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

Introducción a la emisión superficial de cavidad verticalláser semiconductor(VCSEL)
Los láseres VECS (láseres de emisión superficial de cavidad externa vertical) se desarrollaron a mediados de la década de 1990 para superar un problema clave que ha plagado el desarrollo de los láseres semiconductores tradicionales: cómo producir salidas láser de alta potencia con alta calidad de haz en modo transversal fundamental.
Láseres de emisión superficial de cavidad externa vertical (Vecsels), también conocidos comoláseres de disco semiconductorLos láseres semiconductores de diodo (VECSEL) son un miembro relativamente nuevo de la familia de los láseres. Permiten diseñar la longitud de onda de emisión modificando la composición del material y el grosor del pozo cuántico en el medio de ganancia semiconductor. Combinados con la duplicación de frecuencia intracavidad, cubren un amplio rango de longitudes de onda, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo lejano, logrando una alta potencia de salida y manteniendo un haz láser circular simétrico con un bajo ángulo de divergencia. El resonador láser se compone de 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 al VECSEL en un láser ideal.fuente láserpara aplicaciones que abarcan desde la biofotónica y la espectroscopia,medicina lásery proyección láser.
El resonador del láser semiconductor de emisión superficial de cavidad (VCSEL) 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 VCSEL presenta ventajas únicas, como tamaño reducido, alta frecuencia, buena calidad del haz, un elevado umbral de daño en la superficie de la cavidad y un proceso de producción relativamente sencillo. Ofrece un rendimiento excelente en aplicaciones de visualización láser, comunicaciones ópticas y relojes ópticos. Sin embargo, los VCSEL no permiten obtener láseres de alta potencia superiores al nivel de vatios, por lo que no son adecuados para aplicaciones con altos requisitos de potencia.

El resonador láser del VCSEL está compuesto por un reflector de Bragg distribuido (DBR) formado por una estructura epitaxial multicapa de material semiconductor tanto en la parte superior como en la inferior de la región activa, lo cual es muy diferente deláserResonador 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 la solución EEL.
La longitud del resonador láser de un VCSEL suele ser de unos pocos micrómetros, mucho menor que la del resonador milimétrico de un EEL, y la ganancia unidireccional obtenida por la oscilación del campo óptico en la cavidad es baja. Aunque 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 lateral. Para lograr una alta potencia de salida en un VCSEL, es necesario aumentar la región luminosa para proporcionar mayor ganancia, lo que provoca que el láser de salida emita en múltiples modos. Al mismo tiempo, es difícil lograr una inyección de corriente uniforme en una región luminosa grande, y la inyección de corriente no uniforme agrava la acumulación de calor residual. En resumen, el VCSEL puede emitir un punto simétrico circular en el modo básico mediante un diseño estructural adecuado, pero la potencia de salida es baja cuando la salida es monomodo. Por lo tanto, a menudo se integran múltiples VCSEL en el modo de salida.