垂直腔面發射激光器 （VCSEL） 用于生物醫學傳感器，因為它們發射特定波長的高度聚焦、相干光，能夠精確檢測和分析生物分子。應用包括血氧水平監測、用于組織結構成像的光學相干斷層掃描 （OCT）、熒光顯微鏡以及芯片實驗室系統中的活生物分子分析。

與傳統的發光二極管 （LED） 和邊緣發射半導體激光管 （EEL） 相比，VCSEL 提供了第三種選擇。每種技術都有不同的結構，導致不同的發射模式和其他功能，并支持不同的應用。

LED 從芯片的側面和頂部發光。VCSEL 從頂面發光。EEL 從芯片側面發光。光束形狀是一個重要的區別因素。LED 發出相對較寬的圓形光束。EEL 發射長方形光束，VCSEL 發射聚焦圓形光束（圖 1）。

圖 1.與 LED 和 EEL 相比，VCSEL 提供更緊密的光束模式。（圖片：光麥科技）)

VCSEL 性能

除了低發散光束外，VCSEL 還為三維 （3D） 傳感和成像應用提供了多項性能優勢。VCSEL 具有小于 2 nm 的小腔體波長標準差，支持生產用于成像和光束控制應用的陣列。

EEL 很難集成到陣列中，但可以產生更高的功率輸出。LED 最適合一般照明和低帶寬通信。

VCSEL 的另一個優點是更好的散熱，尤其是與 EEL 相比，EEL 需要熱效率低下的安裝才能獲得最佳光學性能。VCSEL 能夠在高達 80°C 的溫度下工作，這也簡化了熱管理。

VCSEL 熱管理

VCSEL 通常使用磷化銦 （InP） 和砷化鎵 （GaAs） 制成。熱管理需求取決于所使用的材料和應用。InP VCSEL 通常用于受益于主動熱管理的激光通信應用。

GaAs VCSEL 用于從消費設備到醫學成像的各種應用。OCT 和熒光成像等應用中使用的 VCSEL 可以從主動冷卻中受益。精確的溫度控制有助于保持波長穩定性并優化圖像質量。

微型熱電冷卻器 （micro-TEC） 是為與 VCSEL 一起使用而開發的。使用特定于應用的封裝，將 VCSEL 安裝在 micro-TEC 頂部，以提供更好的熱管理和溫度穩定性（圖 2）。

圖 2.安裝在 micro-TEC 頂部的 VCSEL 示例，用于高功率應用。（圖片：Laird Thermal Systems）)

生物醫學傳感示例

VCSEL 的光束特性使其可用于一系列生物醫學傳感應用。OCT 成像使用來自樣品的深度分辨背向散射光來產生高分辨率圖像。VCSEL 的近紅外 （NIR） 光譜用于根據光吸收的變化測量血氧飽和度。

VCSEL 還用于生物分子的檢測和定量。它們可以激發附著在特定分子上的熒光染料，從而能夠檢測和定量分子。它們還支持根據折光率的變化對某些分子進行實時無標記檢測

OCT 中的 VCSEL

OCT 使用一束 NIR 光掃描組織，測量來自不同深度的反射光。這樣就可以創建詳細的橫截面圖像。VCSEL 特性（如單模發射和高調制速度）可實現快速、高分辨率的 OCT 成像。基于 VCSEL 的 OCT 的示例包括：

圖 3.常見醫學成像技術的分辨率比較。（圖片：Edmund Optics）)

• 眼科：視網膜的詳細成像

• 皮膚病學：分析皮膚層

• 心臟病學：冠狀動脈成像

• 胃腸病學：檢查胃腸道內壁

與其他成像技術相比，OCT 和自適應光學 OCT （AO-OCT） 提供卓越的軸向和橫向分辨率，例如磁共振成像 （MRI）、計算機斷層掃描 （CT） 成像，也稱為 CAT 掃描、共聚焦掃描激光檢眼鏡 （cSLO） 和自適應光學掃描激光檢眼鏡 （AOSLO）。反射共聚焦顯微鏡 （RCM） 可以支持更高的橫向分辨率，但只能提供較淺的圖像深度，而 OCT 和 AO-OCT 可以更深入地滲透到組織中并提供更詳細的圖像（圖 3）。

總結

與 LED 和 EEL 相比，VCSEL 具有更窄的光束模式。它們還提供高水平的相干性、適中的功率，并且可以在高達 80 °C 的溫度下工作。 這使得它們適用于 OCT 、血氧水平監測、熒光顯微鏡和類似應用中的生物醫學傳感器。