CN102918725A - 超短脉冲微芯片激光器、半导体激光器、激光器系统和用于薄激光器介质的泵浦方法 - Google Patents

超短脉冲微芯片激光器、半导体激光器、激光器系统和用于薄激光器介质的泵浦方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102918725A
CN102918725A CN2011800262564A CN201180026256A CN102918725A CN 102918725 A CN102918725 A CN 102918725A CN 2011800262564 A CN2011800262564 A CN 2011800262564A CN 201180026256 A CN201180026256 A CN 201180026256A CN 102918725 A CN102918725 A CN 102918725A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
pumping radiation
pumping
ultrashort pulse
medium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2011800262564A
Other languages
English (en)
Inventor
丹尼尔·科普夫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of CN102918725A publication Critical patent/CN102918725A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0627—Construction or shape of active medium the resonator being monolithic, e.g. microlaser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0602—Crystal lasers or glass lasers
    • H01S3/0612—Non-homogeneous structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094084—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light with pump light recycling, i.e. with reinjection of the unused pump light, e.g. by reflectors or circulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/113—Q-switching using intracavity saturable absorbers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/041—Optical pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0602—Crystal lasers or glass lasers
    • H01S3/0604—Crystal lasers or glass lasers in the form of a plate or disc
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094038—End pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/102—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
    • H01S3/1022—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the optical pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/1611—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth neodymium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/163—Solid materials characterised by a crystal matrix
    • H01S3/1671—Solid materials characterised by a crystal matrix vanadate, niobate, tantalate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/065—Mode locking; Mode suppression; Mode selection ; Self pulsating
    • H01S5/0657—Mode locking, i.e. generation of pulses at a frequency corresponding to a roundtrip in the cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18316—Airgap confined
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18319—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement comprising a periodical structure in lateral directions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18358—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] containing spacer layers to adjust the phase of the light wave in the cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H01S5/2018—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers
    • H01S5/2027—Reflecting region or layer, parallel to the active layer, e.g. to modify propagation of the mode in the laser or to influence transverse modes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

