DE19607877A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Laserdiode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Laserdiode nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 12.

Laserdioden werden in vielen Bereichen der Informationsübertragung eingesetzt. Sie eignen sich hervorragend dafür, den erzeugten Laserstrahl hinsichtlich seiner Intensität zu modulieren. Aufgrund der geringen Baugröße und der leicht zu rea­ lisierenden, elektronischen Ansteuerbarkeit von Laserdioden sind mit ihnen sehr hohe Datenübertragungsraten erzielbar. Dies ist sowohl bei der Nachrichtenüber­ tragung als auch bei der Wiedergabe von Informationen besonders vorteilhaft.

Eine Problematik, die bei Laserdioden besteht, ist jedoch ihre Eigenschaft in bestimmten Intensitätsbereichen zwischen verschiedenen Moden spontan zu wechseln. Dieser Effekt wird als "Mode hopping" bezeichnet. Er stört bei der An­ wendung von Laserdioden, wenn zwischen verschiedenen Helligkeiten statistisch oder dynamisch umgeschalten werden soll, insbesondere bei einer Signalmodu­ lation.

Zur Verhinderung von Mode hops sind in der Vergangenheit bereits eine Reihe von Löschungsvorschlägen bekannt geworden. In der US 4,817,098 ist bei­ spielsweise ein Regelungssystem vorgeschlagen, mit dem die Laserleistung mittels verschiedener Maßnahmen konstantgehalten wird. Dort wurde zum einen vorgeschlagen, die Temperatur der Laserdiode zu messen, um Mode hops zu vermeiden. Zum anderen wurde versucht, durch Temperaturregelung der Laser­ diode Temperaturschwankungen möglichst gering zu halten und damit eine mög­ lichst gleichmäßige Leistung der Laserdiode zu erreichen.

In der US-PS 5,283,793 wurde vorgeschlagen, dem Bildsignal ein Hochfrequenz-Signal zu überlagern.

Schließlich wurde in der US-PS 4,799,069 und in der US-PS 5,386,124 vorge­ schlagen, die Laserdiode jeweils zwischen zwei Bildpunkt-Signalen kurz auszu­ schalten, um Mode hops zu vermeiden.

Die genannten Versuche, Mode hops zu vermeiden, sind entweder technisch relativ aufwendig oder führen zu relativ unbefriedigenden Ergebnissen. Es ist da­ her Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen plötzliche, durch Mode hops verursachte Störungen der Laser-Strahl­ intensität vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 12 beschriebene Erfindung. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Modensprünge (Mode hops) da­ durch vermieden werden können, daß innerhalb der Laserdiode möglichst viele verschiedene Moden gleichzeitig angeregt werden.

Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, das aus einer Laserdiode austretende Licht zumindest teilweise wieder in die aktive Zone der Laserdiode zurückzu­ koppeln. Zu diesem Zweck wird z. B. ein geringer Teil des aus der Laserdiode austretenden Lichts an einem externen Spiegel reflektiert und mittels einer ge­ eigneten Optik wieder in den Laserresonator zurückgeführt. Die Lichtaustritts­ fläche der Laserdiode bildet mit dem Rückkoppelglied einen externen Resonator, dessen Länge wesentlich größer als die Resonatorlänge der Laserdiode ist. Dementsprechend ist der Abstand der Resonanzfrequenzen (= Moden) des ex­ ternen Resonators wesentlich kleiner als derjenige des Laserresonators. Bei­ spielsweise liegen die Modenabstände bei 500 MHz für einen 30 cm langen ex­ ternen Resonator bzw. bei 170 GHz für eine 0,2 mm lange GaAlAs-Laserdiode.

Der in die Laserdiode zurückgekoppelte Lichtstrahl weist stets geringfügige Schwankungen hinsichtlich seiner Amplitude und Phasenlage auf, die sowohl durch das optische Rauschen (spontane Emission) der Laserdiode selbst als auch durch zeitlich veränderliche optische Reflexe von beweglichen Teilen (Schwingspiegel, Film) im Nutzstrahlengang hervorgerufen werden. Wenn die Leistung des rückgekoppelten Lichtes einen bestimmten Mindestwert über­ schreitet, werden diese Amplituden- und Phasenschwankungen in der aktiven Zone der Laserdiode so weit verstärkt, daß eine statistische Eigenmodulation der Lichtleistung (AM) und der Laserfrequenz (FM) auftritt. Die Periode T dieser Eigenmodulation wird durch die Laufzeit 2·L_extern/c der Lichtwelle im externen Resonator bestimmt, wobei L_extern die Länge des externen Resonators und c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnen. Der Kehrwert dieser Periode ist aber ge­ rade der Frequenzabstand df der externen Resonatormoden:

df=1/T=c/(2·L_extern);c=3·10¹⁰cm/s.

