新型垂直腔面发射激光器阵列：高功率密度与优化远场分布

"这篇科研论文报道了一种新型的垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列设计，该设计能够实现高光束质量和优化的远场分布。通过调整阵列中各个单元的直径和单元之间的间距，实现了1 kW/cm²的高功率密度，并保持远场发散角小于20°，在工作电流0到6 A的范围内。阵列由5个不同直径（200 μm, 150 μm, 和100 μm）的单元组成，以特定的中心对称方式进行排列，单元圆心间距为250 μm和200 μm。在室温下连续工作时，该阵列在4 A注入电流下可达到880 mW的最大输出功率，斜率效率为0.3 W/A，阈值电流为0.56 A，微分电阻为0.09 Ω。与4x4二维阵列相比，该新型阵列在多个性能指标上表现出优越性，包括输出功率、阈值电流、光谱特性以及远场分布。通过数值模拟，证实了阵列的远场分布与实验观测结果相符。" 本文研究的焦点在于提高VCSEL阵列的性能，其中关键知识点包括： 1. 垂直腔面发射激光器(VCSEL)：VCSEL是一种半导体激光器，其发光方向垂直于半导体芯片表面，因其结构特点，能实现高亮度、窄线宽和良好的光束质量。 2. 阵列设计：通过调控阵列中每个单元的尺寸和单元间的距离，可以优化功率密度和远场分布。这种新型阵列采用了5个不同直径的单元，以特定的中心对称排列，这种设计有利于减少光束发散，提高光束质量。 3. 高功率密度：1 kW/cm²的功率密度是通过精心设计的阵列结构实现的，这在许多应用中（如光纤通信、激光加工和光谱学）都是重要的参数。 4. 远场发散角：小于20°的远场发散角意味着光束的集中性好，对于需要精确指向和聚焦的应用尤其重要。 5. 工作电流范围：在0到6 A的电流范围内，远场发散角保持在20°以内，表明阵列在较大电流变化下仍能保持稳定的光学性能。 6. 性能比较：新型阵列在相同出光面积下，优于4x4二维阵列，表现为更高的输出功率、更低的阈值电流和更好的光谱特性，这表明设计上的改进带来了实质性的性能提升。 7. 模拟验证：通过数值模拟，进一步确认了实验结果，显示了理论分析与实验数据的一致性，增强了设计的有效性和可靠性。 这项研究对于推动VCSEL技术的发展，特别是在需要高功率、高光束质量和稳定性的应用中，具有重要意义。