一种用于产生具有飞秒脉冲或皮秒脉冲的激光辐射(LE)的光泵浦超短脉冲微芯片激光器具有：衬底(2b)；放大激光器介质(1)；对光泵浦辐射(PS)至少部分透射的第一共振器反射镜(3b)；尤其是一个可饱和的吸收器结构(5)。该激光器介质(1)被施加到共振器反射镜(3b)和该衬底(2b)上，随后从初始材料厚度被减小到小于200μm的厚度。为了尽管厚度较小但还是获得令人满意的功耗，光泵浦辐射(PS)被如此入射到激光器介质(1)中，即，对激光辐射(LE)发生共振，并且对泵浦辐射(PS)发生强度增大。

Description

超短脉冲微芯片激光器、半导体激光器、激光器系统和用于薄激光器介质的泵浦方法
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于产生飞秒脉冲或皮秒脉冲的超短脉冲微芯片激光器、根据权利要求16的前序部分的半导体激光器、根据权利要求12或17的具有这样的超短脉冲微芯片激光器或半导体激光器的激光器系统和根据权利要求14的前序部分的用于厚度小于200μm的薄激光器介质的泵浦方法。
超短脉冲激光器系统是这样的激光器结构，其能够产生特性脉冲时间在飞秒或皮秒范围内的激光脉冲，该超短脉冲激光器系统的各种实施方式很早就已经由现有技术公开了。除了具有长形共振器的复杂结构外，在这里也采用了微芯片激光器。
例如，公开了发射出近红外范围内的几十皮秒的脉冲长度的Q开关微芯片激光器，其基本结构已经由Spühler G.J.等人的“Experimentally confirmed design guidelinesfor passively Q switched microchip lasers using semiconductor saturableabsorbers”(JOSA B，第3期第16卷，1999年3月)公开。该激光器的优点是与锁模型激光器相比具有非常紧凑的结构，这是因为激光器共振器本身只占据几立方毫米或更小的体积，而结构很紧凑的锁模型共振器因为所需的共振器长度而有几厘米的边长。还有以下优点，与常见的功率较低的锁模型振荡器相比，激光脉冲是在较低的脉冲频率和为此较高的脉冲能下产生的。
在Braun B.等人的“56-ps passively Q-switched diode-pumped microchiplaser”(《光学快报》第6期第22卷，1997年3月)中，例如公开了由200微米厚的钕钒酸盐激光器介质构成的装置，其在一面用激光反射镜界定并在另一面用可饱和吸收反射镜或者说SESAM(半导体饱和吸收反射镜)界定。所公开的脉冲能为几十纳焦。激光器介质在这里以多件形式来制造并随后被定位在两个末端元件即出射器和SESAM之间，不用采取结合。
从Zayhowski J.J.和Wilson A.L.的“Short-pulsed Nd:YAG/Cr4+:YAG passivelyQ-switched microchip lasers”(OSA/CLEO 2003)中公开了利用由Nd:YAG和无源Q开关构成的夹层结构，可以由Cr4+:YAG获得约150ps的脉冲长度。这种结构在结构高度紧凑的同时获得了达到μJ范围的脉冲能，但是脉冲长度超过100ps，这是因为无源Q开关或者说Cr4+:YAG材料需要一定长度，结果，无法实现获得较短脉冲长度的优化。因此，该激光器不适用于需要提供超短脉冲的应用场合。
在Nodop D.等人的“High-pulse-energy passively Q-switched-quasi-monolithicmicrochip lasers operating in the sub-100-ps pulse regime”(《光学快报》第15期第32卷，2007年8月)中，提出了也基于SESAM技术的装置，其中，200微米厚的激光器晶体以旋涂玻璃胶粘技术被施加到导热性良好的SESAM元件上。随后，在该晶体上又涂覆施加一个二向色出射器，它可以透过泵浦光并部分地出射激光。该装置不适用于为获得更短的脉冲而设计得薄的晶体。
为此，虽然从现有技术中知道了皮秒微芯片激光器，但其最小只能获得几十皮秒的脉冲长度，在这里，所公开的最小脉冲长度为37ps。但这样短的脉冲长度本身对于某些应用场合来说还是太长了。
为了能产生更短的脉冲持续时间，激光器介质必须设计得更薄，但这在制造技术方面是有问题的，这是因为作为厚度为100微米以下的元件的激光器介质的制造和应对是有困难的。
另外，出现了不同的热膨胀作用的问题，这样的热膨胀作用因采用不同材料而必然存在于这样的微型共振器中并且可能导致在材料中的由热引发的破裂和在界面层的剥离。而且，必须用于合适的波模形成的可获得的热透镜因为热曲线或热流失沿纵向变得越来越强而不再足够。另一个问题是以下事实，在SESAM中的能量密度太高并且可能导致光学损坏，结果，在现有技术解决方案中无法做到相应的长时间工作。另外，在激光器介质变得越来越薄时出现以下问题，放大倍数减小。最后，由此出现另一个问题，即，在激光器介质很薄时，泵浦辐射的振动波幅(如果在与入射面相对的表面上或界面层上被自身反射)因为各种不同的波长而不同于激光辐射的振动波幅，或者由此无法保证最佳的叠加，或者甚至叠加是四散的。
本发明的任务在于，就所产生的激光辐射的时间特性而言，改善超短脉冲微芯片激光器或者竖向发射的半导体激光器。
另一个任务在于提供微芯片激光器、竖向发射的半导体激光器和相应的激光器系统，用于产生脉冲持续时间小于30ps、尤其小于1ps的飞秒脉冲或皮秒脉冲。
另一个任务在于提供用于很薄的激光器介质的泵浦方法。
这些任务将通过权利要求1、12、14、16和17或从属权利要求的主题来完成或进一步改进这些方案。
本发明涉及通过具有光泵浦激光器介质的微芯片激光器来产生超短激光脉冲。该激光器介质此时位于按照前言所述很短的激光器共振器中，该激光器共振器由激光器介质的反射界面和由相应的独立元件来限定。在此，这些元件可直接且无间隙地相互连接，或者也可有一定间隙。为了连接这些独立元件或为了作为功能元件在载体材料上将其成形，在现有技术中提供了各种各样的方法例如像扩散键合、离子流溅射或者光学胶粘结合。
根据本发明，产生具有小于30ps、尤其小于10ps或小于1ps的时间特性的激光脉冲所需要的激光器介质或者说相应的共振器不是由多个独立元件组合而成的，而是将衬底和激光器介质相互连接，在这里，激光器介质可以具有比较大的材料厚度，例如超过200μm。在这些元件(其间能设有其它层)连接起来后，进行激光器介质的初始材料厚度的减小，例如通过打磨或抛光，直至短脉冲持续时间所需要的厚度。
为了避免热作用和热应力，衬底和激光器介质最好由相同材料制成，其中，特性可通过有针对性地选择掺杂来调整。
因为激光器介质很薄且因而激光器共振器很短，所以，调整泵浦方法对获得令人满意的功率参数是有利的。
在此，根据本发明，泵浦光的入射是相对于激光辐射的发射方向或激光器介质的延伸以一个与泵浦辐射波长相关的角度来进行的，从而放大通过局部匹配调整激光辐射和泵浦辐射的强度图来优化。在此如此选择泵浦辐射波长和入射角度，即，泵浦辐射等照度线（即，相同亮度的线或点）相当于激光辐射的强度图。
为此，有利地进行反射镜特性调整，从而入射的泵浦光的一部分在共振器中被反射。另一个改进方案在于将反射镜功能性和激光器介质整合在一个层结构中，从而激光器介质可以根据强度图来分布。因此，泵浦辐射特性和发光特性的调整和协调是借助这种激光器介质的局部分布来进行的。该激光介质在此特定实施例中不再是整体作为隔离的“块”来布置，而是分布到整个层结构上。
总体上，本发明的泵浦方法可被用于具有可饱和吸收器的光泵浦半导体激光器或OPSL（Optically pumped semiconductor laser），尤其用于竖向发射的光半导体激光器(VCSEL)。在此涉及这样的结构，其中，泵浦光根据本发明被引入激光器结构并在那里在上表面或层结构上被反射。此时，(内部，即在材料内测量的)入射角度根据本发明具有导致泵浦光等照度线和激光等照度线重叠的值。而在较小的入射角度(如零)下，叠加不是最佳的。
