Введение в вертикальную полость поверхностного излученияполупроводниковый лазер(ВКСЭЛ)
Вертикальные внешние лазеры с поверхностным излучением были разработаны в середине 1990-х годов для решения ключевой проблемы, которая препятствовала развитию традиционных полупроводниковых лазеров: как создать мощные 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. Он может проектировать длину волны излучения, изменяя состав материала и толщину квантовой ямы в полупроводниковой среде усиления, и в сочетании с внутрирезонаторным удвоением частоты может охватывать широкий диапазон длин волн от ультрафиолета до дальнего инфракрасного диапазона, достигая высокой выходной мощности при сохранении низкого расхождения углового кругового симметричного лазерного луча. Лазерный резонатор состоит из нижней структуры DBR чипа усиления и внешнего выходного зеркала связи. Эта уникальная структура внешнего резонатора позволяет вставлять оптические элементы в резонатор для таких операций, как удвоение частоты, разность частот и синхронизация мод, что делает VECSEL идеальнымлазерный источникдля приложений, начиная от биофотоники, спектроскопии,лазерная медицинаи лазерная проекция.
Резонатор полупроводникового лазера с поверхностным излучением VC перпендикулярен плоскости, в которой расположена активная область, а его выходной свет перпендикулярен плоскости активной области, как показано на рисунке. VCSEL обладает уникальными преимуществами, такими как малый размер, высокая частота, хорошее качество луча, большой порог повреждения поверхности резонатора и относительно простой процесс производства. Он демонстрирует превосходную производительность в приложениях лазерного дисплея, оптической связи и оптических часов. Однако VCsels не могут получить лазеры высокой мощности выше уровня ватта, поэтому их нельзя использовать в областях с высокими требованиями к мощности.
Лазерный резонатор VCSEL состоит из распределенного брэгговского отражателя (РБР), состоящего из многослойной эпитаксиальной структуры полупроводникового материала как на верхней, так и на нижней сторонах активной области, что сильно отличается отлазеррезонатор, состоящий из плоскости спайности в EEL. Направление оптического резонатора VCSEL перпендикулярно поверхности чипа, выход лазера также перпендикулярен поверхности чипа, а отражательная способность обеих сторон DBR намного выше, чем у плоскости решения EEL.
Длина лазерного резонатора VCSEL обычно составляет несколько микрон, что намного меньше, чем у миллиметрового резонатора EEL, а односторонний коэффициент усиления, полученный за счет оптических колебаний поля в полости, низкий. Хотя выход основной поперечной моды может быть достигнут, выходная мощность может достигать только нескольких милливатт. Профиль поперечного сечения выходного лазерного луча VCSEL является круглым, а угол расхождения намного меньше, чем у лазерного луча с краевым излучением. Для достижения высокой выходной мощности VCSEL необходимо увеличить светящуюся область, чтобы обеспечить большее усиление, а увеличение светящейся области 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 отработанного тепла. Короче говоря, VCSEL может выводить базовую моду кругло-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.