Durch diese kombinierte AM-FM-Eigenmodulation wird eine große Anzahl von Seitenbändern erzeugt, die genau mit den Moden des externen Resonators zu­ sammenfallen. Auf diese Weise wird erreicht, daß in dem Laser-System, be­ stehend aus Laserdiode und externen Resonator, gleichzeitig eine große Anzahl von externen Resonatormoden angeregt wird. Dies hat zur Folge, daß sich die emittierte Laserenergie gleichmäßig auf eine große Anzahl von Moden verteilt und im zeitlichen Mittel sehr konstant bleibt.

Ein weiterer Effekt der Eigenmodulation besteht darin, daß durch die große Mo­ denzahl die Kohärenzlänge der erzeugten Strahlung stark reduziert wird. Dieser Betriebszustand der Laserdiode wird nachfolgend als Kohärenzkollaps bezeich­ net, weil die Laserstrahlung bei Überschreiten eines kritischen Grenzwertes für die rückgekoppelte Lichtleistung abrupt von einem Zustand hoher Kohärenz (Monomode-Betrieb mit statistisch auftretenden Modensprüngen) in einen Zu­ stand geringer Kohärenz (Multimode-Betrieb ohne Modensprünge) übergeht.

Die für den Kohärenzkollaps benötigte optische Rückkoppel-Leistung hängt in bekannter Weise von den Eigenschaften der Laserdiode und dem Reflexions­ grad des externen Resonators ab und liegt in der Größenordnung von einigen Prozent der emittierten Leistung.

Die Erfindung läßt sich besonders vorteilhaft bei sogenannten Monomode-Lasern anwenden, deren interner Resonator normalerweise nur Licht einer einzigen Wellenlänge erzeugt. Derartige Monomode-Laser zeigen in der Regel bei Verän­ derung der Stromstärke an bestimmten Stellen abrupte Modensprünge, d. h. die Lasertätigkeit springt von einer Mode in eine benachbarte andere. Dabei springt in der Regel auch die erzeugte Lichtleistung auf einen anderen Wert. Erfin­ dungsgemäß wurde erkannt, daß sich durch gezieltes Herbeiführen eines Kohä­ renzkollapses die Lichtleistung wesentlich besser konstant halten läßt als im Monomode-Betrieb. Außerdem wird die Laserstrahlung unempfindlich gegen un­ gewollte optische Reflexe von anderen Teilen des optischen Gerätes.

Modensprünge lassen sich in interne und externe Modensprünge klassifizieren. Die internen Modensprünge bei Monomode-Lasern werden durch die innere Struktur des Lasers beeinflußt. Beispielsweise entstehen bei einem Distributed Bragg Reflector (DBR)-Laser die internen Modensprünge durch die interne Re­ sonator-Struktur. Der Brechungsindex des laseraktiven Halbleitermaterials ändert sich sowohl mit der Temperatur der Laserdiode als auch mit der Stromstärke. Überschreiten Temperatur und/oder Stromstärke bestimmte Schwellwerte, so ändert sich die Resonanzfrequenz derart stark, daß ein Modensprung entsteht. Diese Sprünge liegen in einem sehr hohen Frequenzbereich von typisch einigen hundert Gigahertz (GHz). Hinzu kommt bei derartigen Laserdioden, daß sich auch die Verstärkungskurve des internen Resonators, d. h. der Grad der über die Wellenlänge aufgetragene Verstärkung mit der Temperatur der Laserdiode ver­ schiebt. Diese Effekte tragen wesentlich zu Modensprüngen von Monomode-Lasern bei.

Die externen Modensprünge sind durch externe, d. h. außerhalb des inneren Resonators der Laserdiode bedingt. Derartige Effekte treten z. B. auf, wenn sich in einem Laserstrahldrucker kurzzeitig eine reflektierende Fläche (z. B. von einem Aufzeichnungsblatt) in den Strahlengang des Lasers schiebt und Licht in die Laserdiode zurückreflektiert. Anders ausgedrückt, bildet sich dabei kurzzeitig ein externer Resonator, der auf die Gesamt-Lichtleistung des Lasers wirkt und zu Modensprüngen führt.

Beide Arten von Modensprüngen werden durch die gezielte Herbeiführung eines Kohärenzkollapses unterdrückt.