泵浦光的反射使得允许使用余光，在其他情况下可能不会用到该余光。而且，在使用可饱和吸收器情况下避免了因泵浦光而被饱和。
以下，将结合附图示意所示的实施例来单纯举例详述或详细解释本发明的超短脉冲微芯片激光器或者说竖向发射的半导体激光器以及用于厚度小于200μm的激光器介质的本发明泵浦方法，其中：
图1是本发明超短脉冲微芯片激光器的第一实施例的示意图；
图2是本发明超短脉冲微芯片激光器的第二实施例的示意图；
图3是第三实施例在本发明激光器系统中的布置的示意图；
图4是本发明泵浦方法的基本原理的示意图；
图5示出用于本发明泵浦方法的泵浦强度图的计算例子；
图6示出用于在两个反射面之间的激光器介质的本发明泵浦方法；
图7是本发明超短脉冲微芯片激光器的第四实施例的示意图；
图8是本发明超短脉冲微芯片激光器的第五实施例的示意图；
图9是本发明超短脉冲微芯片激光器的第六实施例的示意图；
图10用表格示出本发明超短脉冲微芯片激光器的第五和第六实施例的层序；
图11是本发明超短脉冲微芯片激光器的第七实施例的示意图；
图12示出泵浦辐射和激光辐射的辐射场的曲线图；
图13是用于薄激光器介质的本发明优化泵浦结构的第七实施例的示意图；和
图14a-14e是本发明的竖向发射的半导体激光器的多个实施例的示意图。
图1示出本发明超短脉冲微芯片激光器的第一实施例的示意图。为了制造这样的光泵浦超短脉冲微芯片激光器，将激光器介质1安置在衬底2上，在这里，衬底例如可由钒酸盐构成并且在第一实施例中是未掺杂的。在两者连接前，在衬底2上施加一个二向色出射层或二向色出射反射镜作为第一共振器反射镜3，为此有各种方法可供使用，如离子流溅射。对于以钕钒酸盐为激光器介质1的情况，二向色反射镜3在此例子中针对待产生的波长为1064nm激光辐射具有95%反射率，并且针对808nm泵浦波长具有超过95%的透射率，在此，以激光二极管为泵浦源。第一共振器反射镜3因此是一个设于衬底2和激光器介质1之间的二向色出射反射镜，其被设计为针对激光辐射和针对泵浦辐射是至少部分透射的，或是部分反射的。
在衬底2和二向色反射镜3上施加一个厚的（即其材料厚度尚未减小的）、经抛光的钕钒酸盐件作为激光器介质1，其例如掺杂有超过1%的钕，尤其是3%的钕。此时可如此选择该部分的初始材料厚度，即，可顺利实现与衬底2或二向色出射反射镜3的机械处理和连接，在此，例如可以考虑光学接触或扩散键合作为连接方法。在所述施加之后，激光器介质1的初始材料厚度被减小，例如通过打磨和/或抛光，直到钕钒酸盐残余件具有小于200μm或100μm的期望厚度，例如仅50μm厚。基于该激光器介质1及其在激光辐射方向上的厚度，该结构适用于产生具有尤其是脉冲持续时间小于30ps且尤其小于10ps或甚至小于1ps的飞秒脉冲或皮秒脉冲的激光辐射，在此，对此可采用附图未示出的用于产生具有飞秒脉冲特性或皮秒脉冲特性的激光辐射(LE)的元件，例如通过Q开关（即，Güteschaltung），就像其例如可通过使用可饱和吸收器结构实现的那样。
这样，对于极薄的激光器介质实现了一种固定连接的且自身稳定的布置结构，在这里，薄激光器介质被施加在较厚的、由与激光器介质相同类型的材料构成的载体材料上，在这里，其间有一个光学反射层结构。该布置结构与传统的结构和泵浦方法相比获得了更高的效率。
远离该衬底的激光器介质表面1'最好是未涂覆的或者具有抗反射层。根据实施方式的不同，该表面1'也可直接接触可饱和的吸收器结构。衬底2的作为泵浦辐射入射面和激光辐射出射面的对置表面2'尤其可以具有针对这两个所采用的波长的抗反射涂层。
根据本发明，也可按照与表面1'相接的方式将一个二向色反射镜作为第二共振器反射镜设置在激光器介质1和可饱和吸收器结构之间，该第二共振器反射镜对于激光辐射是至少部分透射构成的，对于泵浦辐射是高反射性构成的，因而，基本上只有激光辐射被引向可饱和吸收器结构并在那里对饱和过程提供帮助。
如果可饱和反射镜结构或者说SESAM被用作可饱和吸收器结构，则它可直接作为第二共振器反射镜与表面1'相接布置，例如键合或者以机械方式通过保持装置以例如只有几微米的准确规定间距来定位。SESAM优选有二向色涂层，其对808nm的泵浦波长是高度反射的，而对1064nm激光波长具有与未涂覆状态相比不变的反射率（例如30%）。在间隔定位的情况下，该间隔空间可用气体（如空气）、真空或填充气体来填充并具有规定的压力，结果激光器共振器被优化、或者在作为光谱激光器条件的激光器介质放大倍数此时是最大的波长下具有共振。
图2示意示出本发明超短脉冲微芯片激光器的第二实施例，其区别特征在于，代替未掺杂的钒酸盐衬底，使用了掺杂的衬底2a（即钕钒酸盐衬底），但在这个实施例中，衬底2a（即衬底材料）也相比于激光器介质1或者说激光器介质的放大材料掺杂较少。此时如此选择掺杂，即，在50μm厚的钕钒酸盐激光器介质1上还是出现足够厚的泵浦层，例如在0.27%钕掺杂下为3mm厚。
第二实施例与第一实施例相比有以下优点，激光器共振器的输出信号经过掺杂泵浦的钕钒酸盐，进而被再次加强，并且热学透镜因为温度变化曲线在横向上强而在纵向上弱和更高的吸收功率而设计成较厚，因而可以出现更好的波模形成。
图3示出本发明超短脉冲微芯片激光器的第三实施例在本发明激光器系统中的布置。
在这里，泵浦光或者说泵浦辐射PS通过二向色分光器6被入射到衬底2中，所产生的激光辐射LE被出射。在对置侧，激光器介质1接触第二共振器反射镜4，该第二共振器反射镜对于该泵浦波长是反射的，而对于激光辐射LE的波长是透射的，并且第二共振器反射镜被施加在可饱和吸收器结构5上。如图2所示，第二共振器反射镜可由二向色涂层来实现，其对于808nm的泵浦波长是高反射性的，而对于1064nm的激光波长具有与未涂覆状态相比不变的反射率（例如30%）。不过，代替第二共振器反射镜4，也可以通过激光器介质1的反射界面、或通过在激光器介质1内的内部全反射来造成反射。
在此实施例中，二向色出射反射镜作为第一共振器反射镜3a对于光泵浦辐射是部分反射地形成的，并且与第二共振器反射镜4一起如此设置和形成，即，对激光辐射出现共振，对泵浦辐射出现强度增大。
这样，该第三实施变型在调节泵浦共振以提高吸收和效率方面与第一实施例相似，但这两个共振器反射镜3a和4是如此设计的，同时有在1064nm激光波长的激光共振和在例如所采用的泵浦辐射PS波长例如为808nm时的强度增大或者说共振。这是通过下述方式做到的：出射涂层或者二向色出射反射镜3a不再对于泵浦波长是高度透射的，而是部分反射的，这要视所期望的共振器内泵浦的共振或强度增大而定。共振此时可以借助涂层相的选择来精确调节，以便获得在两个波长下的双重共振，在此尤其是，在第一共振器反射镜3a（即二向色出射反射镜）上可以调节出在泵浦辐射等照度线和激光辐射之间的从零起的相移。此时要注意的是，钕钒酸盐在808nm和1064nm下具有不同的折射率，这也是要加以考虑的。
这种布置结构的优点是，在很薄时也能获得至激光器介质1的更高功率输入或吸收。如果没有此优化手段，则可获得的放大和功率在厚度减小时同时强烈回落。另外有以下可能性，在这样的泵浦波长下更高效地泵浦，其具有比808nm标准泵浦波长更低的吸收性，因此，例如在880nm或888nm下。最后，也有以下优点，由此可以实现显著小于50微米的更薄的共振器厚度或共振器长度。
图4在示意图中说明本发明泵浦方法的基本原理。为了在激光器介质减薄情况下还获得足够的功耗，有利的是，泵浦辐射PS以一个角度α被入射到衬底或激光器介质中，从而泵浦辐射PS和激光辐射的叠加被优化。
