Uvod v polprevodniški laser z navpično votlino, ki oddaja površino (VCSEL)

Uvod v površinsko oddajanje navpične votlinepolprevodniški laser(VCSEL)
Laserji s površinskim sevanjem z navpično zunanjo votlino so bili razviti sredi devetdesetih let prejšnjega stoletja, da bi premagali ključno težavo, ki je pestila razvoj tradicionalnih polprevodniških laserjev: kako proizvesti laserske izhode visoke moči z visoko kakovostjo žarka v osnovnem prečnem načinu.
Površinsko oddajajoči laserji z navpično zunanjo votlino (Vecsels), znani tudi kotpolprevodniški disk laserji(SDL), so relativno nov član družine laserjev. Oblikuje lahko emisijsko valovno dolžino s spreminjanjem materialne sestave in debeline kvantne vrtine v polprevodniškem ojačitvenem mediju, v kombinaciji s podvajanjem frekvence znotraj votline pa lahko pokrije širok razpon valovnih dolžin od ultravijoličnega do daleč infrardečega, s čimer doseže visoko izhodno moč ob ohranjanju nizke divergence Kotni krožni simetrični laserski žarek. Laserski resonator je sestavljen iz spodnje strukture DBR ojačevalnega čipa in zunanjega izhodnega spojnega zrcala. Ta edinstvena struktura zunanjega resonatorja omogoča vstavljanje optičnih elementov v votlino za operacije, kot so podvojitev frekvence, frekvenčna razlika in zaklepanje načina, zaradi česar je VECSEL idealenlaserski virza aplikacije, ki segajo od biofotonike, spektroskopije,laserska medicinain lasersko projekcijo.
Resonator polprevodniškega laserja, ki oddaja površino VC, je pravokoten na ravnino, kjer se nahaja aktivno območje, njegova izhodna svetloba pa je pravokotna na ravnino aktivnega območja, kot je prikazano na sliki. VCSEL ima edinstvene prednosti, kot je majhna velikost, visoka frekvenca, dobra kakovost žarka, prag poškodbe velike površine votline in razmeroma enostaven proizvodni proces. Prikazuje odlično zmogljivost pri aplikacijah laserskega zaslona, ​​optične komunikacije in optične ure. Vendar pa VCsels ne more pridobiti visoko zmogljivih laserjev nad nivojem vatov, zato jih ni mogoče uporabiti na področjih z visokimi zahtevami po moči.

Laserski resonator VCSEL je sestavljen iz porazdeljenega Braggovega reflektorja (DBR), sestavljenega iz večplastne epitaksialne strukture polprevodniškega materiala na zgornji in spodnji strani aktivnega območja, ki se zelo razlikuje odlaserresonator, sestavljen iz cepitvene ravnine v EEL. Smer optičnega resonatorja VCSEL je pravokotna na površino čipa, laserski izhod je prav tako pravokoten na površino čipa, odbojnost obeh strani DBR pa je veliko večja od ravnine rešitve EEL.
Dolžina laserskega resonatorja VCSEL je na splošno nekaj mikronov, kar je veliko manj kot dolžina milimetrskega resonatorja EEL, enosmerno ojačenje, ki ga dobi nihanje optičnega polja v votlini, pa je nizko. Čeprav je mogoče doseči osnovni izhod v transverzalnem načinu, lahko izhodna moč doseže le nekaj milivatov. Profil prečnega prereza izhodnega laserskega žarka VCSEL je krožen, divergenčni kot pa je veliko manjši kot pri laserskem žarku, ki oddaja rob. Da bi dosegli visoko izhodno moč VCSEL, je treba povečati svetlobno območje, da zagotovimo več ojačenja, povečanje svetlobnega območja pa bo povzročilo, da bo izhodni laser postal večnačinovni izhod. Hkrati je težko doseči enakomerno vbrizgavanje toka v veliko svetlobno območje, neenakomerno vbrizgavanje toka pa bo poslabšalo akumulacijo odpadne toplote. Skratka, VCSEL lahko oddaja krožno simetrično točko osnovnega načina z razumno strukturno zasnovo, vendar izhodna moč je nizka, ko je izhod v enem načinu. Zato je več VCsels pogosto integriranih v izhodni način.