Simulation of operating IV-VI semiconductor laser chips for the development of continuous wave VECSELs

Abstract

Viele interessante industrielle und natürliche Gase haben starke Absorptionslinien im mittleren Wellenlängeninfrarotbereich, wo die Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSELs) mit IV-VI Halbleitern auf Basis von Bleichalkogeniden realisiert worden sind. Camlin Technologies CH hat schon VECSELs als Pulslaser für Anwendungen in der Gas Detektion erfolgreich kommerzialisiert und der nächste Schritt ist die Entwicklung eines VECSELs als Dauerstrichlaser (CW). Um höhere Ausgangsleistung und längere Impulslängen für den Dauerstrichbetrieb zu erreichen, ist es notwendig den Wärmefluss der jetzigen Laser besser zu verstehen. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Erstellung eines COMSOL Multiphysics Modells, um die Wärmeprofile dieser Laser unter verschiedenen Einstellungen zu simulieren. Dieses Modell hilft, elektronische und optische Verluste zu verstehen, und ermöglicht die Entdeckung einer effektiven Wärmeabfuhr. In dieser Arbeit wird auch eine Reihe von Photolumineszenzmessungen mit verschiedenen Laserchips durchgeführt und diese mit verarbeiteten Simulationsergebnissen verglichen, um die unbekannten, aber notwendigen Simulationsparameter zu erhalten.

Many important industrial and natural gases have strong absorption lines in the mid-wavelength infrared range, where the Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSELs) have been realized with IV-VI semiconductors based on lead chalcogenides. Camlin Technologies CH has already commercialized VECSELs in pulsed mode for gas detection applications and the next step is to develop VECSELs for continuous wave (CW) operation. A better understanding of the current laser's heat flux is necessary in order to achieve higher output power and longer pulse lengths towards CW operation. The main goal of this thesis is the creation of a COMSOL Multiphysics model to simulate the heat profiles of these lasers under different settings. This model helps to understand electronic and optical losses and allows the discovery of effective heat removal. A series of photoluminescence measurements with different laser chips will also be done within this thesis for comparison with post-processed simulation results to obtain the unknown but necessary simulation parameters.