مقدمة إلى سطح التجويف العمودي الذي ينبعث منه ليزر أشباه الموصلات (VCSEL)

مقدمة إلى انبعاث سطح التجويف العموديليزر أشباه الموصلات(VCSEL)
تم تطوير الليزر العمودي الذي ينبعث من سطح التجويف الخارجي في منتصف التسعينيات للتغلب على مشكلة رئيسية ابتليت بها تطوير ليزر أشباه الموصلات التقليدية: كيفية إنتاج مخرجات ليزر عالية الطاقة بجودة شعاع عالية في الوضع العرضي الأساسي.
الليزر الرأسي الباعث لسطح التجويف الخارجي (Vecsels)، المعروف أيضًا باسمليزر أقراص أشباه الموصلات(SDL)، عضو جديد نسبيًا في عائلة الليزر. يمكنها تصميم الطول الموجي للانبعاث عن طريق تغيير تركيبة المادة وسمك البئر الكمومية في وسط كسب أشباه الموصلات، ويمكن دمجها مع مضاعفة التردد داخل التجويف لتغطية نطاق واسع من الطول الموجي من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء البعيدة، مما يحقق خرج طاقة عاليًا مع الحفاظ على اختلاف منخفض. زاوية شعاع الليزر الدائرية المتناظرة. يتكون مرنان الليزر من هيكل DBR السفلي لشريحة الكسب ومرآة اقتران الإخراج الخارجية. يسمح هيكل الرنان الخارجي الفريد هذا بإدخال العناصر البصرية في التجويف لإجراء عمليات مثل مضاعفة التردد، وفرق التردد، وقفل الوضع، مما يجعل VECSEL خيارًا مثاليًامصدر الليزرلتطبيقات تتراوح بين الضوئيات الحيوية، والتحليل الطيفي،طب الليزر، وإسقاط الليزر.
يكون مرنان ليزر أشباه الموصلات الذي ينبعث من سطح VC متعامدًا مع المستوى الذي تقع فيه المنطقة النشطة، ويكون ضوء الخرج الخاص به متعامدًا مع مستوى المنطقة النشطة، كما هو موضح في الشكل. يتمتع VCSEL بمزايا فريدة، مثل الصغيرة الحجم، والتردد العالي، وجودة الشعاع الجيدة، وعتبة تلف سطح التجويف الكبيرة، وعملية الإنتاج بسيطة نسبيًا. يُظهر أداءً ممتازًا في تطبيقات عرض الليزر والاتصالات البصرية والساعة البصرية. ومع ذلك، لا يمكن لـ VCsels الحصول على أشعة ليزر عالية الطاقة أعلى من مستوى الواط، لذلك لا يمكن استخدامها في المجالات ذات متطلبات الطاقة العالية.

يتكون مرنان الليزر الخاص بـ VCSEL من عاكس Bragg الموزع (DBR) المكون من هيكل فوقي متعدد الطبقات من مادة شبه موصلة على الجانبين العلوي والسفلي للمنطقة النشطة، والذي يختلف تمامًا عنالليزرمرنان يتكون من مستوى الانقسام في ثعبان البحر. يكون اتجاه الرنان البصري VCSEL عموديًا على سطح الرقاقة، ويكون خرج الليزر أيضًا متعامدًا على سطح الرقاقة، كما أن انعكاس جانبي DBR أعلى بكثير من انعكاس مستوى حل EEL.
يبلغ طول مرنان الليزر لـ VCSEL عمومًا بضعة ميكرونات، وهو أصغر بكثير من طول مرنان المليمتر لـ EEL، ويكون الكسب أحادي الاتجاه الذي يتم الحصول عليه عن طريق تذبذب المجال البصري في التجويف منخفضًا. على الرغم من إمكانية تحقيق خرج الوضع العرضي الأساسي، إلا أن طاقة الخرج لا يمكن أن تصل إلا إلى عدة ملي واط. يكون المقطع العرضي لشعاع الليزر الناتج VCSEL دائريًا، وزاوية التباعد أصغر بكثير من شعاع الليزر الذي ينبعث من الحافة. لتحقيق خرج طاقة عالي لـ VCSEL، من الضروري زيادة المنطقة المضيئة لتوفير المزيد من الكسب، وستؤدي زيادة المنطقة المضيئة إلى أن يصبح الليزر الناتج مخرجًا متعدد الأوضاع. في الوقت نفسه، من الصعب تحقيق حقن تيار موحد في منطقة مضيئة كبيرة، وسيؤدي حقن التيار غير المتكافئ إلى تفاقم تراكم الحرارة المهدورة. باختصار، يمكن لـ VCSEL إخراج النقطة المتماثلة الدائرية ذات الوضع الأساسي من خلال تصميم هيكلي معقول، ولكن تكون طاقة الإخراج منخفضة عندما يكون الإخراج في وضع فردي. ولذلك، غالبًا ما يتم دمج VCsels المتعددة في وضع الإخراج.