在采用该泵浦方法时，其余的共振器结构又可以是微芯片结构或者说本发明的超短脉冲微芯片激光器。不过，该泵浦方法的使用不局限于此例子，因此，例如也可以用于延长的共振器结构或者具有很薄激光器介质的其它结构。就此而言，该方法主要是指用于很薄的激光器介质的泵浦结构，不必限制到本发明的超短脉冲微芯片激光器。但特别合适的是，该泵浦方法对于厚度小于200μm的激光器介质来实施，以产生具有飞秒脉冲和皮秒脉冲的激光辐射，就像其用在本发明的超短脉冲微芯片激光器中那样。
根据本发明，光泵浦辐射PS以一个角度α如此入射到激光器介质中，即对于激光辐射出现共振，而对于泵浦辐射PS出现强度增大，在这里，如此选择或协调泵浦辐射PS的波长和入射角度α，即，泵浦辐射等照度线作为亮度相同的线或点在空间上对应于要由激光器介质产生或放大的激光辐射的强度图。在构成该薄激光器介质背面的表面1'上，尚未被吸收的泵浦辐射PS借助反射界面、借助反射涂层系或借助内部全反射TIR被反射回来，并与泵浦辐射PS的入射射束产生干涉图。在合适地选择泵浦波长和入射角度α的情况下，泵浦激光辐射的等照度线或波幅例如在808或880nm波长下对应于要发出的激光辐射的强度图并且最佳地叠加。
在图4中示出了干涉图的形成，它呈等照度线形式，即，在距反射表面的恒定距离处的最大泵浦平面。从Λ＝λ/(2cosα)中得到用于在干涉条纹或干涉平面之间间距的公式，其中，λ表示泵浦辐射PS的波长，α表示其入射角度。该值在泵浦波长λ=880nm且入射角度α=34°时计算出为大约530nm，在此要注意，物理间距除以折射率所得到的光学厚度良好地对应于波长为1064nm的待发射激光辐射的两个振动波幅的间距(1/2×1064nm=532nm)。在泵浦波长λ=808nm且入射角度α=40°时，也计算得到约530nm的等照度线间距(光学厚度)，这因此也良好对应于激光辐射的两个振动波幅(1/2×1064nm=532nm光长)之间距离。该关系对应于在对于泵浦辐射PS至少部分透射的第一共振器反射镜上的激光辐射和泵浦辐射等照度线之间的从零起的相移。
在最简单情况下，α=0°，这相当于泵浦辐射PS竖直入射。入射和反射的泵浦辐射PS于是产生具有(光)周期Λ=λ/2的波或者说干涉图。它在任何情况下因为波长差而不同于待发射激光辐射的辐射分布，结果，在激光器介质中的最佳激励的区域无法完全与待发射激光辐射的辐射场重合。由此，并非所激励的所有离子均可以以最佳方式将其能量交付给待发射的激光辐射。
通过最佳地选择入射泵浦辐射的角度，并且通过最佳地选择在激光器介质中出现的泵浦辐射PS辐射场与待发射激光辐射的辐射场两者之间的相，将获得这两个辐射场的最佳叠加。由此提高所期望的放大率和泵浦收益。另外，所改善的叠加用于抑制具有不希望的横模或纵模的寄生激光，这在其它情况下可能因多余的反转(nichtabgerufene Inversion)和因此存在的放大而容易出现。
图5示出针对参数α=40.6°、λ=808nm、n=2.16的泵浦强度图的计算例子。在这里，折射率因为简化计算缘故被假定为对于两个波长是横定的。现实中，可以通过角度微调来考虑由该简化假定条件造成的与实际状况的偏差。计算所得到的等照度线间距于是等于532nm(光学厚度)，因此可以在几十微米范围以待发射辐射的振动波幅保持相位。在此情况下，假定图面中是具有M2=1的激光二极管。至少在一个方向上具有良好辐射质量的激光二极管带来了优点，这是因为干涉图随后未被或仅略微“被清理掉”。
图6再次示出用于具有两个反射(上)表面1'和1″的激光器介质1的本发明泵浦方法。对于从钕钒酸盐过渡至空气，在还有TIR的情况下得到约28°内部最小入射角度(n=2.16，在平行于c轴极化时)。对于GaAs对空气，得到约17°内部最小入射角度(分别相对于铅垂线)。
图7示出本发明超短脉冲微芯片激光器的第四实施例的示意图，在此，采用本发明的泵浦方法。在此实施例中，衬底2b具有用于泵浦辐射PS的入射窗，该入射窗相对于来自激光器介质1的激光辐射LE的光轴是倾斜的，因此，泵浦辐射PS“以一个相对于来自激光器介质1的激光辐射LE的光轴的泵浦光入射角度”被入射到超短脉冲微芯片激光器中。根据已经描述的本发明泵浦方法基本原理，如此选择泵浦光入射角度，即，泵浦辐射等照度线之间的距离等于超短脉冲微芯片激光器内的激光辐射LE的半波长。由此，泵浦辐射在激光器介质的背面通过TIR被反射回来。因为泵浦辐射PS和激光辐射LE不再具有共同的轴并因此在入射和出射的光路上是分开的，所以，可以不采用二向色泵浦反射镜，从而作为第一共振器反射镜3b只采用一个单纯的出射反射镜，在这里，可以在该出射反射镜针对泵浦波长是(半)反射构成时实现泵浦共振，这增强了吸收和效率。
倾斜的入射窗可以如图所示通过衬底2b的楔形部分形成，或是通过图9所示的所施加的由金刚石或衬底材料构成的楔形部分形成。衬底楔形部分此时可以通过打磨或抛光来产生。
为了实现协调或微调调整可能性，在此实施例中，将SESAM作为可饱和吸收器结构5设置在压电元件7上，从而用于激光波长的共振条件可依据1064.3nm的钕钒酸盐放大曲线最大值来调节。因为在激光器介质和可饱和吸收器结构5之间有一定间距，所以，可饱和吸收器结构5的泵浦辐射渐逝波衰落，因此不再需要用于余下泵浦光的反射的其他涂覆，以免由泵浦辐射PS引起的提前饱和。
但作为压电元件7的替代，也可以采用固定的间隔元件，其例如由SiO2或类似材料构成，其可选择位置地来按如下方式施加：在该位置上使用掩模，在该位置上激光器在其后被驱动。
通过该结构，泵浦共振PR受到激光器介质1厚度的限制，而激光器共振器LR的长度由第二共振器反射镜来预定。
图8示出本发明超短脉冲微芯片激光器的第五实施例，在这里，在两侧抛光的GaAs衬底2c上，以集成方式形成激光器介质和第一共振器反射镜，作为对于激光辐射LE是高度反射的且对于泵浦辐射PS和选定的入射角度是至少部分透射的布拉格反射镜8，该布拉格反射镜具有生长的量子阱结构9作为激光器介质，在此，量子阱结构9设于泵浦辐射等照度线附近。此时，一个或多个量子阱在布拉格反射镜8上生成，其具有在期望波长例如1064nm下的辐射。例如具有980nm波长的泵浦辐射PS从背面经倾斜的入射窗或经楔形面入射到衬底2c中并且聚焦在衬底2c上表面上，布拉格反射镜8和量子阱结构9作为放大介质设置在该上表面上。通过全反射，(残余)泵浦辐射被反射回来并与入射的泵浦辐射PS产生干扰图，其由作为最大强度平面的等照度线构成，该平面的走向平行于上表面并因而平行于量子阱结构9。量子阱结构9现在如此定位，即，它位于泵浦等照度线的附近。泵浦辐射PS的入射角度先被如此确定下来，即，等照度线之间的距离正好相当于在激光器共振器内的激光辐射的半波长。在入射角度为22°的情况下，干涉平面的光学间距如此计算得到：
Figure BDA00002473714800101
因此，物理间距在GaAs折射率为3.5时等于150nm。在入射角度为22°时，得到在对空气的界面上的TIR。
作为施加了旨在入射的GaAs楔或形成具有楔或倾斜入射面的衬底2c的替代方式，可以如在图9中针对第六实施例所示的那样，也采用施加在GaAs平面衬底2d上的金刚钻楔10，其除了在泵浦辐射的背面入射外同时也用于良好的散热和热分布。
第二共振器反射镜在图8和图9中为清楚起见而未被示出，但可以按照与图7相似的方式来构成和设置。它为此可以又借助气体或真空与第一共振器反射镜间隔布置，或者它可以借助具有预定厚度的低折射间隔层如折射率n=1.4的SiO2直接设置在有源层上。此时要注意的是，在使用间隔层时，TIR最小角度较大：它在从GaAs(n=3.5)过渡至SiO2(n=1.4)时约为相对于铅垂线的24°，在从钕钒酸盐(n=2.16，平行于c)过渡至SiO2(n=1.4)时为40°。还要注意，在使用SiO2间隔层代替空气或真空时，渐逝波不太快速地衰减，因此它能设计得较厚。
