VECSEL（垂直外腔面发射激光器）工作原理

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VECSEL（垂直外腔面发射激光器）工作原理

1. ‌核心结构‌

VECSEL由以下关键组件构成：

• ‌半导体增益芯片‌：包含量子阱结构（通常为砷化镓或磷化铟材料），用于产生光子‌17。
• ‌外置谐振腔‌：由顶部高反射率分布式布拉格反射镜（DBR）和外部凹面反射镜组成，形成光反馈路径‌13。
• ‌泵浦源‌：通过光泵浦（如808 nm激光二极管）或电泵浦方式激发增益区‌17。

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2. ‌工作流程‌

1. ‌载流子注入与光激发‌

   • 泵浦源能量注入量子阱，激发电子-空穴对复合，释放光子‌17。
   • 光泵浦优先激发短波长量子阱（如吸收区泵浦），产生初始激光脉冲‌1。

2. ‌谐振腔内的光放大‌

   • 光子在顶部DBR和外部反射镜之间多次反射，通过增益介质时持续放大‌37。
   • 外置谐振腔允许调节腔长（10–50 mm），优化波长匹配和模式稳定性‌16。

3. ‌波长调控与输出‌

   • 长波长量子阱（阱内泵浦）受短波长光强调制，形成双波长输出（如967.5 nm和969.8 nm）‌1。
   • 高功率下，双波长稳定输出，光斑呈对称高斯分布，发散角可低至6.6°（正交方向）‌16。

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3. ‌光束特性优化机制‌

‌特性‌	‌实现原理‌	‌技术手段‌
‌低发散角‌	外置凹面反射镜压缩光束发散，结合准直透镜优化输出方向性‌16。	曲率半径<10 mm的反射镜可降低发散角50%‌6。
‌高光束质量‌	基模（TEM₀₀）主导，高阶模被腔长和反射镜设计抑制，M²因子接近1.1–1.5‌26。	腔长动态调节+模式选择元件（如光阑）‌16。
‌波长可调谐‌	外部反射镜倾斜或腔内插入光栅，改变谐振条件实现波长调谐‌27。	机械调谐范围可达±5 nm‌7。

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4. ‌对比传统VCSEL的关键优势‌

• ‌功率提升‌：外置腔设计允许更高泵浦功率，输出功率可达50 W（VCSEL通常<5 W）‌26。
• ‌热管理优化‌：外部散热结构（如微通道冷却）降低热透镜效应，功率每提升1 W，发散角仅增加0.2°–0.5°‌6。
• ‌功能扩展性‌：腔内可集成非线性晶体（倍频）、光栅（锁模）等元件，实现超快脉冲或可见光输出‌27。