Inleiding tot verticale holte-oppervlakte-emissiehalfgeleiderlaser(VCSEL)
Verticale externe-caviteit-oppervlakte-emitterende lasers werden halverwege de jaren negentig ontwikkeld om een belangrijk probleem op te lossen dat de ontwikkeling van traditionele halfgeleiderlasers lange tijd had belemmerd: hoe produceer je lasers met een hoog vermogen en een hoge bundelkwaliteit in de fundamentele transversale modus?
Verticale externe-holte-oppervlakte-emitterende lasers (Vecsels), ook wel bekend alshalfgeleiderschijflasers(SDL) lasers zijn een relatief nieuw lid van de laserfamilie. Ze kunnen de emissiegolflengte ontwerpen door de materiaalsamenstelling en dikte van de kwantumput in het halfgeleiderversterkingsmedium te veranderen. In combinatie met intracavitaire frequentieverdubbeling kunnen ze een breed golflengtebereik bestrijken, van ultraviolet tot ver infrarood, waardoor een hoog vermogen wordt bereikt met behoud van een cirkelsymmetrische laserbundel met een lage divergentiehoek. De laserresonator bestaat uit de onderste DBR-structuur van de versterkingschip en de externe uitgangskoppelingsspiegel. Deze unieke externe resonatorstructuur maakt het mogelijk om optische elementen in de caviteit te plaatsen voor bewerkingen zoals frequentieverdubbeling, frequentieverschil en mode-locking, waardoor VECSEL een ideale laser is.laserbronvoor toepassingen variërend van biofotonica tot spectroscopie,lasergeneeskundeen laserprojectie.
De resonator van de VCSEL (Virtual Carbon Self-Emitting Semiconductor Laser) staat loodrecht op het vlak waarin het actieve gebied zich bevindt, en het uitgestraalde licht staat ook loodrecht op het vlak van het actieve gebied, zoals weergegeven in de afbeelding. VCSEL's hebben unieke voordelen, zoals een klein formaat, hoge frequentie, goede straalkwaliteit, een hoge drempelwaarde voor beschadiging van het caviteitsoppervlak en een relatief eenvoudig productieproces. Ze presteren uitstekend in toepassingen zoals laserdisplays, optische communicatie en optische klokken. VCSEL's kunnen echter geen lasers met een hoog vermogen van meer dan een watt produceren, waardoor ze niet geschikt zijn voor toepassingen met hoge vermogenseisen.
De laserresonator van een VCSEL bestaat uit een gedistribueerde Bragg-reflector (DBR) die is opgebouwd uit een meerlaagse epitaxiale structuur van halfgeleidermateriaal aan zowel de boven- als onderkant van het actieve gebied, wat heel anders is dan delaserDe resonator bestaat uit een splijtvlak in EEL. De richting van de VCSEL-optische resonator is loodrecht op het chipoppervlak, de laseruitvoer is ook loodrecht op het chipoppervlak gericht en de reflectiviteit van beide zijden van de DBR is veel hoger dan die van het EEL-oplossingsvlak.
De lengte van de laserresonator van een VCSEL is over het algemeen enkele micrometers, wat veel kleiner is dan die van de millimeterresonator van een EEL. De eenrichtingsversterking die wordt verkregen door de optische veldoscillatie in de holte is laag. Hoewel de fundamentele transversale modus kan worden bereikt, kan het uitgangsvermogen slechts enkele milliwatt bedragen. Het dwarsdoorsnedeprofiel van de laserbundel van een VCSEL is cirkelvormig en de divergentiehoek is veel kleiner dan die van een randemitterende laserbundel. Om een hoog uitgangsvermogen van een VCSEL te bereiken, is het noodzakelijk om het lichtgevende gebied te vergroten om meer versterking te verkrijgen. De vergroting van het lichtgevende gebied zorgt er echter voor dat de laserbundel een multimode-uitgang wordt. Tegelijkertijd is het moeilijk om een uniforme stroominjectie te bereiken in een groot lichtgevend gebied, en de ongelijkmatige stroominjectie zal de warmteaccumulatie verergeren. Kortom, een VCSEL kan door een redelijk structureel ontwerp een cirkelsymmetrische spot in de basismodus produceren, maar het uitgangsvermogen is laag wanneer de output enkelvoudig is. Daarom worden vaak meerdere VCSEL's in één uitgangsmodus geïntegreerd.
Geplaatst op: 21 mei 2024