不过，代替量子阱结构9，也可以使用其它的半导体材料或半导体结构，因此，例如所谓的量子点或还有非结构化的半导体材料可被用作放大介质。在图9中结合表格来说明用于第五和第六实施例的层序，以便详细描述集成元件的层结构。
在此例子中，例如共振的量子阱吸收体或量子点吸收体可担负起可饱和吸收器的功能，从而出现长度小于30ps、小于10ps或甚至小于1ps的皮秒激光脉冲。
图10示出可如何具体设计半导体结构层序，其中，在该视图中选择了与图8和图9相反的顺序，即，最上方是空气，最下方是GaAs衬底。量子阱QW的层厚和铟含量针对设定目的来准确调整，从而光致发光或者说发光在1064nm具有最大程度，在此考虑了工作中出现的变热。如此调节末端层B的层厚，即，该泵浦辐射形成与量子阱QW叠加的强度图。SC在图9中表示半导体，而DBR(扩散布拉格反射镜)表示布拉格反射镜。在该表的右侧给出了各自层序的重复次数，例如布拉格反射镜具有总共25个GaAs/AlAs层对。
如果从现在起与有源层紧邻地设置金刚石，代替上述的弱折射间隔层SiO2或代替空气、气体或真空，以改善冷却，则在GaAs和金刚石之间有约44°的TIR最小入射角度。这样，可能有的激光波长伴随着最佳的泵浦辐射和激光辐射叠加移至显著大于1064nm的值，例如在入射角度α=50°和泵浦辐射波长λps=980nm时，随之而来的是激光辐射波长λLE＝1.5μm。
图11示出本发明超短脉冲激光器系统的第七实施例的示意图。在此实施例中，用于泵浦辐射的辐射引导不是穿过衬底2e，而是从对置侧引导。泵浦辐射PS以一个相对于激光辐射LE的光轴的泵浦光入射角度入射到该激光器结构的薄激光器介质1中。未被吸收的泵浦辐射PS部分将通过位于背侧的（即在薄激光器介质1和衬底2e之间）的第一共振器反射镜3c被反射，由此，出现干涉图或泵浦辐射等照度线图。第一共振器反射镜3c对于激光辐射波长也是高度反射的或至少半反射的。根据已经描述的本发明泵浦方法基本原理，如此选择泵浦光入射角度，即，泵浦辐射等照度线之间距离等于在薄激光器介质1中的激光辐射LE的半波长。泵浦辐射PS此时在激光器介质1的背面通过在第一共振器反射镜3c上的反射背反射回来。因为泵浦辐射PS和激光辐射LE不再具有共同的轴且因而其入射和出射时的光路是分开的，所以，可以不采用分隔用二向色泵浦反射镜。
在图12和图13中示出泵浦辐射和激光辐射的辐射场，此时是在二极管泵浦Yb:YAG激光器例子中沿着传播轴的入射角度α=0°，在这里，在这两张图中水平给出了作为传播轴的物理长度(单位μm)且竖向给出了各自用于泵浦辐射(虚线)和激光辐射(实线)的辐射场。在这里，基于940nm的泵浦波长、1030nm的激光器工作波长和50μm厚的激光器介质。在零位置上示出具有相同相的这两个辐射场，这可以对应于层结构中的预定位置。沿着激光器介质内的传播轴z，这两个辐射场随后开始快速分散开，从而叠加例如在位置z=1.5μm处“脱离相位”，或者说泵浦辐射等照度线遇到激光辐射波节点，如图13所示。根据要求Λ＝λ/(2cosα)，在内部的（即在激光器介质内）假定的泵浦入射角度α=24.1°的情况下，保证了在50μm激光器介质厚度上获得的辐射场叠加，从而它们不分散开。这相当于偏离铅垂线47.3°的外部泵浦辐射入射角度，在这里，对于Yb:YAG，基于折射率n=1.8。
另外，如果可选地在薄激光器介质正面上施加一个(半)反射元件，则该结构可用于泵浦共振或泵浦强度增大，如此选择该反射元件的相，即，在泵浦波长下发生在激光器介质内的强度增大。这增强了有效泵浦吸收和效率。通过该结构，泵浦共振由激光器介质厚度来限定，而激光器共振器长度由第二共振器反射镜来预定。
衬底可由与激光器介质同类型的材料构成或由与之相比导热性更高的材料如金刚石构成。衬底背面的例如借助水的主动冷却导致这样的结构，其类似于薄盘激光器结构，但根据本发明具有泵浦光以一定入射角度的偏离引导。
在图14a-14e中示意示出了本发明的竖向发光半导体激光器的实施例，其因其结构而使用本发明的泵浦方法。以下所述的实施例涉及电路质量调制激光器或者说Q开关激光器，在这里，激光器共振器被设计成短到在技术上可行的程度，因而，因为共振器长度短，所以可以出现在1ps或甚至更低的范围内的Q开关脉冲长度。就是说，涉及到竖向发光的(量子阱)光学泵浦半导体激光器(竖腔半导体激光器VCSEL：Vertical Cavity Semiconductor Laser)，因而是光学泵浦半导体激光器(OPSL：OpticallyPumped Semiconductor)。
所有的实施例都是这样的结构，其都具有一个例如由GaAs构成的衬底11、两个共振器反射镜12a和12b、一个可饱和吸收器结构14例如量子点以及一个放大激光器介质15。
与现有技术的类似布置不同，该共振器很短并且不是锁模地工作，而是Q值调制或者说按照Q开关方式工作。
该结构的基础是，调节每个共振器周期的可饱和吸收器的更高度饱和吸收，并且共振器长度尽可能短，例如小于50光学半波长厚度或小于150μm，这对应于超过1THz的循环脉冲频率，因此，激光器本身在Q开关工作模式下工作。这样的激光器工作有以下优点，产生具有较高能量和较少重复频率的脉冲，由此，可更好地服务于某些应用场合并且可利用电子开关/声光开关轻易地分隔脉冲。与之相反，在锁模型OPSL中，因为共振器长度短，所以通常重复频率在GHz或许多GHz范围内，结果，脉冲能低(sub-nJ)且脉冲之间的间隔很短。
如果半导体激光器结构被脉冲泵浦，则热负荷还低，这恰好在OPSL中导致明显的简化。在这样的布置结构中，否则要经常用金刚石、甚至有时用腔内金刚石来工作，由此，可获得的功率明显增大，但这复杂且昂贵。
脉冲的泵浦使冷却散热变简单，只要由此减小的脉冲重复频率可在该应用中可被运用，但这例如在采用种脉冲（Saatpulse）时不是问题。于是，泵浦脉冲可因为几纳秒的短暂存储时间(在量子阱中)而也只有几纳秒。但当泵浦脉冲频率在几十兆赫范围内且因而在常见的锁模激光器范围内时，已经可以获得输入热的显著减少。
现在，在图14a中示出本发明的竖向发光半导体激光器的第一实施例，在这里，来自半导体衬底11的泵浦射线或者泵浦辐射PS穿过第一共振器反射镜12a入射到OPSL结构中。此时，关于能量状况，波长必须高于衬底材料的能带间隙。根据期望(内部)角度的不同，倾斜的入射窗是有利的或必需的，如前面的图中所示。泵浦辐射PS在外延施加的泵浦反射镜13上被反射。在s方向(垂直于图面的E区)上的极化可能是有利的，因为由此一来可以在与p极化时相比更少的布拉格对（Braggpaar）时保证在呈布拉格反射镜形式的泵浦反射镜13中的反射率。最终出现的泵浦辐射PS在放大区内导致例如由量子阱等构成的放大介质15被泵浦，在此有利的是，量子阱靠近泵浦等照度线最大值。此时，泵浦辐射PS没有超出泵浦反射镜13区域，因此，位于那里的最好由量子点构成的可饱和吸收器14未消退。两个共振器反射镜12a和12b构成用于出现的激光辐射LE的腔，在这里，激光辐射的一部分可被出射。共振器反射镜12a、12b以及泵浦反射镜13的相以及作为激光器介质15的量子阱的位置和作为可饱和吸收器14的量子点应该如此相互协调，即，激光器介质15和吸收体14均位于(局部)场最强点附近或(局部)场最强点，但任何时候不直接处于场最弱点，其中，它在激光器介质15中同时适用于泵浦辐射PS和激光辐射LE。在此结构中，脉冲泵浦可能是非常有利的，因此可以在共振器反射镜12b上省掉可选设的金刚石件16或其它强烈导热的且或许透明的散热材料。在此情况下，共振器反射镜12b也可以由常用的涂层材料构成。所有其它层或区域最好由半导体材料如GaAs、InGaAs、AlAs、AlGaAs等材料构成。
