Введение в теорию вертикального резонаторного поверхностного излученияполупроводниковый лазер(VCSEL)
Вертикальные лазеры с внешним резонатором и поверхностным излучением были разработаны в середине 1990-х годов для решения ключевой проблемы, которая препятствовала разработке традиционных полупроводниковых лазеров: как получать мощные лазерные лучи с высоким качеством пучка в основной поперечной моде.
Вертикальные лазеры с внешней резонаторной полостью и поверхностным излучением (Vecsels), также известные какполупроводниковые дисковые лазеры(SDL) — относительно новый представитель семейства лазеров. Он позволяет проектировать длину волны излучения путем изменения состава материала и толщины квантовой ямы в полупроводниковой активной среде, а в сочетании с внутрирезонаторным удвоением частоты может охватывать широкий диапазон длин волн от ультрафиолета до дальнего инфракрасного излучения, обеспечивая высокую выходную мощность при сохранении малой расходимости и круговой симметрии лазерного луча. Лазерный резонатор состоит из нижней структуры DBR усилительного чипа 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 идеальным решением.лазерный источникдля применения в самых разных областях, от биофотоники и спектроскопии,лазерная медицинаи лазерной проекции.
Резонатор VCSEL (поверхностно-излучающего полупроводникового лазера) перпендикулярен плоскости, в которой расположена активная область, и его выходной свет также 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 отличные характеристики в приложениях лазерных дисплеев, оптической связи и оптических часов. Однако VCSEL не позволяют получать лазеры высокой мощности выше ваттного уровня, поэтому их нельзя использовать в областях с высокими требованиями к мощности.
Лазерный резонатор VCSEL состоит из распределенного брэгговского отражателя (DBR), образованного многослойной эпитаксиальной структурой полупроводникового материала как с верхней, так и с нижней стороны активной области, что существенно отличается от других типов лазеров.лазерРезонатор, состоящий из плоскости скола в EEL. Направление оптического резонатора VCSEL перпендикулярно поверхности чипа, выходной сигнал лазера также перпендикулярен поверхности чипа, а коэффициент отражения с обеих сторон DBR значительно выше, чем у плоскости решения EEL.
Длина лазерного резонатора VCSEL обычно составляет несколько микрон, что значительно меньше, чем у миллиметрового резонатора EEL, и одностороннее усиление, получаемое за счет колебаний оптического поля в резонаторе, низкое. Хотя может быть достигнут выход основного поперечного мода, выходная мощность может достигать лишь нескольких милливатт. Профиль поперечного сечения выходного лазерного луча VCSEL имеет круглую форму, а угол расходимости значительно меньше, чем у лазерного луча с краевым излучением. Для достижения высокой выходной мощности VCSEL необходимо увеличить светящуюся область для обеспечения большего усиления, а увеличение светящейся области приведет к тому, что выходной лазер станет многомодовым. В то же время, сложно добиться равномерной инжекции тока в большой светящейся области, а неравномерная инжекция тока усугубит накопление тепла. Вкратце, VCSEL может выдавать симметричное пятно в основном режиме за счет разумной конструкции, но выходная мощность низка при одномодовом режиме работы. Поэтому в выходной режим часто интегрируют несколько VCSEL.
Дата публикации: 21 мая 2024 г.