Erfindungsgemäß kann die Rückkopplung des Lichtes in die Laserdiode z. B. durch faseroptische oder reflektierende optische Mittel erfolgen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die optische Weglänge des rückgekoppelten Lichtes, d. h. die Länge des äußeren Resonators, mindestens 100 mm beträgt. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zumindest 1% der aus der Laserdiode austretenden Licht­ leistung in die Diode zurückgekoppelt wird. Ein drittes, die Wirksamkeit der Rückkopplung beeinflussendes Kriterium ist der Grad der Überdeckung der akti­ ven Zone in der Laserdiode mit dem rückgekoppelten Licht. Es hat sich gezeigt, daß der Kohärenzkollaps in der Laserdiode dann besonders groß ist, wenn die Querschnittfläche des emittierten Strahls und die Querschnittsfläche desreflek­ tierten Strahls sich am Laserspiegel zu mindestens 50% überlappen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und Figuren näher erläutert. Jeweils gleichartige Elemente der verschiedenen Aus­ führungsbeispiele tragen dabei jeweils dieselben Bezugsziffern.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzip-Darstellung für ein Laser-Bildaufzeichnungsgerät,

Fig. 2 verschiedene Varianten für Laser-Rückkopplungsanordnungen,

Fig. 3 detailliertere Darstellungen für Laser-Rückkopplungen,

Fig. 4 eine doppelseitige Laserstrahlanordnung,

Fig. 5 eine Rückkoppelanordnung mit Lichtwellenleitern,

Fig. 6 Details einer Laserdiode,

Fig. 7 verschiedene. Moden-Spektren und

Fig. 8 zwei Rauschspektren.

In Fig. 1 ist die prinzipielle Funktionsweise der Erfindung am Beispiel eines Laser-Bildaufzeichnungsgeräts 1 dargestellt. Eine Laserdiode 2 wird über eine Bildsignalleitung 3 mit Graustufen-Bildsignalen angesteuert. Sie erzeugt einen entsprechend dem Bildsignal intensitätsmodulierten Laserstrahl 9, der eine zeit­ lich modulierte Leistung P_A (t) hat. Die Bildsignale können z. B. von einem Bild­ vorlagen-Scanner auf CCD-Basis oder auch von einem medizinischen Diagno­ segerät wie einem CT, NMR oder Ultraschall-Diagnosegerät stammen. Dieser Austrittsstrahl 9 wird innerhalb einer Auskoppeloptik 4 in einen Nutzstrahl 10 mit einer Leistung P_nutz und einen Rückkoppel-Strahl 11 mit einer Leistung P_rück aufgeteilt. Der Nutzstrahl 10 trifft, nachdem er von einer nicht näher gezeigten Ablenkvorrichtung wie einem Polygon- oder Schwingspiegel in an sich bekannter Weise periodisch abgelenkt wurde, auf einen Aufzeichnungsträger 5 auf. Der Träger 5 kann z. B. eine Phosphor-Speicherfolie sein oder ein über Transport­ rollen 6 in Richtung A angetriebener fotografischer Film.

Der Rückkoppelstrahl 11 wird über eine Rückführungsoptik 7 zu einer Einkop­ peloptik 8 weitergeleitet, mit der der Rückkoppelstrahl 11 gezielt in die aktive Zone der Laserdiode 2 wieder eingekoppelt wird.

Fig. 2 zeigt verschiedene Varianten für die Rückkopplung. Während bei den in den Fig. 2a und 2b dargestellten Varianten der rückgekoppelte Strahl 11 zumindest teilweise denselben optischen Weg bzw. dieselben optischen Kompo­ nenten durchläuft wie der Austrittsstrahl 9, wird bei den in Fig. 2c und 2d dargestellten Varianten der rückgekoppelte Strahl 11 über einen getrennten opti­ schen Weg bzw. mit separaten optischen Elementen in die aktive Zone der Laserdiode 2 zurückgekoppelt.

Den in Fig. 2a, 2b und 2d dargestellten Ausführungsformen ist wiederum gemeinsam, daß die Auskoppeloptik 4 ein teilweise reflektierendes Element ent­ hält.

In Fig. 2a besteht das teilweise reflektierende Element aus einer transmittieren­ den Reflexionsoptik 12. Sie reflektiert einen vorgegebenen Teil der einfallenden Lichtleistung des Austrittsstrahls 9 auf der optischen Achse oder zumindest so, daß der zurückreflektierte Strahl 11 parallel zum Austrittsstrahl 9 auf oder zumin­ dest nahe an der optischen Achse verläuft.

