مقدمة عن انبعاث سطح 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)، عضو جديد نسبيًا في عائلة الليزر. يُمكنه تصميم طول موجة الانبعاث عن طريق تغيير تركيب المادة وسمك البئر الكمومي في وسط كسب أشباه الموصلات، ويمكنه، 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 المُصدر للسطح VC عمودي على مستوى المنطقة النشطة، وضوء خرجه عمودي على مستوى المنطقة النشطة، كما هو موضح في الشكل. يتميز ليزر 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 VCEL 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 الموزع (DBR) المكون 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 VCSEL عادةً بضعة ميكرونات، وهو أصغر بكثير من مرنان المليمتر في 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 تصل إلا إلى عدة ملي واط. يتميز مقطع شعاع الليزر الخارج من VCSEL بأنه دائري، وزاوية التباعد أصغر بكثير من زاوية شعاع الليزر المنبعث من الحافة. لتحقيق خرج طاقة عالي من VCSEL، من الضروري زيادة المنطقة المضيئة لتوفير ربح أكبر، وستؤدي زيادة المنطقة المضيئة إلى أن يصبح ليزر الخرج خرجًا 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 الإخراج منخفضة عندما يكون الإخراج في وضع واحد. لذلك، غالبًا ما يتم دمج العديد من VCsels في وضع الإخراج.
وقت النشر: ٢١ مايو ٢٠٢٤