatora VCSEL je općenito nekoliko mikrona, što je mnogo manje od dužine milimetarskog rezonatora EEL, a jednosmjerno pojačanje dobiveno oscilacijom optičkog polja u šupljini je nisko. Iako se osnovni transverzalni način rada može postići, izlazna snaga može doseći samo nekoliko milivata. Profil poprečnog preseka VCSEL izlaznog laserskog snopa je kružni, a ugao divergencije je mnogo manji od profila laserskog snopa koji emituje ivice. Da bi se postigla velika izlazna snaga VCSEL-a, potrebno je povećati svjetlosnu regiju kako bi se osiguralo više pojačanja, a povećanje svjetlosnog područja će uzrokovati da izlazni laser postane višemodni izlaz. Istovremeno, teško je postići ravnomjerno ubrizgavanje struje u velikom svjetlosnom području, a neravnomjerno ubrizgavanje struje će pogoršati akumulaciju otpadne topline. Ukratko, VCSEL može proizvesti kružnu simetričnu mrlju osnovnog moda kroz razuman strukturalni dizajn, ali izlazna snaga je niska kada je izlaz u jednom modu. Zbog toga je višestruki VCsel često integrisan u izlazni mod.