Bei dem in Fig. 2b dargestellten Ausführungsbeispiel wird der rückgekoppelte Strahl 11 von einem teildurchlässigen, schräg zur optischen Achse stehenden Spiegel 13 auf einen Total-Reflexionsspiegel 33 gerichtet. Von dort wird er auf oder nahe der optischen Achse über den teildurchlässigen Spiegel 13 wieder zurück in die Laserdiode 2 reflektiert. Der optische Weg des rückgekoppelten Strahls 11 und damit die äußere Resonatorlänge der gesamten Laser-Anordnung ist dadurch wesentlich größer als bei dem in Fig. 2a gezeigten Ausführungsbei­ spiel.

Bei der in Fig. 2c gezeigten Ausführungsform wird aus dem internen Laser-Resonator der Laserdiode 2 sowohl an dessen Vorderseite als auch an dessen Rückseite, d. h. an beiden begrenzenden Spiegeln des internen Resonators Licht ausgekoppelt. Der auf der Vorderseite des internen Resonators austretende Strahl 10 wird vollständig als Nutzstrahl für die gewünschte Anwendung (z. B. einer Bildaufzeichnung) genutzt. Der auf der Rückseite des internen Resonators austretende Laserstrahl 15 wird dagegen an einem Reflexionsspiegel 14 total reflektiert und als rückgekoppelter Strahl 11 durch den rückwärtigen Spiegel des internen Resonators wieder in die aktive Zone der Laserdiode 2 eingekoppelt. Dieses Ausführungsbeispiel setzt voraus, daß beide Resonator-Spiegel der Laserdiode einen Reflexionskoeffizient kleiner als 1 aufweisen.

Die Länge des externen Resonators ergibt sich hier aus der optischen Weglänge zwischen dem rückwärtigen Resonatorspiegel der Laserdiode 2 und dem Total­ reflexionsspiegel 14.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine geeignete Rückkoppel-Anordnung ist in Fig. 2d dargestellt. Bei dieser Anordnung wird wiederum nur ein Laserstrahl 9 aus der Laserdiode 2 ausgekoppelt. Dieser Laserstrahl 9 wird wiederum in einer Auskoppeloptik 4 mittels eines halbdurchlässigen Spiegels 13 in einen Nutz­ strahl 10 und einen Rückkoppelstrahl 11 zerlegt. Der Rückkoppelstrahl 11 wird hier in die Rückführungsoptik 7 eingekoppelt. Diese Rückführungsoptik 7 kann sowohl lichtbrechende Elemente als auch reflektierende Systeme oder auch faseroptische Elemente enthalten. Durch die Rückführungsoptik 7 wird der rück­ gekoppelte Strahl 11 in die Einkoppeloptik 8, welche beispielsweise ein Linsen­ system aufweist, übertragen. Mit diesem Linsensystem wird der rückgekoppelte Strahl 11 auf den rückseitigen Spiegel des Resonators der Laserdiode 2 fokus­ siert und damit der rückgekoppelte Strahl 11 in die aktive Zone der Laserdiode 2 eingekoppelt.

Fig. 3 zeigt genauere Details für eine geeignete Strahlrückkopplung zur Erzeu­ gung des Kohärenzkollaps innerhalb der Laserdiode 2. Die Laserdiode 2 befindet sich hier auf einem Laserträger 17 (Wärmesenke) innerhalb eines Laser­ moduls 16. Durch ein Austrittsfenster des Lasermoduls 16 tritt der in der Laser­ diode 2 erzeugte Laserstrahl 9 aus. Dieser divergente Laserstrahl 9 wird mit einer Sammellinse 18, deren Brennpunkt genau mit dem Auskopplungsspiegel des internen Resonators der Laserdiode 2 zusammenfällt, zu einem parallelen Strahlenbündel geformt. Die Brennweite der Sammellinse 1 ist mit f₁ bezeichnet. Das parallele Strahlenbündel 9 trifft auf einen teilreflektierenden Planspiegel 19 auf. Die Eintrittsfläche 20 des Planspiegels 19 ist dazu dielektrisch beschichtet, so daß zwischen 1% und 20% vorzugsweise etwa 5% der auftreffenden Strah­ lung des Lichtbündels 9 in sich selbst zurückreflektiert werden. Der zurückreflek­ tierte Anteil bildet wiederum den rückgekoppelten Strahl 11. Die Austritts­ fläche 21 des Planspiegels 19 ist für den für die Laserdiode 2 charakterisie­ renden Wellenlängenbereich, d. h. für alle ihre möglichen Moden-Wellenlängen, entspiegelt. Der aus dem Planspiegel 19 austretende parallele Nutzstrahl 10 wird über eine weitere Sammellinse 22 wiederum fokussiert. Im Fokus dieser Linse liegt der Aufzeichnungsträger, auf dem die aufzuzeichnende Information wieder­ gegeben werden soll. Der Aufzeichnungsträger ist in einer Ebene 24 angeordnet, die gegenüber einer zur optischen Achse B senkrechten Ebene 34 um einen Verkippungswinkel a geneigt ist. Diese Verkippung bewirkt, daß vom Aufzeich­ nungsträger (z. B. Film) wesentlich weniger Licht über die optische Achse in die aktive Zone der Laserdiode 2 zurückgekoppelt wird. Derartige, insbesondere bei einem relativ zu den optischen Komponenten bewegten Aufzeichnungsmedium, zufälligen Rückreflexionen haben sich als äußerst störend für die Aufzeich­ nungsqualität erwiesen. Bei der vorliegenden Erfindung wird deshalb statt der­ artiger, zufälliger Rückreflexionen eine gezielte, kontrollierbare Rückreflexion ausgewählter Strahlungskomponenten in die aktive Zone der Laserdiode be­ werkstelligt.

