垂直腔面发射激光器 用于生物医学传感器，因为它们发射特定波长的高度聚焦、相干光，能够精确检测和分析生物分子。应用包括血氧水平监测、用于组织结构成像的光学相干断层扫描 （OCT）、荧光显微镜以及芯片实验室系统中的活生物分子分析。
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与传统的发光二极管 （LED） 和边缘发射半导体激光管 （EEL） 相比，VCSEL 提供了第三种选择。每种技术都有不同的结构，导致不同的发射模式和其他功能，并支持不同的应用。
LED 从芯片的侧面和顶部发光。VCSEL 从顶面发光。EEL 从芯片侧面发光。光束形状是一个重要的区别因素。LED 发出相对较宽的圆形光束。EEL 发射长方形光束，VCSEL 发射聚焦圆形光束（图 1）。
图 1.与 LED 和 EEL 相比，VCSEL 提供更紧密的光束模式。（图片：光麦科技）)除了低发散光束外，VCSEL 还为三维 （3D） 传感和成像应用提供了多项性能优势。VCSEL 具有小于 2 nm 的小腔体波长标准差，支持生产用于成像和光束控制应用的阵列。
EEL 很难集成到阵列中，但可以产生更高的功率输出。LED 最适合一般照明和低带宽通信。
VCSEL 的另一个优点是更好的散热，尤其是与 EEL 相比，EEL 需要热效率低下的安装才能获得最佳光学性能。VCSEL 能够在高达 80°C 的温度下工作，这也简化了热管理。
VCSEL 通常使用磷化铟 （InP） 和砷化镓 （GaAs） 制成。热管理需求取决于所使用的材料和应用。InP VCSEL 通常用于受益于主动热管理的激光通信应用。
GaAs VCSEL 用于从消费设备到医学成像的各种应用。OCT 和荧光成像等应用中使用的 VCSEL 可以从主动冷却中受益。精确的温度控制有助于保持波长稳定性并优化图像质量。
微型热电冷却器 （micro-TEC） 是为与 VCSEL 一起使用而开发的。使用特定于应用的封装，将 VCSEL 安装在 micro-TEC 顶部，以提供更好的热管理和温度稳定性（图 2）。
图 2.安装在 micro-TEC 顶部的 VCSEL 示例，用于高功率应用。（图片：Laird Thermal Systems）)VCSEL 的光束特性使其可用于一系列生物医学传感应用。OCT 成像使用来自样品的深度分辨背向散射光来产生高分辨率图像。VCSEL 的近红外 （NIR） 光谱用于根据光吸收的变化测量血氧饱和度。
VCSEL 还用于生物分子的检测和定量。它们可以激发附着在特定分子上的荧光染料，从而能够检测和定量分子。它们还支持根据折光率的变化对某些分子进行实时无标记检测
OCT 使用一束 NIR 光扫描组织，测量来自不同深度的反射光。这样就可以创建详细的横截面图像。VCSEL 特性（如单模发射和高调制速度）可实现快速、高分辨率的 OCT 成像。基于 VCSEL 的 OCT 的示例包括：
图 3.常见医学成像技术的分辨率比较。（图片：Edmund Optics）)眼科：视网膜的详细成像
皮肤病学：分析皮肤层
心脏病学：冠状动脉成像
胃肠病学：检查胃肠道内壁
与其他成像技术相比，OCT 和自适应光学 OCT （AO-OCT） 提供卓越的轴向和横向分辨率，例如磁共振成像 （MRI）、计算机断层扫描 （CT） 成像，也称为 CAT 扫描、共聚焦扫描激光检眼镜 （cSLO） 和自适应光学扫描激光检眼镜 （AOSLO）。反射共聚焦显微镜 （RCM） 可以支持更高的横向分辨率，但只能提供较浅的图像深度，而 OCT 和 AO-OCT 可以更深入地渗透到组织中并提供更详细的图像（图 3）。
与 LED 和 EEL 相比，VCSEL 具有更窄的光束模式。它们还提供高水平的相干性、适中的功率，并且可以在高达 80 °C 的温度下工作。 这使得它们适用于 OCT 、血氧水平监测、荧光显微镜和类似应用中的生物医学传感器。
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