مقدمة عن انبعاث السطح في تجويف رأسيليزر أشباه الموصلات(VCSEL)
تم تطوير ليزرات انبعاث السطح ذات التجويف الخارجي العمودي في منتصف التسعينيات للتغلب على مشكلة رئيسية ابتليت بها عملية تطوير ليزرات أشباه الموصلات التقليدية: كيفية إنتاج مخرجات ليزر عالية الطاقة بجودة شعاع عالية في الوضع المستعرض الأساسي.
الليزر ذو التجويف الخارجي العمودي الذي يبعث الضوء من السطح (Vecsels)، والمعروف أيضًا باسمليزرات الأقراص شبه الموصلةتُعدّ ليزرات VECSEL (SDL) عضوًا حديثًا نسبيًا في عائلة الليزر. فهي قادرة على تصميم طول موجة الانبعاث عن طريق تغيير تركيبة المادة وسُمك البئر الكمومي في وسط التضخيم شبه الموصل، وبالاقتران مع مضاعفة التردد داخل التجويف، يمكنها 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 متناظر بزاوية تباعد منخفضة. يتكون رنان الليزر من بنية DBR السفلية لشريحة التضخيم ومرآة اقتران الخرج الخارجية. تسمح بنية الرنان الخارجية الفريدة هذه بإدخال عناصر بصرية داخل التجويف لإجراء عمليات مثل مضاعفة التردد، وفرق التردد، وقفل الأنماط، مما يجعل ليزر VECSEL خيارًا مثاليًا.مصدر ليزرلتطبيقات تتراوح من علم الفوتونات الحيوية، والتحليل الطيفي،طب الليزر، والعرض بالليزر.
يكون رنان ليزر أشباه الموصلات ذي الانبعاث السطحي VCSEL عموديًا على مستوى المنطقة الفعالة، ويكون ضوء الخرج عموديًا على مستوى هذه المنطقة، كما هو موضح في الشكل. يتميز ليزر VCSEL بمزايا فريدة، مثل صغر الحجم، والتردد العالي، وجودة الشعاع الممتازة، وعتبة تلف سطح التجويف المنخفضة، وعملية الإنتاج البسيطة نسبيًا. ويُظهر أداءً متميزًا في تطبيقات شاشات الليزر، والاتصالات الضوئية، والساعات الضوئية. مع ذلك، لا يمكن لـ VCSEL إنتاج ليزرات عالية القدرة تتجاوز مستوى الواط، لذا لا يمكن استخدامه في المجالات التي تتطلب طاقة عالية.
يتكون رنان الليزر في ليزر VCSEL من عاكس براغ الموزع (DBR) المكون من بنية متعددة الطبقات من مادة أشباه الموصلات على الجانبين العلوي والسفلي للمنطقة النشطة، وهو ما يختلف تمامًا عنليزريتكون الرنان من مستوى انقسام في طبقة الإلكترونات الإلكترونية. يكون اتجاه الرنان البصري لليزر ذي السطح الداخلي العمودي عموديًا على سطح الشريحة، ويكون خرج الليزر عموديًا أيضًا على سطح الشريحة، وتكون انعكاسية كلا جانبي عاكس براغ الموزع أعلى بكثير من انعكاسية مستوى حل طبقة الإلكترونات الإلكترونية.
يبلغ طول رنان ليزر VCSEL عادةً بضعة ميكرونات، وهو أصغر بكثير من طول رنان ليزر EEL الذي يبلغ طوله بضعة ملليمترات، وبالتالي يكون الكسب أحادي الاتجاه الناتج عن تذبذب المجال البصري داخل التجويف منخفضًا. ورغم إمكانية الحصول على خرج النمط المستعرض الأساسي، إلا أن قدرة الخرج لا تتجاوز بضعة ميلي واط. يتميز المقطع العرضي لشعاع ليزر VCSEL الناتج بأنه دائري، وزاوية تباعده أصغر بكثير من زاوية تباعد شعاع ليزر EEL. ولتحقيق خرج طاقة عالٍ من ليزر VCSEL، من الضروري زيادة المنطقة المضيئة لتوفير كسب أكبر، مما يؤدي إلى تحويل خرج الليزر إلى خرج متعدد الأنماط. في الوقت نفسه، يصعب تحقيق حقن تيار منتظم في منطقة إضاءة واسعة، كما أن عدم انتظام حقن التيار يزيد من تراكم الحرارة المهدرة. باختصار، يمكن لليزر VCSEL إخراج بقعة دائرية متناظرة في الوضع الأساسي من خلال تصميم هيكلي مناسب، لكن قدرة الخرج تكون منخفضة عند استخدام وضع أحادي. لذلك، غالبًا ما يتم دمج عدة ليزرات VCSEL في وضع الخرج.
تاريخ النشر: 21 مايو 2024