图14b所示的第二实施例在结构上对应于第一实施例，但在这里，泵浦辐射PS在此借助在作为泵浦反射镜的间隔层(衬垫)17'的表面上的反射被反射回来并且导致了被反射的泵浦辐射PS的再利用和进而更高的效率。该反射可以在相应角度下借助在表面上的全反射(TIR)来产生，或借助以层叠形式来施加的泵浦反射镜，又具有半导体材料和涂覆的、蒸镀的等介电层。该泵浦反射镜应该对于激光辐射是透射的或半透射的。
间隔层17'可以由空气、气体或介电材料构成。在所有这些情况下，即，即便以介电材料为间隔层17'，全反射也可以与之前一样被用作泵浦反射镜的机理，这是因为GaAs和SiO2之间的折射率差总还是很高(3.5相对于1.46)，因此全反射就可以在小的入射角度下发生。
在使用介电间隔层17'时，可以整体构成总体结构。在以空气或气体为间隔层17'的情况下，总体结构的两个半体之一的位置可借助压电元件来连续精确调节，从而激光器可最佳工作，例如以最高功率工作。
激光器的第二半由SESAM半导体结构(半导体可饱和吸收反射镜：SemiconductorSaturable Absorber Mirror)14构成，在这里，在激光辐射LE的振动波幅处或接近该振动波幅，设有许多量子点，其在激光辐射LE波长下具有可饱和吸收性。例如由GaAs/AlGaAs构成的布拉格反射镜具有大量布拉格对，从而射线的一部分离开激光器，该布拉格反射镜作为可饱和吸收器14的一部分为了激光辐射LE而封闭该共振器。在此情况下，(脉冲)激光辐射LE经过GaAs衬底18射出，该衬底最好有抗反射涂层。波模形成因所出现的温度分布而通过折射率曲线出现，但在此具体情况中，还是由(正)透镜产生，该透镜通过表面由热决定地隆起到气体填充/空气填充的间隔层17'体积中而得到。
与之前的完全相似地设计图14c所示的结构，在这里，作为间隔层17″，以一定厚度施加的材料产生了在两个由空气或气体隔开的半体之间的连接，因此机械连接并且总体结构在结构上组合成整体激光器。
图14d所示的布置也相似地示出原则上与之前的实施例相同的结构，在这里，间隔层17″′单独承担形成波模的功能，因此由透明的结构化介电材料如SiO2构成。由此可调节出期望的光学作用(如焦长)，完全像是菲涅尔透镜或波带板。但随即重要的是，泵浦辐射PS的位置匹配于该绕射元件的地点且例如落在波带板中心。间隔层17″′的区段的厚度和图案可有利地被调整。
图14e的实施例涉及这样的结构，其施加在GaAs衬底18或其它半导体衬底(从上向下)上：随后施加呈用于1064nm激光辐射的布拉格反射镜形式的共振器反射镜12b。在该布拉格反射镜上施加多个量子点层，所述层位于被共振器反射镜12b反射的激光辐射的波幅内。又由外延层如AlGaAs和AlAs构成的泵浦反射镜13反射泵浦辐射PS并透过大部分的激光辐射LE，从而它只在共振器反射镜12b处被反射并在作为可饱和吸收器14的量子点处被吸收。最后，呈量子阱形式的放大层位于作为激光器介质15的泵浦反射镜13上，也设置在泵浦辐射PS和激光辐射LE的振动波幅处或附近。最后，激光器共振器以二向色泵浦反射镜12a作为出射器结束，其由半导体材料或常见的介电涂覆材料如SiO2、Ta2O5、TiO2构成，该材料通过涂覆、溅射涂覆或蒸镀来施加。在此情况下，用于泵浦波长的透射率被调节并且也可以通过激光辐射LE的半反射来获得激光辐射的出射。
此实施例比较短小，因而比先前实施例发出更短脉冲，这是因为作为其中一个共振器反射镜12a或12b可采用常见的介电反射镜，其与半导体布拉格反射镜相比以较浅的集肤深度获得较高的反射率，由此可再次缩短共振器长度。而且，可借助可能透明的散热体如金刚石实现冷却散热，这在具有两个GaAs衬底的其它结构中是较难做到的。

Claims (18)

1.一种用于产生飞秒脉冲或皮秒脉冲的光泵浦超短脉冲微芯片激光器，所述飞秒脉冲或皮秒脉冲的脉冲持续时间尤其小于30ps、小于10ps或小于1ps，所述光泵浦超短脉冲微芯片激光器至少具有：
-衬底(2,2a,2b,2c,2d,2e)，其尤其由钒酸盐构成，
-用于产生激光辐射(LE)的放大激光器介质(1)，尤其是掺杂的钒酸盐，优选是掺杂有超过1%的钕的钕钒酸盐，
-第一共振器反射镜(3,3a,3b,3c)，其对光泵浦辐射(PS)是至少部分透射的，
-用于产生具有飞秒脉冲特性或皮秒脉冲特性的激光辐射(LE)的元件，尤其是可饱和吸收器结构(5)，
其特征是，
该激光器介质(1)具有小于200μm、尤其是小于100μm的厚度。
2.根据权利要求1所述的超短脉冲微芯片激光器，其特征是，该激光器介质(1)是在与该衬底(2,2a,2b,2c,2d,2e)连接后其初始材料厚度减小的元件。
3.根据权利要求2所述的超短脉冲微芯片激光器，其特征是，该激光器介质(1)是在与该衬底(2,2a,2b,2c,2d,2e)连接后被磨削和/或被抛光的元件。
4.根据前述权利要求之一所述的超短脉冲微芯片激光器，其特征是，该衬底(2,2a,2b,2c,2d,2e)与该激光器介质(1)相比掺杂较少，尤其是未掺杂。
5.根据前述权利要求之一所述的超短脉冲微芯片激光器，其特征是，二向色反射镜作为第二共振器反射镜(4)被设置在该激光器介质(1)和可饱和吸收器结构之间，该二向色反射镜被设计为：对于激光辐射(LE)是至少部分透射的，并且对于泵浦辐射(PS)是高反射的。
6.根据前述权利要求之一所述的超短脉冲微芯片激光器，其特征是，第一共振器反射镜(3,3a)是设置在衬底(2,2a,2b,2c,2d)和激光器介质(1)之间的二向色出射反射镜，该二向色出射反射镜被设计为对于激光辐射(LE)和泵浦辐射(PS)是至少部分透射的。
7.根据权利要求6所述的超短脉冲微芯片激光器，其特征是，该二向色出射反射镜对于光泵浦辐射(PS)是部分反射的，并且与第二共振器反射镜(4)、该激光器介质的反射界面或者激光器介质(1)内的内部全反射一起是如此设计和设置的，即，
-对于激光辐射(LE)发生共振，且
-对于泵浦辐射(PS)发生强度增大，尤其是由于在第一共振器反射镜上的泵浦辐射等照度线和激光辐射(LE)之间的从零开始的相移。
8.根据前述权利要求之一所述的超短脉冲微芯片激光器，其特征是，在压电元件(7)上设有共振器元件尤其是该可饱和吸收器结构(5)。
9.根据前述权利要求之一所述的超短脉冲微芯片激光器，其特征在于入射窗，该入射窗相对于来自该激光器介质(1)的激光辐射(LE)的光轴是倾斜的。
10.根据权利要求9所述的超短脉冲微芯片激光器，其特征是，该倾斜的入射窗是由该衬底(2b,2c,2d)的楔形部分构成的，或是由金刚石(10)或衬底材料构成的所施加的楔形元件构成的。
11.根据前述权利要求之一所述的超短脉冲微芯片激光器，其特征是，在该衬底上(2c,2d)上以集成形式形成该激光器介质和该第一共振器反射镜，作为对于激光辐射(LE)是高反射的且对于泵浦辐射是至少部分透射的布拉格反射镜(8)，该布拉格反射镜具有生长的量子阱结构(9)作为激光器介质，该量子阱结构(9)设置在泵浦辐射等照度线附近。
12.一种激光器系统，其具有根据权利要求1至11之一所述的超短脉冲微芯片激光器，其特征是，该泵浦辐射(PS)以一个相对于来自激光器介质(1)的激光辐射(LE)的光轴的泵浦辐射入射角度被入射到该超短脉冲微芯片激光器中。
13.根据权利要求12所述的激光器系统，其特征是，如此选择该泵浦辐射入射角度，即，泵浦辐射等照度线之间的间距等于在该超短脉冲微芯片激光器内的激光辐射(LE)的半波长。
