Введение в вертикальную полость с поверхностным излучениемполупроводниковый лазер(VCSEL)
Вертикальные внешние резонаторы поверхностно-излучающих лазеров были разработаны в середине 1990-х годов для решения ключевой проблемы, которая препятствовала развитию традиционных полупроводниковых лазеров: как создать высокомощные лазерные выходы с высоким качеством пучка в основной поперечной моде.
Вертикальные внешние резонаторы поверхностно-излучающих лазеров (Vecsels), также известные какполупроводниковые дисковые лазеры(SDL) – относительно новый представитель семейства лазеров. Длина волны излучения может быть задана путем изменения состава материала и толщины квантовой ямы в полупроводниковой среде усиления. В сочетании с внутрирезонаторным удвоением частоты этот метод позволяет охватывать широкий диапазон длин волн от ультрафиолета до дальнего инфракрасного диапазона, достигая высокой выходной мощности при сохранении малой расходимости кругово-симметричного лазерного луча. Резонатор лазера состоит из нижней структуры DBR кристалла усиления и внешнего выходного зеркала связи. Эта уникальная структура внешнего резонатора позволяет вставлять оптические элементы в резонатор для таких операций, как удвоение частоты, разностная частота и синхронизация мод, что делает VECSEL идеальным решением.лазерный источникдля приложений, начиная от биофотоники, спектроскопии,лазерная медицина, и лазерная проекция.
Резонатор полупроводникового лазера с поверхностным излучением (VC) перпендикулярен плоскости активной области, а его выходной свет перпендикулярен плоскости активной области, как показано на рисунке. Резонатор VCSEL обладает уникальными преимуществами, такими как компактность, высокая частота, хорошее качество луча, большой порог повреждения поверхности резонатора и относительно простая технология производства. Он демонстрирует превосходные характеристики в приложениях лазерных дисплеев, оптической связи и оптических часов. Однако VCSEL не позволяет получать лазеры высокой мощности, превышающей ваттный уровень, поэтому его нельзя использовать в областях с высокими требованиями к мощности.
Лазерный резонатор VCSEL состоит из распределенного брэгговского отражателя (DBR), состоящего из многослойной эпитаксиальной структуры полупроводникового материала как на верхней, так и на нижней сторонах активной области, что существенно отличается отлазерРезонатор, состоящий из плоскости спайности в EEL. Направление оптического резонатора VCSEL перпендикулярно поверхности кристалла, выходной лазерный луч также перпендикулярен поверхности кристалла, а отражательная способность обеих сторон DBR значительно выше, чем у плоскости решения EEL.
Длина лазерного резонатора VCSEL обычно составляет несколько микрометров, что значительно меньше длины миллиметрового резонатора EEL, а одностороннее усиление, достигаемое за счет оптических колебаний поля в резонаторе, невелико. Хотя выходная мощность основной поперечной моды может быть достигнута, выходная мощность может достигать лишь нескольких милливатт. Профиль поперечного сечения выходного лазерного луча VCSEL имеет круговую форму, а угол расхождения значительно меньше, чем у лазерного луча с торцевым излучением. Для достижения высокой выходной мощности VCSEL необходимо увеличить область свечения для обеспечения большего усиления, а увеличение области свечения приведет к тому, что выходной лазер станет многомодовым. В то же время трудно добиться равномерной подачи тока в большую светящуюся область, а неравномерная подача тока усугубит накопление тепла. Короче говоря, VCSEL может выводить основную моду кругового симметричного пятна за счет разумной структурной конструкции, но выходная мощность низка, когда выход является одномодовым. Поэтому в выходной режим часто интегрируют несколько VCsel.
Время публикации: 21 мая 2024 г.