Introducción al láser semiconductor de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL)

Introducción a la emisión superficial por cavidad verticalláser semiconductor(VCSEL)
Los láseres emisores de superficie con cavidad externa vertical se desarrollaron a mediados de la década de 1990 para superar un problema clave que ha afectado el desarrollo de los láseres semiconductores tradicionales: cómo producir salidas de láser de alta potencia con alta calidad de haz en modo transversal fundamental.
Láseres emisores de superficie de cavidad externa vertical (Vecsels), también conocidos comoláseres de disco semiconductor(SDL) es un miembro relativamente nuevo de la familia de láseres. Permite diseñar la longitud de onda de emisión modificando la composición del material y el espesor del pozo cuántico en el medio de ganancia semiconductor. Combinado con la duplicación de frecuencia intracavitaria, permite cubrir un amplio rango de longitudes de onda, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo lejano, logrando una alta potencia de salida manteniendo un haz láser circular simétrico con un ángulo de divergencia bajo. El resonador láser está compuesto por la estructura DBR inferior del chip de ganancia y el espejo de acoplamiento de salida externo. Esta singular estructura de resonador externo permite insertar elementos ópticos en la cavidad para operaciones como la duplicación de frecuencia, la diferencia de frecuencia y el bloqueo de modo, lo que convierte a VECSEL en la opción ideal.fuente láserpara aplicaciones que van desde la biofotónica, la espectroscopia,medicina láser, y proyección láser.
El resonador del láser semiconductor de emisión superficial VC es perpendicular al plano donde se ubica la región activa, y su luz de salida es perpendicular a dicho plano, como se muestra en la figura. El láser VCSEL presenta ventajas únicas, como su pequeño tamaño, alta frecuencia, buena calidad del haz, amplio umbral de daño superficial de la cavidad y un proceso de producción relativamente sencillo. Presenta un excelente rendimiento en aplicaciones de visualización láser, comunicación óptica y reloj óptico. Sin embargo, los láseres VC no pueden alcanzar potencias superiores al vatio, por lo que no pueden utilizarse en campos con altos requisitos de potencia.

El resonador láser de VCSEL está compuesto por un reflector Bragg distribuido (DBR) compuesto por una estructura epitaxial multicapa de material semiconductor tanto en los lados superior como inferior de la región activa, que es muy diferente delláserResonador compuesto por un plano de clivaje en EEL. La dirección del resonador óptico VCSEL es perpendicular a la superficie del chip, la salida del láser también es perpendicular a la superficie del chip, y la reflectividad de ambos lados del DBR es mucho mayor que la del plano de solución de EEL.
La longitud del resonador láser del VCSEL es generalmente de unas pocas micras, mucho menor que la del resonador milimétrico del EEL, y la ganancia unidireccional obtenida por la oscilación del campo óptico en la cavidad es baja. Si bien se puede lograr la salida en modo transversal fundamental, la potencia de salida solo alcanza unos pocos milivatios. El perfil de la sección transversal del haz láser de salida del VCSEL es circular, y el ángulo de divergencia es mucho menor que el del haz láser de emisión de borde. Para lograr una alta potencia de salida del VCSEL, es necesario aumentar la región luminosa para obtener mayor ganancia, lo que hará que el láser de salida se convierta en una salida multimodo. Al mismo tiempo, es difícil lograr una inyección de corriente uniforme en una región luminosa grande, y la inyección de corriente desigual agravará la acumulación de calor residual. En resumen, el VCSEL puede generar el punto simétrico circular del modo básico a través de un diseño estructural razonable, pero la potencia de salida es baja cuando la salida es de modo único. Por lo tanto, a menudo se integran múltiples VCsels en el modo de salida.