In Fig. 3b ist eine fokussierende Anordnung dargestellt. Sie kann in einer Anord­ nung gemäß Fig. 3a statt des dort gezeigten afokalen Systems im Bereich des Spiegels 19 verwendet werden. Bei dieser Anordnung ist jeweils eine Linse 25 bzw. 26 vor- bzw. hinter dem teilreflektieren Planspiegel 19 geschalten. Die Lin­ senanordnungen und ihre Brennweiten sind so gewählt, daß ihr jeweiliger Fokus genau auf der teilreflektierenden Eintrittsfläche 20 des Planspiegels 19 liegen.

Bei der in Fig. 3a gezeigten Anordnung muß der teilreflektierende Spiegel 19 ge­ nau senkrecht zur optische Achse B liegen, um eine ausreichende Rückkopplung des Strahls 11 in die aktive Zone der Laserdiode 2 zu gewährleisten. Bei der An­ ordnung gemäß Fig. 3b ist dagegen die Justage des teilreflektierenden Spiegels bezüglich der optischen Achse B relativ unkritisch. Aufgrund der Fokal-Bedin­ gung für die beiden Linsen 25, 26 bezüglich der Reflexionsfläche 20 liegt der rückreflektierte Strahl 11 auch dann noch genau in der optischen Achse B, wenn der teilreflektierende Spiegel 19 nicht exakt senkrecht zur optischen Achse B liegt.

In Fig. 3c ist ein weiter verbessertes Ausführungsbeispiel für eine rückgekoppelte Laserdioden-Anordnung dargestellt. Von dem aus der Laserdiode 2 ausgetrete­ nen Strahl 9 werden hier in einem Strahlteilerwürfel 27 etwa 10% der Lichtlei­ stung in einen Strahl 29 ausgekoppelt. Die übrigen 90% der Lichtleistung des ausgetretenen Strahls 9 werden als Nutzstrahl 10 auf den Aufzeichnungsträger gerichtet. Der ausgekoppelte Strahl 29 trifft auf eine ebene Spiegelfläche 28. Diese Spiegelfläche 28 kann entweder ein total reflektierender Spiegel 31 sein oder die teilweise reflektierende Einfallsfläche einer Fotodiode. Wird eine Spie­ gelfläche 31 verwendet, so kann der ausgekoppelte Strahl 29 voll zur Rückkopp­ lung in die aktive Zone der Laserdiode 2 verwendet werden. Wird dagegen eine Fotodiode verwendet, so kann der in die Fotodiode eindringende Lichtanteil dazu verwendet werden, um über eine elektronische Regelung Leistungsschwankun­ gen der Laserdiode 2 nachzuregeln.

Der ausgekoppelte, afokale Strahl 29 wird über eine Sammellinse 30 auf die Spiegelfläche 28 fokussiert. Es hat sich als wichtig erwiesen, daß die Spiegel­ fläche 28 wiederum genau im Fokus der Linse 30 mit der Brennweite f₂ befindet. Dadurch kann auch bei dieser Anordnung der ausgekoppelte Strahl 29 als Rück­ kopplungsstrahl 11 sehr genau in die Laserdiode 2 rückreflektiert werden.

Zur hochgenauen Justage der Laserdiode 2 in den Brennpunkt der Linse 18 ist bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, das Lasermodul 16 über ein ver­ stellbares Element 23 verschiebbar zu lagern. Das Verstellelement ermöglicht sowohl Bewegungen entlang der optischen Achse B als auch in beiden Raum­ richtungen senkrecht zur optischen Achse B.

