Вертикальный полупроводниковый лазер с внешней резонаторной полостью (ВВРП)
Vertical-external-cavity surface-emitting-laser
VECSEL лазеры: принцип работы, применение в лазерном охлаждении и спектроскопии. Отличие от VCSEL – внешний резонатор. Компактный источник ИК-излучения.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Вертикальный внешний резонаторный лазер с излучением с поверхности (VECSEL) – это небольшой полупроводниковый лазер, аналогичный лазеру с вертикальным резонатором и излучением с поверхности (VCSEL). VECSEL в основном используются как ближние инфракрасные приборы в лазерном охлаждении и спектроскопии, но также исследуются для применения в телекоммуникациях.
A vertical external cavity surface emitting laser (VECSEL) is a small semiconductor laser similar to a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL). VECSELs are used primarily as near infrared devices in laser cooling and spectroscopy, but have also been explored for applications such as telecommunications.
Сравнения с VCSEL
В отличие от VCSEL, в котором два высокоотражающих зеркала интегрированы в структуру лазера для формирования оптического резонатора, в VECSEL одно из двух зеркал расположено вне диодной структуры. В результате резонатор включает в себя участок свободного пространства. Типичное расстояние от диода до внешнего зеркала составляет 1 см. Ряд исследователей продемонстрировали оптически накачиваемые VECSEL, и их разработка продолжается для множества применений, включая создание высокомощных диодных лазерных источников для промышленной обработки (резки, штамповки и т.п.) благодаря их необычно высокой мощности (см. ниже) и эффективности при накачке многомодовыми диодными лазерными массивами. Эти лазеры конкурируют с традиционными высокомощными лазерами, такими как твердотельные (например, Nd:YAG) и углекислотные лазеры, в операциях обработки. Однако электрически накачиваемые VECSEL (это совершенно иная область) были разработаны Арамом Мурадианом, инженером, известным своими фундаментальными исследованиями ширины линии диодного лазера, который много лет работал в лаборатории MIT Lincoln в Лексингтоне, штат Массачусетс. Мурадиан основал компанию Novalux, Inc., которая первой продемонстрировала VECSEL (которые они называли "NECSEL"). Области применения электрически накачиваемых VECSEL включают частотное удвоение ближних инфракрасных VECSEL-излучателей для получения компактных мощных источников синего и зеленого света в одном режиме для проекционных дисплеев.
Unlike a VCSEL, in which two high reflecting mirrors are incorporated into the laser structure to form the optical cavity, in a VECSEL one of the two mirrors is external to the diode structure. As a result, the cavity includes a free space region. A typical distance from the diode to the external mirror would be 1 cm. Several workers demonstrated optically pumped VECSELs, and they continue to be developed for many applications including very high power diode laser sources for use in industrial machining (cutting, punching, etc.) because of their unusually high power (see below) and efficiency when pumped by multi mode diode laser bars. These lasers are in the process of challenging conventional high power lasers such as solid state (e. g., Nd:YAG) and carbon dioxide lasers for machining operations. However, electrically pumped VECSELs (another matter entirely), were the brainchild of Aram Mooradian, an engineer known for fundamental contributions to diode laser linewidth studies, who worked for many years at MIT Lincoln Laboratory in Lexington, Massachusetts. Mooradian formed a company, Novalux, Inc., which was the first to demonstrate VECSELs (which they called "NECSELs"). Applications for electrically pumped VECSELs include frequency doubling of near IR VECSEL emitters to attain compact powerful sources of single mode blue and green light for projection display purposes.
Полупроводниковые усилия
Одной из наиболее интересных особенностей любого VECSEL является малая толщина полупроводниковой области усиления в направлении распространения, менее 100 нм. В отличие от этого, в традиционном полупроводниковом лазере с распространением в плоскости свет распространяется на расстояниях от 250 мкм и более, вплоть до 2 мм и более. Важность малого расстояния распространения заключается в минимизации влияния "антигидирующих" нелинейных эффектов (тот же феномен, по совпадению, количественно оценивается коэффициентом усиления ширины спектральной линии, связанным с вышеупомянутой работой Мурадиана) в области усиления диодного лазера. Результатом является оптический луч в одном режиме с большим поперечным сечением, который невозможно получить от диодных лазеров с излучением в плоскости (также известных как "лазеры с краевым излучением"). В VECSEL внешнее зеркало позволяет значительно большей площади диода участвовать в генерации света в одном режиме, что приводит к гораздо большей мощности, чем можно было бы получить иным способом. Монолитные VCSEL излучают мощность в диапазоне долей милливатта. В то же время, на конференции "Conference on Lasers and Electro-Optics" (Конференция по лазерам и электрооптике) Американского оптического общества, проходившей в 2004 году в Сан-Франциско, Калифорния, компания Coherent, Inc. представила 45-ваттное непрерывное одномодное излучение от оптически накачиваемого VECSEL. Многие другие компании и организации по всему миру приняли оптически накачиваемую архитектуру благодаря ее простоте.
One of the most interesting features of any VECSEL is the thinness of the semiconductor gain region in the direction of propagation, less than 100 nm. In contrast, a conventional in plane semiconductor laser entails light propagation over distances of from 250 μm upward to 2 mm or longer. The significance of the short propagation distance is that it minimizes the effect of "antiguiding" nonlinearities (the same phenomenon is coincidentally quantified by the linewidth enhancement factor relating to Mooradian's above mentioned earlier work) in the diode laser gain region. The result is a large cross section single mode optical beam which is not attainable from in plane (a. k. a. "edge emitting") diode lasers. In a VECSEL, the external mirror permits a significantly greater area of the diode to participate in generating light in a single mode, resulting in much higher power than otherwise attainable. Monolithic VCSELs emit powers in the low milliwatt range. By contrast, at the 2004 Optical Society of America "Conference on Lasers and Electro Optics," held in San Francisco, California, one company (Coherent, Inc.) announced 45 watt continuous wave single mode emission from an optically pumped VECSEL. Numerous other companies and organizations worldwide have adopted the optically pumped architecture for its simplicity.