Introduksjon til vertikal hulroms overflate-emitterende halvlederlaser (VCSEL)

Introduksjon til emittering av vertikal hulromsoverflatehalvlederlaser(VCSEL)
Vertikale eksternt hulroms overflate-emitterende lasere ble utviklet på midten av 1990-tallet for å overvinne et nøkkelproblem som har plaget utviklingen av tradisjonelle halvlederlasere: hvordan produsere høyeffekts laserutganger med høy strålekvalitet i fundamental tverrmodus.
Vertikale eksternt hulrom overflate-emitterende lasere (Vecsels), også kjent somhalvlederdisklasere(SDL), er et relativt nytt medlem av laserfamilien. Den kan designe emisjonsbølgelengden ved å endre materialsammensetningen og tykkelsen på kvantebrønnen i halvlederforsterkningsmediet, og kombinert med intrakavitet frekvensdobling kan dekke et bredt bølgelengdeområde fra ultrafiolett til langt infrarødt, og oppnå høy effekt samtidig som den opprettholder en lav divergens Vinkel sirkulær symmetrisk laserstråle. Laserresonatoren er sammensatt av den nederste DBR-strukturen til forsterkningsbrikken og det eksterne utgangskoblingsspeilet. Denne unike eksterne resonatorstrukturen gjør at optiske elementer kan settes inn i hulrommet for operasjoner som frekvensdobling, frekvensforskjell og moduslåsing, noe som gjør VECSEL til en ideelllaserkildefor bruksområder som spenner fra biofotonikk, spektroskopi,lasermedisin, og laserprojeksjon.
Resonatoren til den VC-overflate-emitterende halvlederlaseren er vinkelrett på planet der det aktive området er plassert, og dets utgangslys er vinkelrett på planet til det aktive området, som vist i figuren. VCSEL har unike fordeler, for eksempel liten størrelse, høy frekvens, god strålekvalitet, stor hulroms overflateskadeterskel og relativt enkel produksjonsprosess. Den viser utmerket ytelse i bruken av laserskjerm, optisk kommunikasjon og optisk klokke. Imidlertid kan VCsels ikke oppnå høyeffektlasere over wattnivået, så de kan ikke brukes i felt med høye effektkrav.

Laserresonatoren til VCSEL er sammensatt av en distribuert Bragg-reflektor (DBR) sammensatt av flerlags epitaksial struktur av halvledermateriale på både øvre og nedre side av det aktive området, som er veldig forskjellig fralaserresonator sammensatt av spalteplan i EEL. Retningen til den optiske VCSEL-resonatoren er vinkelrett på brikkeoverflaten, laserutgangen er også vinkelrett på brikkeoverflaten, og reflektiviteten til begge sider av DBR er mye høyere enn EEL-løsningsplanet.
Lengden på laserresonatoren til VCSEL er vanligvis noen få mikron, som er mye mindre enn den til millimeterresonatoren til EEL, og enveisforsterkningen oppnådd av den optiske feltoscillasjonen i hulrommet er lav. Selv om den grunnleggende tverrmodusutgangen kan oppnås, kan utgangseffekten bare nå flere milliwatt. Tverrsnittsprofilen til VCSEL-utgangslaserstrålen er sirkulær, og divergensvinkelen er mye mindre enn den til den kant-emitterende laserstrålen. For å oppnå høy effekt av VCSEL, er det nødvendig å øke lysområdet for å gi mer forsterkning, og økningen av lysområdet vil føre til at utgangslaseren blir en multimodusutgang. Samtidig er det vanskelig å oppnå jevn strøminjeksjon i et stort lysende område, og den ujevne strøminjeksjonen vil forverre akkumulering av spillvarme. Kort sagt kan VCSEL gi ut det sirkulære symmetriske punktet i grunnleggende modus gjennom en rimelig strukturell design, men utgangseffekten er lav når utgangen er enkeltmodus. Derfor er flere VCseler ofte integrert i utgangsmodusen.