14.一种用于厚度小于200μm的激光器介质的泵浦方法，其用于尤其在根据权利要求1至11之一所述的超短脉冲微芯片激光器中产生具有飞秒脉冲或皮秒脉冲的激光辐射(LE)，该泵浦方法至少包括将尤其是脉冲化的光泵浦辐射(PS)入射到激光器介质(1)中，
其特征是，
该光泵浦辐射(PS)被如此入射到该激光器介质(1)中，即，
-对激光辐射(LE)发生共振，且
-对泵浦辐射(PS)发生强度增大，尤其是通过如此选择泵浦辐射(PS)的入射角度和波长，即，泵浦辐射等照度线对应于激光辐射(LE)的强度图。
15.根据权利要求14所述的泵浦方法，其特征是，在对于泵浦辐射(PS)是至少部分透射的第一共振器反射镜(3,3a,3b)上得到在泵浦辐射等照度线和激光辐射(LE)之间的从零起的相移。
16.一种光泵浦的尤其是竖向发射的半导体激光器，其用于产生飞秒脉冲或皮秒脉冲，该飞秒脉冲或皮秒脉冲尤其具有小于30ps、小于10ps或小于1ps的脉冲持续时间，该半导体激光器至少具有：
-衬底(16)，其尤其由GaAs构成，
-用于产生激光辐射(LE)的放大激光器介质(15)，尤其是量子阱结构，
-第一共振器反射镜(12a)，其对尤其是脉冲化的光泵浦辐射(PS)是至少部分透射的，
-第二共振器反射镜(12b)，其中，所述第一和第二共振器反射镜(12a,12b)限定出一个尤其是长度短于150μm的共振器，
-对泵浦辐射(PS)是反射的泵浦反射镜(13)、或全反射该泵浦辐射的光学面，
-尤其是一个可饱和的吸收体结构(14)，其用于产生具有飞秒脉冲特性或皮秒脉冲特性的激光辐射(LE)，
其特征是，
-所述第一和第二共振器反射镜(12a,12b)、
-该泵浦反射镜(13)或该全反射光学面、和
-该激光器介质(15)
是如此设计和设置的，即，
-对于激光辐射(LE)发生共振，和
-对于泵浦辐射(PS)发生强度增大，尤其是如此选择泵浦辐射(PS)的入射角度和波长，即，泵浦辐射等照度线对应于激光辐射(LE)的强度图。
17.一种具有根据权利要求16所述的半导体激光器的激光器系统，其特征是，该泵浦辐射(PS)以一个相对于来自激光器介质(15)的激光辐射(LE)的光轴的泵浦辐射入射角度被入射到该半导体激光器中。
18.根据权利要求17所述的激光器系统，其特征是，如此选择该泵浦辐射入射角度，即，泵浦辐射等照度线之间的距离等于在该半导体激光器内的激光辐射(LE)的半波长。
CN2011800262564A 2010-05-28 2011-05-24 超短脉冲微芯片激光器、半导体激光器、激光器系统和用于薄激光器介质的泵浦方法 Pending CN102918725A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP10164247 2010-05-28
EP10164247.8 2010-05-28
PCT/EP2011/058401 WO2011147799A1 (de) 2010-05-28 2011-05-24 Ultrakurzpuls-mikrochiplaser, halbleiterlaser, lasersystem und pumpverfahren für dünne lasermedien

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102918725A true CN102918725A (zh) 2013-02-06

Family

ID=42790557

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2011800262564A Pending CN102918725A (zh) 2010-05-28 2011-05-24 超短脉冲微芯片激光器、半导体激光器、激光器系统和用于薄激光器介质的泵浦方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9124064B2 (zh)
EP (1) EP2577818B1 (zh)
CN (1) CN102918725A (zh)
WO (1) WO2011147799A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106998029A (zh) * 2017-05-10 2017-08-01 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 可重频运转的中红外室温薄片Fe:ZnSe激光器
CN110662979A (zh) * 2017-05-23 2020-01-07 罗伯特·博世有限公司 用于发射辐射到周围环境中的发送单元

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8908261B2 (en) * 2011-01-26 2014-12-09 Massachusetts Institute Of Technology Device and method for luminescence enhancement by resonant energy transfer from an absorptive thin film
GB2500676B (en) * 2012-03-29 2015-12-16 Solus Technologies Ltd Self mode-locking semiconductor disk laser (SDL)
GB2519773C (en) 2013-10-29 2018-01-03 Solus Tech Limited Mode-locking semiconductor disk laser (SDL)
GB2521140B (en) 2013-12-10 2018-05-09 Solus Tech Limited Improved self mode-locking semiconductor disk laser (SDL)
GB2526063B (en) * 2014-04-28 2016-10-26 Solus Tech Ltd Optical amplifier
SI24737A (sl) * 2014-05-30 2015-12-31 Optotek D.O.O. Laserska terapevtska naprava za oftalmologijo
AT515789B1 (de) 2014-07-07 2015-12-15 Daniel Dr Kopf Microchip-Laser
DE102018206697A1 (de) * 2018-05-02 2019-11-07 Trumpf Laser Gmbh ASE-reduzierte Laserscheibe
EP3791450A1 (en) * 2018-05-11 2021-03-17 Excelitas Technologies Corp. Optically pumped tunable vcsel employing geometric isolation
AT521942B1 (de) 2018-12-14 2022-09-15 Daniel Kopf Dr Gütegeschalteter Festkörperlaser
AT522108B1 (de) * 2019-01-31 2022-09-15 Montfort Laser Gmbh Passiv gütegeschalteter Festkörperlaser
