I laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL) sono piccoli, laser a semiconduttore che emettono raggi ottici dalla loro superficie superiore, e una delle loro applicazioni principali è nel rilevamento di gas. I gas hanno ciascuno un insieme unico di energie che possono assorbire, derivano dalla loro struttura molecolare. Questi insiemi di linee di assorbimento sono simili alle impronte digitali, che consente un rilevamento univoco e sensibile con un laser sintonizzabile adatto come un VCSEL sintonizzabile.

Ci sono diversi gas importanti che sono rilevabili con la luce nel medio infrarosso (mid-IR), aventi lunghezze d'onda comprese tra 3 e 4 micrometri (micron), compreso il metano, anidride carbonica e biossido di azoto. VCSEL di livello applicativo, però, non sono ancora disponibili per questa gamma di lunghezze d'onda, ma la crescente necessità di compattezza, sensori di gas portatili e convenienti sta stimolando la domanda di sorgenti a semiconduttore ad alta efficienza energetica di luce a medio infrarosso.

Rispondendo a questa richiesta, un gruppo di ricercatori del Walter Schottky Institute presso l'Università tecnica di Monaco (TUM) in Germania ha deciso di sviluppare un concetto per estendere la copertura della lunghezza d'onda dei VCSEL in questo importante regime, che riportano questa settimana in Lettere di fisica applicata , da AIP Publishing.

I tipici VCSEL soffrono in termini di prestazioni per le lunghezze d'onda relativamente lunghe della gamma dell'IR medio, in parte a causa degli effetti collaterali del riscaldamento che influenzano in modo sproporzionato le lunghezze d'onda IR. Questi effetti sono ridotti al minimo dalla configurazione a "giunzione a tunnel interrato" dei VCSEL, dove una barriera di materiale è incorporata tra i materiali standard di tipo p e n del semiconduttore. Questa strutturazione si traduce in un comportamento simile alla resistenza per il dispositivo e fornisce la sintonizzabilità delle proprietà ottiche nell'intervallo desiderato.

"Il concetto VCSEL di giunzione a tunnel interrato ha già prodotto VCSEL ad alte prestazioni nell'intero intervallo di lunghezze d'onda da 1,3 a 3 micron, " disse Ganpath K. Veerabathran, uno studente di dottorato al Walter Schottky Institute. "E le cosiddette regioni attive quantistiche di tipo II 'W' sono state utilizzate con successo per realizzare laser a semiconduttore convenzionali a emissione di bordo con prestazioni eccellenti nell'intervallo di lunghezze d'onda da 3 a 6 micron".

Combinando il concetto VCSEL di giunzione a tunnel con questi design convenzionali di laser a emissione di bordi, dove il raggio viene emesso parallelamente alla superficie inferiore, in questo regime di lunghezze d'onda, i ricercatori hanno creato una giunzione a tunnel interrato VCSEL con un singolo stadio, regione attiva del materiale di tipo II per estendere la copertura della lunghezza d'onda dei VCSEL pompati elettricamente.

Questo progresso è particolarmente degno di nota perché è la prima dimostrazione nota di pompaggio elettrico, modalità singola, VCSEL sintonizzabili che emettono onde continue fino a 4 micron.

"Segna un passo significativo rispetto ai dispositivi all'avanguardia che emettono a tre micron in un'onda continua, e fino a 3,4 micron in modalità pulsata, rispettivamente, " disse Veerabathran. "Inoltre, la nostra dimostrazione a quattro micron apre la strada a VCSEL di livello applicativo nell'intero intervallo di lunghezze d'onda da 3 a 4 micron, perché le prestazioni di questi VCSEL generalmente migliorano a lunghezze d'onda più corte."

È importante notare che sebbene i sistemi di rilevamento del gas all'interno di questo intervallo di lunghezze d'onda siano già disponibili utilizzando altri tipi di laser, sono considerati porci potenti rispetto ai VCSEL. Inoltre tendono ad essere proibitivi in ​​termini di costi, e sono utilizzati principalmente dalle industrie per rilevare gas in tracce per applicazioni di sicurezza e monitoraggio.

"Il VCSEL da 4 micron dimostra che a bassa potenza, a batteria, sistemi di rilevamento portatili ed economici sono a portata di mano, " Veerabathran ha anche affermato. "Una volta che i sistemi di rilevamento diventano più convenienti, c'è un grande potenziale di implementazione da parte dei settori, come l'industria automobilistica per il monitoraggio e il controllo delle emissioni, e questi sistemi possono persino trovare usi all'interno delle nostre case".

Prossimo, il gruppo si concentrerà sui miglioramenti "in termini di temperatura massima di funzionamento e potenza di uscita ottica dei VCSEL, "Veerabathran ha detto. "In futuro, potrebbe essere possibile estendere questo concetto per fare in modo che i VCSEL emettano ulteriormente nella regione del medio infrarosso oltre i 4 micron. Ciò sarebbe vantaggioso perché la forza di assorbimento dei gas in genere diventa più elevata di ordini di grandezza, anche per aumenti di lunghezza d'onda relativamente piccoli."