Introduzione all'emissione superficiale della cavità verticalelaser a semiconduttore(VCSEL)
I laser a emissione superficiale con cavità esterna verticale sono stati sviluppati a metà degli anni '90 per superare un problema chiave che ha afflitto lo sviluppo dei laser a semiconduttore tradizionali: come produrre uscite laser ad alta potenza con un'elevata qualità del fascio in modalità trasversale fondamentale.
Laser a emissione superficiale a cavità esterna verticale (Vecsel), noti anche comelaser a disco semiconduttore(SDL), sono un membro relativamente nuovo della famiglia laser. Possono progettare la lunghezza d'onda di emissione modificando la composizione del materiale e lo spessore del pozzo quantico nel mezzo di guadagno del semiconduttore e, in combinazione con il raddoppio di frequenza intracavità, possono coprire un'ampia gamma di lunghezze d'onda dall'ultravioletto all'infrarosso lontano, ottenendo un'elevata potenza di uscita mantenendo un fascio laser circolare simmetrico a basso angolo di divergenza. Il risonatore laser è composto dalla struttura DBR inferiore del chip di guadagno e dallo specchio di accoppiamento di uscita esterno. Questa esclusiva struttura del risonatore esterno consente l'inserimento di elementi ottici nella cavità per operazioni come il raddoppio di frequenza, la differenza di frequenza e il mode-locking, rendendo VECSEL unsorgente laserper applicazioni che spaziano dalla biofotonica alla spettroscopia,medicina lasere proiezione laser.
Il risonatore del laser a semiconduttore a emissione superficiale VC è perpendicolare al piano in cui si trova la regione attiva e la sua luce in uscita è perpendicolare al piano della regione attiva, come mostrato in figura. Il VCSEL presenta vantaggi unici, come dimensioni ridotte, alta frequenza, buona qualità del fascio, elevata soglia di danneggiamento superficiale della cavità e processo produttivo relativamente semplice. Offre prestazioni eccellenti nelle applicazioni di display laser, comunicazione ottica e clock ottico. Tuttavia, i VCSEL non possono ottenere laser ad alta potenza superiori al watt, quindi non possono essere utilizzati in settori con elevati requisiti di potenza.
Il risonatore laser di VCSEL è composto da un riflettore di Bragg distribuito (DBR) composto da una struttura epitassiale multistrato di materiale semiconduttore sia sul lato superiore che su quello inferiore della regione attiva, che è molto diverso dallaserRisonatore composto da un piano di clivaggio in EEL. La direzione del risonatore ottico VCSEL è perpendicolare alla superficie del chip, anche l'uscita laser è perpendicolare alla superficie del chip e la riflettività di entrambi i lati del DBR è molto più elevata di quella del piano di soluzione EEL.
La lunghezza del risonatore laser del VCSEL è generalmente di pochi micron, molto inferiore a quella del risonatore millimetrico dell'EEL, e il guadagno unidirezionale ottenuto dall'oscillazione del campo ottico nella cavità è basso. Sebbene sia possibile ottenere l'uscita in modalità trasversale fondamentale, la potenza di uscita può raggiungere solo pochi milliwatt. Il profilo della sezione trasversale del fascio laser di uscita del VCSEL è circolare e l'angolo di divergenza è molto inferiore a quello del fascio laser a emissione di bordo. Per ottenere un'elevata potenza di uscita del VCSEL, è necessario aumentare la regione luminosa per ottenere un maggiore guadagno, e l'aumento della regione luminosa farà sì che il laser di uscita diventi un'uscita multimodale. Allo stesso tempo, è difficile ottenere un'iniezione di corrente uniforme in un'ampia regione luminosa e l'iniezione di corrente non uniforme aggraverà l'accumulo di calore disperso. In breve, il VCSEL può emettere il punto simmetrico circolare in modalità base attraverso una progettazione strutturale ragionevole, ma la potenza di uscita è bassa quando l'uscita è monomodale. Pertanto, più VCSEL vengono spesso integrati nella modalità di uscita.
Data di pubblicazione: 21 maggio 2024