In gleicher Weise ist auch der Reflexionsspiegel 31 mit einem x, y, z-Verstellelement 32 bezüglich der Linse 30 auf deren Brennpunkt justier­ bar. In einer gegenüber Fig. 3c vereinfachten Ausführungsform ist auf Linse 30 verzichtet und der ausgekoppelte Strahl 29 von einer senkrecht zu seiner Aus­ breitungsrichtung stehenden Reflexionsfläche 28 in sich zurückreflektiert.

Als Verstellelemente 23, 32 eignen sich z. B. Schrittmotoren oder Aktoren auf Piezokristall-Basis. Über geeignete Regelschaltungen können ihre Positionen in bekannter Weise so nachgeregelt werden, daß die Flächen 28 und die Laser­ diode 2 genau im Fokus der jeweils benachbarten Linse steht.

In Fig. 4 ist eine Anordnung dargestellt, bei der die Laserdiode 2 auf einem Träger 35 derart aufgebracht ist, daß die Laserdiode 2 an beiden Enden ihres optischen Resonators Licht emittieren kann. Bei diesem Chip-on-Carrier-System wird der Nutzstrahl 10 auf der einen Seite des Resonators und der Rückkoppel- Strahl 11 auf der anderen Seite des optischen Resonators der Laserdiode 2 entlang der optischen Achse B ausgekoppelt. Die Linse 18 sorgt für afokalen Strahlengang des ausgekoppelten Strahls 11, die Linse 30 fokussiert diesen Strahl auf eine genau im Fokus f₂ liegende Spiegelfläche 28. Diese Fläche 28 koppelt dann den Rückkoppel-Strahl 14 wieder in die aktive Zone der Laser­ diode 2 ein, um den Kohärenzkollaps zu erzeugen. Auch bei diesem System kommt es maßgeblich darauf an, daß die aktive Zone bzw. der Auskoppelspiegel der Laserdiode 2 genau im Fokus f₁ der Linse 18 liegt. Mit einer Linse 36 wird der Nutzstrahl 10 parallelisiert, so daß dieser für den jeweils gewünschten An­ wendungszweck, z. B. Bildaufzeichnung auf Film, zur Verfügung steht.

Fig. 5 zeigt ebenfalls ein Chip-on-Garrier-System, bei dem aber der rückgekop­ pelte Strahl 11 von dem aus der Laserdiode 2 ausgekoppelten Strahl 9 mittels eines Strahlteilerwürfels 27 ausgekoppelt wird. Der rückzukoppelnde Strahl 11 wird mittels eines Gradienten-Index-Stabes, einer sogenannten Grinrod-Linse 37 in einen faseroptischen Lichtleiter 38 eingekoppelt. Von dieser Glasfaser 38 wird er mittels einer zweiten Grinrod-Linse auf der Rückseite der Laserdiode 2 wieder in deren aktive Schicht eingekoppeit.

Fig. 6 zeigt maßgebliche Teile einer Laserdiode 2. Die Laserdiode besteht aus einer dotierten p-Halbleiterschicht 40 sowie aus einer dotierten n-Halbleiterschicht 41. Die Laseraktivität findet in der aktiven Zone 42 des p-n- Übergangs statt. Mindestens eine der beiden Endflächen des Laserkristalls weist eine Reflektivität < 100% auf, so daß durch sie Licht aus der aktiven Zone 42 nach außen ausgekoppelt werden kann. Dies führt zu einer beugungsbedingten, emittierenden Lichtfläche 43 auf dem Laserspiegel. Bei der vorliegenden Erfin­ dung wird in die aktive Fläche 42 Licht zurückgekoppelt, das aus dieser zuvor ausgetreten ist. Die Rückkopplung erfolgt vorzugsweise durch einen der beiden Laser-Spiegel. Um einen vollständigen Kohärenzkollaps zu bekommen, ist es erforderlich, daß die rückgekoppelte Lichtfläche 44 die emittierende Licht­ fläche 43 möglichst großflächig überdeckt. Ein Überdeckungsgrad von 50 bis 100% hat sich dabei als günstig erwiesen.

