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

Introdução à emissão de superfície por cavidade verticallaser semicondutor(VCSEL)
Os lasers de emissão de superfície de cavidade externa vertical foram desenvolvidos em meados da década de 1990 para superar um problema fundamental que tem afetado o desenvolvimento dos lasers semicondutores tradicionais: como produzir saídas de laser de alta potência com alta qualidade de feixe no modo transversal fundamental.
Lasers de emissão de superfície de cavidade externa vertical (Vecsels), também conhecidos comolasers de disco semicondutorOs lasers VECSEL (laser de diodo semicondutor) são membros relativamente novos da família de lasers. Eles permitem projetar o comprimento de onda de emissão alterando a composição do material e a espessura do poço quântico no meio semicondutor de ganho e, combinados com a duplicação de frequência intracavidade, podem cobrir uma ampla faixa de comprimentos de onda, do ultravioleta ao infravermelho distante, alcançando alta potência de saída e mantendo um feixe de laser circularmente simétrico com baixo ângulo de divergência. O ressonador do laser é composto pela estrutura DBR inferior do chip de ganho e pelo espelho de acoplamento de saída externo. Essa estrutura de ressonador externo exclusiva permite a inserção de elementos ópticos na cavidade para operações como duplicação de frequência, diferença de frequência e travamento de modo, tornando o VECSEL ideal para aplicações em lasers de diodo semicondutor.fonte de laserpara aplicações que vão desde biofotônica, espectroscopia,medicina a lasere projeção a laser.
O ressonador do laser semicondutor de emissão superficial de cavidade (VCSEL) é perpendicular ao plano onde se encontra a região ativa, e sua luz de saída é perpendicular ao plano da região ativa, conforme ilustrado na figura. O VCSEL possui vantagens únicas, como tamanho reduzido, alta frequência, boa qualidade do feixe, grande limiar de dano à superfície da cavidade e processo de produção relativamente simples. Apresenta excelente desempenho em aplicações como displays a laser, comunicação óptica e relógios ópticos. No entanto, os VCSELs não conseguem atingir níveis de potência acima de um watt, portanto, não podem ser utilizados em áreas com alta demanda de potência.

O ressonador laser do VCSEL é composto por um refletor de Bragg distribuído (DBR) formado por uma estrutura epitaxial multicamadas de material semicondutor, tanto na parte superior quanto na 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 da solução EEL.
O comprimento do ressonador laser de um VCSEL é geralmente de alguns micrômetros, muito menor do que o do ressonador milimétrico de um EEL, e o ganho unidirecional obtido pela oscilação do campo óptico na cavidade é baixo. Embora seja possível obter a saída no modo transversal fundamental, a potência de saída atinge apenas alguns miliwatts. O perfil da seção transversal do feixe laser de saída do VCSEL é circular, e o ângulo de divergência é muito menor do que o do feixe laser de emissão lateral. Para obter alta potência de saída do VCSEL, é necessário aumentar a região luminosa para proporcionar maior ganho, e o aumento da região luminosa fará com que o laser de saída se torne um laser multimodo. Ao mesmo tempo, é difícil obter uma injeção de corrente uniforme em uma grande região luminosa, e a injeção de corrente irregular agravará o acúmulo de calor residual. Em resumo, o VCSEL pode emitir um feixe circular simétrico no modo básico por meio de um projeto estrutural adequado, mas a potência de saída é baixa quando a saída é em modo único. Portanto, vários VCSELs são frequentemente integrados no modo de saída.