Introdução ao laser semicondutor emissor de superfície de cavidade vertical (VCSEL)

Introdução à emissão de superfície de cavidade verticallaser semicondutor(VCSEL)
Os lasers emissores de superfície de cavidade externa vertical foram desenvolvidos em meados da década de 1990 para superar um problema fundamental que tem prejudicado o desenvolvimento dos lasers semicondutores tradicionais: como produzir saídas de laser de alta potência com alta qualidade de feixe no modo transversal fundamental.
Lasers emissores de superfície de cavidade externa vertical (Vecsels), também conhecidos comolasers de disco semicondutor(SDL), são um membro relativamente novo da família de lasers. Ele pode projetar o comprimento de onda de emissão alterando a composição do material e a espessura do poço quântico no meio de ganho semicondutor e, combinado com a duplicação de frequência intracavitária, pode cobrir uma ampla faixa de comprimento de onda do ultravioleta ao infravermelho distante, alcançando alta potência de saída e mantendo um feixe de laser circular simétrico de baixo ângulo de divergência. O ressonador laser é composto pela estrutura DBR inferior do chip de ganho e pelo espelho de acoplamento de saída externo. Essa estrutura exclusiva do ressonador externo permite que elementos ópticos sejam inseridos na cavidade para operações como duplicação de frequência, diferença de frequência e bloqueio de modo, tornando o VECSEL um dispositivo ideal.fonte de laserpara aplicações que vão desde biofotônica, espectroscopia,medicina a laser, e projeção a laser.
O ressonador do laser semicondutor emissor de superfície VC é perpendicular ao plano onde a região ativa está localizada, e sua luz de saída é perpendicular ao plano da região ativa, como mostrado na figura. O VCSEL possui vantagens únicas, como tamanho pequeno, alta frequência, boa qualidade do feixe, amplo limiar de dano à superfície da cavidade e processo de produção relativamente simples. Apresenta excelente desempenho em aplicações de display a laser, comunicação óptica e relógio óptico. No entanto, os VCsels não conseguem obter lasers de alta potência acima do nível de watts, portanto, não podem ser utilizados em campos com altos requisitos de potência.

O ressonador laser do VCSEL é composto por um refletor Bragg distribuído (DBR) composto por uma estrutura epitaxial multicamadas de material semicondutor nos lados superior e inferior da região ativa, o que é muito diferente dolaserRessonador composto por plano de clivagem em EEL. A direção do ressonador óptico VCSEL é perpendicular à superfície do chip, a saída do laser também é perpendicular à superfície do chip e a refletividade de ambos os lados do DBR é muito maior do que a do plano de solução EEL.
O comprimento do ressonador laser do VCSEL é geralmente de alguns micrômetros, muito menor que o do ressonador milimétrico do EEL, e o ganho unidirecional obtido pela oscilação do campo óptico na cavidade é baixo. Embora a saída do modo transversal fundamental possa ser alcançada, a potência de saída só pode atingir alguns miliwatts. O perfil da seção transversal do feixe de laser de saída do VCSEL é circular e o ângulo de divergência é muito menor que o do feixe de laser emissor de borda. Para atingir uma alta potência de saída do VCSEL, é necessário aumentar a região luminosa para fornecer mais ganho, e o aumento da região luminosa fará com que o laser de saída se torne uma saída multimodo. Ao mesmo tempo, é difícil obter injeção de corrente uniforme em uma grande região luminosa, e a injeção de corrente irregular agravará o acúmulo de calor residual. Resumindo, o VCSEL pode gerar o ponto simétrico circular do modo básico por meio de um projeto estrutural razoável, mas a potência de saída é baixa quando a saída é de modo único. Portanto, vários VCsels são frequentemente integrados ao modo de saída.