In Fig. 7 sind die Auswirkungen der vorliegenden Erfindung dargestellt, wie sie in Laboruntersuchungen nachgewiesen wurden. In den Fig. 7a, 7b und 7c sind Spektren 45, 46 und 47 dargestellt, die mit einem optischen Spektrumanalysator (Fabry-Perot-Interferometer) mit einem freien Spektralbereich (free spectral range, FSR) von 4,95 GHz gemessen wurden. Die Spektren stammen von einer distributed bragg reflection (DBR)-Monomode-Laserdiode. Die Art der Rückkopp­ lung entsprach der in Fig. 3c dargestellten Anordnung. Die verschiedenen Spektren 45 und 46 wurden erzeugt, indem die Spiegelfläche 28 der Fig. 3 um 20 und 10 µm außerhalb des genauen Fokus der Linse 30 angeordnet wurden. Das Fabry-Perot-Spektrometer wurde an der Stelle positioniert, an der norma­ lerweise ein Film liegt. Gemäß Spektrum 45 erzeugte bei einer derartigen Anord­ nung die Laserdiode 2 genau eine Mode. Bei der vorliegenden Messung wurde das Fabry-Perot-Interferometer über ca. fünf freie Spektralbereiche gewobbelt. Dadurch wird die Monomode-Spektrallinie des DBR-Lasers fünfmal mit einem zeitlichen Abstand AT von ca. 8 ms dargestellt. Bei Annäherung der Spiegel­ fläche 28 an den genauen Fokuspunkt der Linse 30 ging das Spektrum 45 in das Spektrum 46 über, wobei leicht zu sehen ist, daß die Laserdiode Aktivität in drei verschiedenen Resonanz-Moden entwickelte.

Sobald die Spiegelfläche 28 genau im Fokus f₂ der Linse 30 ankam, schaltete die Lasertätigkeit auf einen Multimode-Modus um, d. h. der Kohärenzkollaps trat ein. Der Frequenzabstand Δf der verschiedenen Moden betrug dabei nur 525 MHz. Bei diesem Spektrum 47 war also die Laserleistung auf viele ver­ schiedenen Moden verteilt.

Fig. 8 zeigt die Auswirkungen der verschiedenen Moden-Spektren. In Fig. 8a sind zwei schematische Rauschspektren über der Frequenz f aufgetragen. Sie wurden mit der Anordnung gemäß 3c mit einer Fotodiode als Reflexionsspie­ gel 28 ermittelt. Das Spektrum 48 zeigt das Signal zu Rauschverhältnis (relative intensity noise) des gemessenen Spektrums (RIN), wenn Modenspringen auftritt. Das Spektrum 49 zeigt den RIN-Wert, wenn ein Kohärenzkollaps erreicht ist. Es ist deutlich zu sehen, daß bei Kohärenzkollaps das Signal zu Rauschverhältnis im Bereich niedriger Frequenzen, d. h. unter 0,5 GHz sehr niedrig und konstant ist. Dies ermöglicht bei der Bildaufzeichnung mit einer Bildpunktfrequenz unter 0,5 GHz eine sehr konstante Bildqualität.

Fig. 8b zeigt den gemessenen Verlauf 50 des NF-Rauschpegels im Bereich 0-10 MHz als Funktion der Zeit. Nach ca. 2 Min. tritt hier der Kohärenzkollaps ein, wodurch der NF-Rauschpegel plötzlich stark um mehr als 25 dB abnimmt. Die stabilisierende Wirkung des Kohärenzkollaps ist dadurch belegt.

Das Prinzip des Kohärenzkollapses läßt sich zur Stabilisierung der Dioden­ leistung auch in einer Anordnung anwenden, bei der die Laserdiode weitgehend statisch betrieben wird, aber zwischen verschiedenen Leistungen umschaltbar ist. Ein solches System wird zum Beispiel im medizinischen Bereich benötigt, um sogenannte stimulierbare Phosphorfolien, die ein latentes Röntgenbild tragen, mit einem Laserstrahl punktweise anzuregen, um das Röntgenbild auszulesen.

