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

Introducción a la emisión superficial de cavidad verticalláser semiconductor(VCSEL)
Los láseres de emisión superficial de cavidad externa vertical se desarrollaron a mediados de la década de 1990 para superar un problema clave que había afectado al desarrollo de los láseres semiconductores tradicionales: cómo producir salidas láser de alta potencia con alta calidad de haz en el modo transversal fundamental.
Láseres de emisión superficial de cavidad externa vertical (Vecsels), también conocidos comoláseres de disco semiconductorLos láseres de diodo semiconductores (SDL) son un miembro relativamente nuevo de la familia de láseres. Pueden diseñar la longitud de onda de emisión cambiando la composición del material y el grosor del pozo cuántico en el medio de ganancia semiconductor, y combinados con la duplicación de frecuencia intracavitaria pueden cubrir un amplio rango de longitudes de onda desde el ultravioleta hasta el infrarrojo lejano, logrando una alta potencia de salida mientras mantienen un haz láser simétrico circular 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 estructura única de resonador externo permite insertar elementos ópticos en la cavidad para operaciones como duplicación de frecuencia, diferencia de frecuencia y bloqueo de modos, lo que convierte al VECSEL en un dispositivo ideal.fuente láserpara aplicaciones que abarcan desde la biofotónica, la espectroscopia,medicina lásery 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 al plano de la región activa, como se muestra en la figura. El VCSEL presenta ventajas únicas, como tamaño reducido, alta frecuencia, buena calidad de haz, alto umbral de daño en la superficie de la cavidad y un proceso de producción relativamente sencillo. Muestra un rendimiento excelente en aplicaciones de pantallas láser, comunicación óptica y relojes ópticos. Sin embargo, los VCSEL no pueden generar láseres de alta potencia superiores al nivel de vatios, por lo que no pueden utilizarse en campos que requieren alta potencia.

El resonador láser de VCSEL está compuesto por un reflector de Bragg distribuido (DBR) compuesto por una estructura epitaxial multicapa de material semiconductor en los lados superior e 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 VCSEL es generalmente de unas pocas micras, mucho menor que la del resonador milimétrico de EEL, y la ganancia unidireccional obtenida por la oscilación del campo óptico en la cavidad es baja. Aunque se puede lograr la salida del modo transversal fundamental, la potencia de salida solo puede alcanzar unos pocos milivatios. El perfil de la sección transversal del haz láser de salida de 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 de VCSEL, es necesario aumentar la región luminosa para proporcionar más ganancia, y el aumento de la región luminosa 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 emitir el punto simétrico circular del 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.