Giới thiệu về laser bán dẫn phát xạ bề mặt khoang thẳng đứng (VCSEL)

Giới thiệu về phát xạ bề mặt khoang thẳng đứnglaser bán dẫn(VCSEL)
Các laser phát xạ bề mặt khoang ngoài thẳng đứng được phát triển vào giữa những năm 1990 để khắc phục một vấn đề then chốt đã gây khó khăn cho sự phát triển của các laser bán dẫn truyền thống: làm thế nào để tạo ra đầu ra laser công suất cao với chất lượng chùm tia cao ở chế độ ngang cơ bản.
Laser phát xạ bề mặt khoang ngoài thẳng đứng (Vecsel), còn được gọi làlaser đĩa bán dẫn(SDL) là một thành viên tương đối mới trong họ laser. Nó có thể thiết kế bước sóng phát xạ bằng cách thay đổi thành phần vật liệu và độ dày của giếng lượng tử trong môi trường khuếch đại bán dẫn, và kết hợp với việc nhân đôi tần số bên trong khoang cộng hưởng có thể bao phủ một dải bước sóng rộng từ tia cực tím đến tia hồng ngoại xa, đạt được công suất đầu ra cao trong khi vẫn duy trì chùm tia laser đối xứng tròn với góc phân kỳ thấp. Bộ cộng hưởng laser bao gồm cấu trúc DBR đáy của chip khuếch đại và gương ghép nối đầu ra bên ngoài. Cấu trúc cộng hưởng bên ngoài độc đáo này cho phép các phần tử quang học được đưa vào khoang cộng hưởng để thực hiện các thao tác như nhân đôi tần số, hiệu số tần số và khóa chế độ, làm cho VECSEL trở thành một lựa chọn lý tưởng.nguồn lasercho các ứng dụng từ quang sinh học, quang phổ học,y học laservà trình chiếu laser.
Bộ cộng hưởng của laser bán dẫn phát xạ bề mặt VC vuông góc với mặt phẳng chứa vùng hoạt động, và ánh sáng đầu ra của nó cũng vuông góc với mặt phẳng vùng hoạt động, như thể hiện trong hình. VCSEL có những ưu điểm độc đáo, chẳng hạn như kích thước nhỏ, tần số cao, chất lượng chùm tia tốt, ngưỡng chịu hư hỏng bề mặt khoang lớn và quy trình sản xuất tương đối đơn giản. Nó thể hiện hiệu suất tuyệt vời trong các ứng dụng màn hình laser, truyền thông quang học và đồng hồ quang học. Tuy nhiên, VCsel không thể tạo ra laser công suất cao trên mức watt, vì vậy chúng không thể được sử dụng trong các lĩnh vực yêu cầu công suất cao.

Bộ cộng hưởng laser của VCSEL bao gồm một gương phản xạ Bragg phân bố (DBR) được cấu tạo từ cấu trúc nhiều lớp màng mỏng của vật liệu bán dẫn ở cả mặt trên và mặt dưới của vùng hoạt động, điều này rất khác so với...tia laserBộ cộng hưởng được cấu tạo từ mặt phẳng phân tách trong EEL. Hướng của bộ cộng hưởng quang VCSEL vuông góc với bề mặt chip, đầu ra laser cũng vuông góc với bề mặt chip, và độ phản xạ của cả hai phía của DBR cao hơn nhiều so với mặt phẳng giải pháp EEL.
Chiều dài của bộ cộng hưởng laser trong VCSEL thường chỉ vài micromet, nhỏ hơn nhiều so với bộ cộng hưởng milimet của EEL, và độ khuếch đại một chiều thu được nhờ dao động trường quang trong khoang cộng hưởng thấp. Mặc dù có thể đạt được đầu ra chế độ ngang cơ bản, nhưng công suất đầu ra chỉ có thể đạt vài miliwatt. Mặt cắt ngang của chùm tia laser đầu ra của VCSEL là hình tròn, và góc phân kỳ nhỏ hơn nhiều so với chùm tia laser phát xạ cạnh. Để đạt được công suất đầu ra cao của VCSEL, cần phải tăng vùng phát sáng để cung cấp độ khuếch đại lớn hơn, và việc tăng vùng phát sáng sẽ khiến laser đầu ra trở thành đa chế độ. Đồng thời, rất khó để đạt được sự phân bổ dòng điện đồng đều trong một vùng phát sáng lớn, và sự phân bổ dòng điện không đồng đều sẽ làm trầm trọng thêm sự tích tụ nhiệt thải. Tóm lại, VCSEL có thể tạo ra điểm đối xứng tròn ở chế độ cơ bản thông qua thiết kế cấu trúc hợp lý, nhưng công suất đầu ra thấp khi đầu ra là đơn chế độ. Do đó, nhiều VCSEL thường được tích hợp vào chế độ đầu ra.