مقدمة عن انبعاث السطح التجويف الرأسيليزر أشباه الموصلات(VCSEL)
تم تطوير الليزر المنبعث من سطح التجويف الخارجي الرأسي في منتصف التسعينيات للتغلب على مشكلة رئيسية أعاقت تطوير الليزر أشباه الموصلات التقليدية: كيفية إنتاج مخرجات ليزر عالية الطاقة مع جودة شعاع عالية في الوضع العرضي الأساسي.
ليزرات انبعاث السطح ذات التجويف الخارجي الرأسي (Vecsels)، والمعروفة أيضًا باسمليزرات الأقراص شبه الموصلة(SDL)، وهي عضو جديد نسبيًا في عائلة الليزر. يمكنها تصميم طول موجة الانبعاث عن طريق تغيير تركيب المادة وسمك البئر الكمومي في وسط كسب أشباه الموصلات، ويمكنها، مع مضاعفة التردد داخل التجويف، تغطية نطاق واسع من الأطوال الموجية من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء البعيدة، مما يحقق خرج طاقة عاليًا مع الحفاظ على شعاع ليزر دائري متماثل بزاوية تباعد منخفضة. يتكون مرنان الليزر من هيكل DBR السفلي لشريحة الكسب ومرآة اقتران الإخراج الخارجية. يسمح هذا الهيكل الخارجي الفريد للمرنان بإدخال عناصر بصرية في التجويف لعمليات مثل مضاعفة التردد واختلاف التردد وقفل الوضع، مما يجعل VECSEL مثاليًا.مصدر الليزرللتطبيقات التي تتراوح من الفوتونيات الحيوية، والتحليل الطيفي،طب الليزر، والإسقاط بالليزر.
مرنان ليزر أشباه الموصلات الباعث للسطح VC عمودي على مستوى المنطقة النشطة، وضوء خرجه عمودي على مستوى المنطقة النشطة، كما هو موضح في الشكل. يتميز ليزر أشباه الموصلات الباعث للسطح VCSEL بمزايا فريدة، مثل صغر حجمه، وتردده العالي، وجودة شعاعه الممتازة، وعتبة تلف سطح التجويف الكبيرة، وسهولة إنتاجه نسبيًا. يُظهر أداءً ممتازًا في تطبيقات شاشات الليزر، والاتصالات البصرية، والساعة البصرية. ومع ذلك، لا تستطيع ليزرات أشباه الموصلات الباعثة للسطح VC إنتاج ليزرات عالية الطاقة تتجاوز مستوى الواط، لذا لا يمكن استخدامها في المجالات ذات متطلبات الطاقة العالية.
يتكون مرنان الليزر الخاص بـ VCSEL من عاكس براج موزع (DBR) يتكون من بنية طبقية متعددة الطبقات من مادة أشباه الموصلات على كلا الجانبين العلوي والسفلي للمنطقة النشطة، وهو مختلف تمامًا عنالليزرمرنان يتكون من مستوى انقسام في EEL. اتجاه مرنان VCSEL البصري عمودي على سطح الشريحة، وخرج الليزر عمودي أيضًا على سطح الشريحة، وانعكاسية جانبي DBR أعلى بكثير من انعكاسية مستوى حل EEL.
يبلغ طول مرنان الليزر في ليزر VCSEL عادةً بضعة ميكرونات، وهو أصغر بكثير من مرنان المليمتر في ليزر EEL، كما أن الكسب أحادي الاتجاه الناتج عن تذبذب المجال البصري في التجويف منخفض. على الرغم من إمكانية تحقيق خرج الوضع العرضي الأساسي، إلا أن طاقة الخرج لا تتجاوز عدة ملي واط. يتميز شعاع الليزر الخارج في ليزر VCSEL بمقطع عرضي دائري، وزاوية التباعد أصغر بكثير من زاوية شعاع الليزر المنبعث من الحافة. لتحقيق خرج طاقة عالي في ليزر VCSEL، من الضروري زيادة المنطقة المضيئة لتوفير ربح أكبر، وستؤدي زيادة المنطقة المضيئة إلى أن يصبح ليزر الخرج مخرجًا متعدد الأوضاع. في الوقت نفسه، من الصعب تحقيق حقن تيار موحد في منطقة مضيئة كبيرة، وسوف يؤدي حقن التيار غير المتساوي إلى تفاقم تراكم الحرارة المهدرة. باختصار، يمكن لـ VCSEL إخراج نقطة متماثلة دائرية في الوضع الأساسي من خلال تصميم هيكلي معقول، ولكن طاقة الخرج منخفضة عندما يكون الخرج في وضع واحد. لذلك، غالبًا ما يتم دمج العديد من VCsels في وضع الخرج.
وقت النشر: ٢١ مايو ٢٠٢٤