Los láseres emisores de superficie de cavidad vertical VCSEL son láseres pequeños basados en semiconductores que emiten haces ópticos desde su superficie superior, y una de sus principales aplicaciones es la detección de gases. Cada uno de los gases tiene un conjunto único de energías que puede absorber, derivadas de su estructura molecular. Estos conjuntos de líneas de absorción son similares a las huellas dactilares, lo que permite una detección inequívoca y sensible con un láser sintonizable adecuado como un VCSEL sintonizable.
Hay varios gases importantes que son detectables con luz infrarroja media IR media, que tienen longitudes de onda entre 3 y 4 micrómetros micras, incluyendo metano, dióxido de carbono y dióxido de nitrógeno. Sin embargo, los VCSEL de grado de aplicación no sonTodavía está disponible para este rango de longitud de onda, pero la creciente necesidad de sensores de gas compactos, portátiles y asequibles está estimulando la demanda de fuentes de semiconductores eficientes en el consumo de energía de luz de infrarrojos medios.
Para abordar esta demanda, un grupo de investigadores del Instituto Walter Schottky de la Universidad Técnica de Munich TUM en Alemania se propuso desarrollar un concepto para extender la cobertura de longitud de onda de los VCSEL en este importante régimen, que informaron esta semana en letras de física aplicada , de AIP Publishing.
Los VCSEL típicos sufren en el rendimiento de las longitudes de onda relativamente largas del rango medio IR, en parte debido a los efectos secundarios del calentamiento que afectan desproporcionadamente las longitudes de onda IR. Estos efectos se minimizan por la configuración de "unión de túnel enterrado" de VCSEL, donde unla barrera de material está incrustada entre los materiales estándar de tipo p y n del semiconductor. Esta estructuración da como resultado un comportamiento de resistencia para el dispositivo y proporciona una capacidad de ajuste de las propiedades ópticas en el rango deseado.
"El concepto de VCSEL de unión de túnel enterrado ya ha producido VCSEL de alto rendimiento dentro de todo el rango de longitud de onda de 1.3 a 3 micrones", dijo Ganpath K. Veerabathran, un estudiante de doctorado en el Instituto Walter Schottky. "Y el llamado tipo-II regiones bien activas cuánticas 'W' se han utilizado con éxito para hacer láseres semiconductores de emisión de bordes convencionales con un rendimiento excelente dentro del rango de longitud de onda de 3 a 6 micras ".
Al combinar el concepto VCSEL de unión de túnel con estos diseños láser de emisión de bordes convencionales, donde el haz se emite en paralelo con la superficie inferior, en este régimen de longitud de onda, los investigadores crearon una unión de túnel enterrada VCSEL con un tipo de etapa única.-II región activa del material para extender la cobertura de longitud de onda de los VCSEL bombeados eléctricamente.
Este avance es particularmente notable porque es la primera demostración conocida de VCSEL sintonizables, monomodo y bombeados eléctricamente que emiten ondas continuas de hasta 4 micras.
"Marca un paso significativo de los dispositivos de última generación que emiten a tres micras en una onda continua, y hasta 3.4 micras en modo pulsado, respectivamente", dijo Veerabathran. "Además, nuestra demostración a cuatro micras pavimentael camino para los VCSEL de grado de aplicación dentro del rango completo de longitudes de onda de 3 a 4 micras, porque el rendimiento de estos VCSEL generalmente mejora a longitudes de onda más cortas ".
Es importante tener en cuenta que aunque los sistemas de detección de gas dentro de este rango de longitud de onda ya están disponibles utilizando otros tipos de láseres, se consideran cerdos de potencia en comparación con los VCSEL. También tienden a ser costosos y se usan principalmentepor industrias para detectar gases traza para aplicaciones de seguridad y monitoreo.
"El VCSEL de 4 micrones demuestra que los sistemas de detección de bajo consumo de energía, portátiles y de bajo costo están al alcance", dijo Veerabathran también. "Una vez que los sistemas de detección se vuelven más asequibles, existe un gran potencial para el despliegue por parte de las industrias, comola industria automotriz para el monitoreo y control de emisiones, y estos sistemas pueden incluso encontrar usos dentro de nuestros hogares ".
A continuación, el grupo se centrará en realizar mejoras "en términos de la temperatura máxima de operación y la potencia de salida óptica de los VCSEL", dijo Veerabathran. "En el futuro, es posible extender este concepto para hacer que los VCSEL emitan aún más enla región del infrarrojo medio más allá de 4 micras. Esto sería beneficioso porque la fuerza de absorción de los gases generalmente se vuelve más fuerte en órdenes de magnitud, incluso para aumentos de longitud de onda relativamente pequeños ".
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Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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