Introdución ao láser semicondutor de emisión superficial de cavidade vertical (VCSEL)

Introdución á emisión superficial en cavidade verticalláser semicondutor(VCSEL)
Os láseres de emisión superficial de cavidade externa vertical desenvolvéronse a mediados da década de 1990 para superar un problema clave que atormentou o desenvolvemento dos láseres semicondutores tradicionais: como producir saídas láser de alta potencia con alta calidade de feixe en modo transversal fundamental.
Láseres de emisión superficial de cavidade externa vertical (Vecsels), tamén coñecidos comoláseres de disco semiconductor(SDL), son un membro relativamente novo da familia de láseres. Poden deseñar a lonxitude de onda de emisión cambiando a composición do material e o grosor do pozo cuántico no medio de ganancia semicondutor e, combinados coa duplicación de frecuencia intracavidade, poden cubrir un amplo rango de lonxitudes de onda desde o ultravioleta ata o infravermello afastado, conseguindo unha saída de potencia elevada e mantendo un feixe láser simétrico circular de ángulo de baixa diverxencia. O resonador láser está composto pola estrutura DBR inferior do chip de ganancia e o espello de acoplamento de saída externo. Esta estrutura de resonador externo única permite inserir elementos ópticos na cavidade para operacións como a duplicación de frecuencia, a diferenza de frecuencia e o bloqueo de modo, o que fai de VECSEL un produto ideal.fonte láserpara aplicacións que van dende a biofotónica, a espectroscopia,medicina lásere proxección láser.
O resonador do láser semicondutor de emisión superficial VC é perpendicular ao plano onde se atopa a rexión activa, e a súa luz de saída é perpendicular ao plano da rexión activa, como se mostra na figura. O VCSEL ten vantaxes únicas, como o seu pequeno tamaño, a alta frecuencia, a boa calidade do feixe, un limiar de dano superficial da cavidade grande e un proceso de produción relativamente sinxelo. Mostra un excelente rendemento nas aplicacións de visualización láser, comunicación óptica e reloxo óptico. Non obstante, os VCsel non poden obter láseres de alta potencia por riba do nivel de vatios, polo que non se poden usar en campos con requisitos de alta potencia.

O resonador láser do VCSEL está composto por un reflector de Bragg distribuído (DBR) composto por unha estrutura epitaxial multicapa de material semicondutor tanto nos lados superior como inferior da rexión activa, que é moi diferente doláserresonador composto por un plano de clivaxe en EEL. A dirección do resonador óptico VCSEL é perpendicular á superficie do chip, a saída do láser tamén é perpendicular á superficie do chip e a reflectividade de ambos os lados do DBR é moito maior que a do plano de solución EEL.
A lonxitude do resonador láser do VCSEL é xeralmente duns poucos micrómetros, o que é moito menor que o do resonador milimétrico do EEL, e a ganancia unidireccional obtida pola oscilación do campo óptico na cavidade é baixa. Aínda que se pode conseguir a saída do modo transversal fundamental, a potencia de saída só pode alcanzar varios milivatios. O perfil da sección transversal do feixe láser de saída do VCSEL é circular e o ángulo de diverxencia é moito menor que o do feixe láser de emisión de bordo. Para conseguir unha alta potencia de saída do VCSEL, é necesario aumentar a rexión luminosa para proporcionar máis ganancia, e o aumento da rexión luminosa fará que o láser de saída se converta nunha saída multimodo. Ao mesmo tempo, é difícil conseguir unha inxección de corrente uniforme nunha gran rexión luminosa, e a inxección de corrente desigual agravará a acumulación de calor residual. En resumo, o VCSEL pode producir o punto simétrico circular do modo básico mediante un deseño estrutural razoable, pero a potencia de saída é baixa cando a saída é de modo único. Polo tanto, adoitan integrarse varios VCsel no modo de saída.