什么是垂直腔表面发射激光器?

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今天有许多不同类型的激光器在广泛的应用中使用。虽然有许多类型的知名激光器，垂直腔表面发射激光器经常落入雷达。在这篇文章中，我们看看什么是垂直腔表面发射激光器。

垂直腔表面发射激光器(VCSELs)于1979年问世，是半导体激光二极管的一种。自贝尔实验室发明以来，它们一直被用于防止光纤传输的损失，并在各种光通信应用中得到了应用。

vcsel从其顶部表面发射垂直光束。这种工作方式与其他在边缘/表面发射的激光二极管非常不同，因为许多其他激光二极管同时从顶部和侧面发射。

单表面的发射度使得vcsel具有最大的输出功率，长期的可靠性和稳定性，均匀的波长，产生调制频率的能力，高质量和对称的激光束，以及低的制造成本。vcsel也可以产生圆形光束，因此很容易与其他光学元件耦合，因为组件之间不需要复杂的光束整形光学。

VCSEL采用激光二极管和单片谐振器，使得光在垂直于表面激光器和/或芯片的方向上发射光。也称为腔（因此名称）的谐振器通常由两个半导体布拉格镜组成。在这两个布拉格镜之间是另一个仅厚的另一个区域，并且被称为有源区。

该有源区域拥有多个量子阱，并通过几十毫瓦的泵浦产生高达5兆瓦的输出功率(每个二极管)。施加到这个区域的功率通常使用环形电极，然后在环形电极中提取输出光束，电流被限制在谐振腔区域。

vcsel的制作方法有很多种，但最常见的是通过在晶圆上制作，这些晶圆上可以集成数千个二极管。另一种常见的方法是通过二维阵列，其中每个阵列仍然可以有数百个二极管。实现多阵列是提高vcsel输出功率的常用方法，但如果在小范围内使用过多阵列，会降低光束质量。

应用VCSELs

如前所述，vcsel被广泛应用于光学领域。如前所述，vcsel最大的应用之一是其在光通信中的应用，这通常采用单光纤、多模光纤和跨短距离和远程通信线路的自由空间通信的形式。

VCSELs的另一个重要应用领域是气体传感应用。这些应用使用波长可调谐的vcsel(通常使用微电子机械系统(MEMS)构建)，并拥有独立的输出耦合镜。

这面镜子可以利用各种刺激(如热膨胀或静电力)来调节，并依赖于气体分子吸收特定波长的激光。由于特定气体分子的测定依赖于波长强度，VCSELs一次只能用于探测一种气体分子。氧是vcsel最容易检测到的，但水蒸气、甲烷和二氧化碳也是可能的。

其他应用包括在计算机鼠标中作为光源，以促进高度精确的跟踪位置，在光学时钟中，激光光束探测铯离子的原子跃迁，以及作为固态激光器的泵浦。

参考资料及进一步阅读

RP光子学:https://www.rp-photonics.com/vertical_cavity_surface_emitting_lasers.html

自动对盘及成交系统:https://ams.com/vcsel

普林斯顿光学:http://www.newmetals.co.jp/pdf/234.pdf

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