Es wurden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Dabei ist klar, daß im Rahmen des fachmännischen Könnens ohne weiteres naheliegende Abwand­ lungen angebbar sind. Beispielsweise kann statt den gezeigten externen Glas­ faser-Anordnungen bereits innerhalb eines Laserdioden-Moduls ein vollständi­ ges, faseroptisches Auskoppeln vorgesehen werden. Bei derartigen Anordnun­ gen würde sich eine fokussierende Linse erübrigen, die Rückreflexion könnte hier durch einfaches Verspiegeln von Faserenden erfolgen. Auch Kombinationen einzelner Elemente der gezeigten, verschiedenen Ausführungsbeispiele sind ohne weiteres angebbar. Des weiteren ist es ohne weiteres möglich, die ange­ gebenen Verfahren und Vorrichtungen mit anderen, im Stand der Technik be­ kannten Verfahren und Vorrichtungen zu kombinieren. Insbesondere sei hier erwähnt, daß sich die erfindungsgemäße Anordnung mit dem in der gleichzeitig von der Anmelderin unter dem Zeichen A-G 6162 eingereichten und beschriebe­ nen Verfahren zum Vermeiden von Mode Hops kombinieren läßt. Dort ist be­ schrieben, die Laserdiode zusätzlich zu einem Einstell- bzw. Modulationssignal mit einem Rauschsignal zu betreiben. Dadurch, daß das Rauschsignal kein determiniertes Signal, sondern ein zufälliges, breitbandiges Signal ist, wird inner­ halb der Laserdiode eine Vielzahl von Moden erzeugt. Dies hat zur Folge, daß sich die gesamte Laserlichtenergie auf viele verschiedene Moden gleichmäßig verteilt und führt zu einer wesentlich geringeren Anfälligkeit der Laserdiode, auf­ grund von Modensprüngen plötzlich und irregulär hinsichtlich ihrer Lichtleistung zu schwanken. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Rauschsignal eine möglichst hohe Bandbreite im Bereich von einem bis etwa 100 MHz aufweist.

Claims (19)

1. Verfahren zum Betrieb einer Laserdiode (2), deren Laserstrahl (9) mittels eines Einstellsignals in seiner Intensität eingestellt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das aus der Laserdiode (2) ausgetretene Licht teil­ weise wieder in die aktive Zone (42) der Laserdiode (2) zurückgekoppelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopp­ lung mit faseroptischen Mitteln (37, 38) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rück­ kopplung mit reflektierenden optischen Mitteln (19, 28) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Laserstrahl (9) in einen Nutzstrahl (10) und einen Rück­ koppelstrahl (11) aufgetrennt wird und daß der Rückkoppelstrahl (11) in die Laserdiode (2) zurückgekoppelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkoppel­ strahl (11) erzeugt wird, indem das aus der Laserdiode (21) ausgetretene Licht an einer Reflexions-Oberfläche (12) reflektiert wird und daß der reflek­ tierte Strahl (11) zumindest teilweise auf demselben optischen Weg in die Laserdiode (2) zurückreflektiert wird, auf dem das Licht ausgetreten ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser­ strahl (9) oder der Rückkoppelstrahl (11) auf eine, insbesondere teilweise reflektierende, Reflexions-Oberfläche (20, 28) fokussiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (9) oder der Rückkoppelstrahl (11) als paralleles Strahlen­ bündel zumindest teilweise in sich selbst zurückreflektiert wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest 1% der aus der Laserdiode (2) austretenden Lichtleistung zurückgekoppelt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die optische Weglänge des rückgekoppelten Lichtes außer­ halb der aktiven Zone (42) der Laserdiode (2) mindestens 100 mm beträgt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zurückgekoppelte Licht derart in die aktive Zone (42) der Laserdiode (2) eingekoppelt wird, daß seine Querschnittsfläche (44) eine Querschnittsfläche (43) der des emittierten Lichtstrahls mindestens zu 50% überdeckt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Einstellsignal ein Modulationssignal ist, wodurch die Laserdiode (2) in ihrer Helligkeit moduliert wird.

12. Vorrichtung zum Betrieb einer Laserdiode (2), deren Laserstrahl (9) mittels eines Einstellsignals in ihrer Intensität eingestellt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Kopplungsmittel (4) vorgesehen sind, die das aus der Laser­ diode (2) ausgetretene Licht teilweise wieder in die aktive Schicht (42) der Laserdiode (2) zurückkoppeln.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungs­ mittel (4) eine Lichtfaseranordnung (7) umfassen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsmittel (4) reflektierende optische Elemente (12, 28) umfassen.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeich­ net, daß Mittel vorgesehen sind, die den Laserstrahl (9) in einen Reflex­ strahl (11) und in einen Nutzstrahl (10) aufteilen und daß Reflexions­ mittel (12) vorgesehen sind, die nur den Reflexstrahl (11) in die Laser­ diode (2) zurückreflektieren.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeich­ net, daß Fokussierungsmittel (30) vorgesehen sind, die den Laserstrahl (9) oder den Reflexstrahl (11) auf den Reflexionsmitteln (28) fokussieren.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeich­ net, daß Verstellmittel (23) für die Laserdiode (2) vorgesehen sind, mit denen die Laserdiode (2) axial und/oder lateral zur optischen Achse (B) verstell­ bar ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeich­ net, daß Verstellmittel (31) vorgesehen sind, mit denen das Reflexionsmit­ tel (31) axial und/oder lateral zur optischen Achse (B) verstellar ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeich­ net, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen ein Modulationssignal als Einstellsignal übertragbar ist.