Ievads vertikālā dobuma virsmas emitējošajā pusvadītāju lāzerā (VCSEL)

Ievads vertikālās dobuma virsmas izstarošanāpusvadītāju lāzers(VCSEL)
Vertikāli ārējo dobumu virsmas emitējošie lāzeri tika izstrādāti 20. gs. deviņdesmito gadu vidū, lai pārvarētu galveno problēmu, kas kavēja tradicionālo pusvadītāju lāzeru attīstību: kā radīt lielas jaudas lāzera staru ar augstu staru kvalitāti pamata šķērsvirziena režīmā.
Vertikāli ārējās dobuma virsmas emitējošie lāzeri (Vecsels), kas pazīstami arī kāpusvadītāju disku lāzeri(SDL) ir salīdzinoši jauns lāzeru saimes loceklis. Tie var pielāgot emisijas viļņa garumu, mainot materiāla sastāvu un kvantu iedobes biezumu pusvadītāju pastiprināšanas vidē, un apvienojumā ar intrakavitālo frekvenču dubultošanu var aptvert plašu viļņu garuma diapazonu no ultravioletā līdz tālajam infrasarkanajam staram, panākot lielu jaudas izeju, vienlaikus saglabājot zemas novirzes leņķa apļveida simetrisku lāzera staru. Lāzera rezonators sastāv no pastiprināšanas mikroshēmas apakšējās DBR struktūras un ārējā izejas savienojuma spoguļa. Šī unikālā ārējā rezonatora struktūra ļauj ievietot optiskos elementus dobumā tādām darbībām kā frekvenču dubultošana, frekvenču starpība un režīma bloķēšana, padarot VECSEL par ideālulāzera avotspielietojumiem, sākot no biofotonikas, spektroskopijas,lāzermedicīnaun lāzera projekcija.
VC virsmas emitējošā pusvadītāju lāzera rezonators ir perpendikulārs plaknei, kurā atrodas aktīvais apgabals, un tā izejas gaisma ir perpendikulāra aktīvā apgabala plaknei, kā parādīts attēlā. VCSEL ir unikālas priekšrocības, piemēram, mazs izmērs, augsta frekvence, laba staru kūļa kvalitāte, liels dobuma virsmas bojājumu slieksnis un relatīvi vienkāršs ražošanas process. Tas demonstrē izcilu veiktspēju lāzera displeju, optiskās komunikācijas un optiskā pulksteņa lietojumos. Tomēr VCsel nevar iegūt lielas jaudas lāzerus virs vatu līmeņa, tāpēc tos nevar izmantot jomās ar augstām jaudas prasībām.

VCSEL lāzera rezonators sastāv no izkliedēta Brega reflektora (DBR), kas sastāv no pusvadītāju materiāla daudzslāņu epitaksiālas struktūras gan aktīvā apgabala augšējā, gan apakšējā pusē, kas ļoti atšķiras nolāzersRezonators, kas sastāv no šķelšanās plaknes EEL. VCSEL optiskā rezonatora virziens ir perpendikulārs mikroshēmas virsmai, lāzera izeja arī ir perpendikulāra mikroshēmas virsmai, un abu DBR pušu atstarošanas spēja ir daudz augstāka nekā EEL risinājuma plaknei.
VCSEL lāzera rezonatora garums parasti ir daži mikroni, kas ir daudz mazāks nekā EEL milimetru rezonatora garums, un vienvirziena pastiprinājums, ko iegūst, optiskā lauka svārstībām rezonatorā, ir mazs. Lai gan pamata šķērsvirziena režīma izeja ir sasniedzama, izejas jauda var sasniegt tikai dažus milivatus. VCSEL izejas lāzera stara šķērsgriezuma profils ir apļveida, un novirzes leņķis ir daudz mazāks nekā malas izstarojošajam lāzera staram. Lai sasniegtu lielu VCSEL izejas jaudu, ir jāpalielina gaismas apgabals, lai nodrošinātu lielāku pastiprinājumu, un gaismas apgabala palielināšana novedīs pie tā, ka izejas lāzers kļūs par daudzrežīmu izeju. Tajā pašā laikā ir grūti panākt vienmērīgu strāvas ievadi lielā gaismas apgabalā, un nevienmērīga strāvas ievade palielinās siltuma zudumu uzkrāšanos. Īsāk sakot, VCSEL var izvadīt pamata režīma apļveida simetrisku punktu, izmantojot saprātīgu konstrukcijas dizainu, bet izejas jauda ir zema, ja izeja ir viena režīma. Tāpēc izejas režīmā bieži tiek integrēti vairāki VCsel.