מבוא לחלל אנכי משטח הפולט לייזר מוליכים למחצה (VCSEL)

מבוא לפליטת פני חלל אנכיתלייזר מוליכים למחצה(VCSEL)
לייזרים אנכיים של חלל חיצוני אנכיים פותחו באמצע שנות התשעים כדי להתגבר על בעיית מפתח שפקדה את התפתחות לייזרים מוליכים למחצה מסורתיים: כיצד לייצר תפוקות לייזר בעלות עוצמה גבוהה עם איכות קרן גבוהה במצב רוחבי בסיסי.
לייזרים פולטני שטח חיצוניים אנכיים חיצוניים (Vecsels), הידועים גם בשםלייזרי דיסק מוליכים למחצה(SDL), הם בני חדש יחסית במשפחת הלייזר. הוא יכול לתכנן את אורך הגל של הפליטה על ידי שינוי הרכב החומר ועובי הבאר הקוונטי במדיום הרווח של מוליכים למחצה, ובשילוב עם הכפלת תדר תוך -גזעית יכול לכסות טווח אורך גל רחב בין אולטרה סגול לאינפרא אדום רחוק, ולהשיג תפוקת חשמל גבוהה תוך שמירה על קרן סיממטרית עגולית זווית נמוך. מהוד הלייזר מורכב ממבנה ה- DBR התחתון של שבב הרווח ומראה צימוד הפלט החיצוני. מבנה תהודה חיצוני ייחודי זה מאפשר להכניס אלמנטים אופטיים לחלל לפעולות כמו הכפלת תדרים, הבדל תדרים ונעילת מצב, מה שהופך את Vecsel לאידיאלמקור לייזרליישומים שנעים בין ביו -פוטוניקה, ספקטרוסקופיה,רפואת לייזרוהקרנת לייזר.
התהודה של לייזר המוליך למחצה המוליך VC-Sufface הוא בניצב למישור בו נמצא האזור הפעיל, ואור התפוקה שלו הוא בניצב למישור האזור הפעיל, כפי שמוצג באיור. VCSEL יש יתרונות ייחודיים, כמו גודל קטן של ייצור, תדירות גבוהה, איכות קרן טובה, פגיעה בשטח חלל גדול, ותהליך ייצור פשוט יחסית. זה מציג ביצועים מצוינים ביישומים של תצוגת לייזר, תקשורת אופטית ושעון אופטי. עם זאת, VCSELs לא יכולים להשיג לייזרים בעלי עוצמה גבוהה מעל רמת הוואט, ולכן לא ניתן להשתמש בהם בשדות עם דרישות כוח גבוהות.

מהוד הלייזר של VCSEL מורכב ממחזר Bragg מבוזר (DBR) המורכב ממבנה אפיטקסיאלי רב שכבתי של חומר מוליך למחצה בשני הצדדים העליונים והתחתונים של האזור הפעיל, השונה מאוד מה-לייזרהתהודה המורכבת ממטוס המחשוף ב- EEL. הכיוון של התהודה האופטית VCSEL הוא בניצב למשטח השבב, תפוקת הלייזר היא גם בניצב למשטח השבב, והשפלקטיביות של שני צידי ה- DBR גבוהה בהרבה מזו של מישור תמיסת ה- EEL.
אורך מהוד הלייזר של VCSEL הוא בדרך כלל כמה מיקרון, שהוא קטן בהרבה מזה של מהוד המילימטר של צלופח, והרווח החד-כיווני המתקבל על ידי תנודת השדה האופטי בחלל הוא נמוך. למרות שניתן להשיג את תפוקת המצב הרוחבי הבסיסי, כוח הפלט יכול להגיע רק למספר מיליוואט. פרופיל חתך הרוחב של קרן לייזר פלט VCSEL הוא מעגלי, וזווית הסטייה קטנה בהרבה מזו של קרן הלייזר פולטת הקצה. כדי להשיג תפוקת כוח גבוהה של VCSEL, יש צורך להגדיל את האזור הזוהר כדי לספק רווח רב יותר, והגידול של האזור הזוהר יגרום לייזר התפוקה להפוך לתפוקה מרובת מצב. יחד עם זאת, קשה להשיג הזרקת זרם אחידה באזור זוהר גדול, והזרקת הזרם הלא אחידה תחמיר את הצטברות החום בפסולת. בקצרה, ה- VCSEL יכול להפיק את המקום הסימטרי המוצרי של המצב הבסיסי באמצעות תכנון מבני סביר, אך כוח הפלט נמוך כאשר התפוקה היא מצב יחיד. לכן, מרובות מרובות משולבות במצב התפוקה.