US20220006263A1 (en) * 2019-02-13 2022-01-06 Sony Group Corporation Laser processing machine, processing method, and laser light source
DE102020115133A1 (de) 2020-06-08 2021-12-09 Laser Zentrum Hannover E.V. Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Laserpulses
CN114178710A (zh) * 2020-08-24 2022-03-15 奥特斯(中国)有限公司 部件承载件及其制造方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2654726B2 (ja) * 1991-09-11 1997-09-17 富士写真フイルム株式会社 レーザーダイオードポンピング固体レーザー
FR2712742B1 (fr) 1993-11-15 1995-12-15 Commissariat Energie Atomique Microlaser solide, monolithique, autoaligné, à déclenchement passif par absorbant saturable et son procédé de fabrication.
DE10219004A1 (de) 2002-04-27 2003-11-13 Rofin Sinar Laser Gmbh Laserstrahlquelle mit einem eine dünne Kristallscheibe als laseraktives Medium enthaltenden Laserelement
ITTO20020845A1 (it) * 2002-09-27 2004-03-28 Bright Solutions Soluzioni Laser Innovative Srl Metodo per la selezione della polarizzazione del fascio laser oscillante all'interno di una cavita' laser
DE10260183A1 (de) 2002-12-20 2004-07-15 Osram Opto Semiconductors Gmbh Vertikal emittierender, optisch gepumpter Halbleiterlaser mit externem Resonator
DE102004024611A1 (de) * 2003-05-23 2005-03-03 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optisch gepumpte Halbleitervorrichtung
US20060029112A1 (en) 2004-03-31 2006-02-09 Young Ian A Surface emitting laser with an integrated absorber
US7811501B2 (en) * 2004-09-06 2010-10-12 Kitakyushu Foundation For The Advancement Of Industry, Science And Technology Mold, method of producing the mold, and method of producing molded article using the mold
US7440480B2 (en) * 2004-12-07 2008-10-21 Research Foundation Of The City University Of New York Tetravalent chromium doped laser materials and NIR tunable lasers
US7649920B2 (en) * 2007-04-03 2010-01-19 Topcon Corporation Q-switched microlaser apparatus and method for use
US8477410B2 (en) * 2011-02-08 2013-07-02 Coherent, Inc. Optical parametric oscillator pumped by femtosecond thin-disk laser

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106998029A (zh) * 2017-05-10 2017-08-01 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 可重频运转的中红外室温薄片Fe:ZnSe激光器
CN110662979A (zh) * 2017-05-23 2020-01-07 罗伯特·博世有限公司 用于发射辐射到周围环境中的发送单元
CN110662979B (zh) * 2017-05-23 2024-04-30 罗伯特·博世有限公司 用于发射辐射到周围环境中的发送单元

Also Published As

Publication number Publication date
EP2577818A1 (de) 2013-04-10
WO2011147799A1 (de) 2011-12-01
EP2577818B1 (de) 2020-07-15
US20130064262A1 (en) 2013-03-14
US9124064B2 (en) 2015-09-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102918725A (zh) 超短脉冲微芯片激光器、半导体激光器、激光器系统和用于薄激光器介质的泵浦方法
US7149231B2 (en) Monolithic, side-pumped, passively Q-switched solid-state laser
EP1735681B1 (en) Surface emitting laser with an integrated absorber
EP1566865B1 (en) Slab type solid-state laser medium and slab type nonlinear optical medium each using light path formed by multiple reflection caused by three reflecting surfaces
KR101324265B1 (ko) 레이저 장치
EP0744089B1 (en) Passively q-switched picosecond microlaser
US9318867B2 (en) Laser device with Kerr effect based mode-locking and operation thereof
US7633979B2 (en) Method and apparatus for producing UV laser from all-solid-state system
JP4883503B2 (ja) 多重光路の固体スラブレーザロッドまたは非線形光学結晶を用いたレーザ装置
JP4407039B2 (ja) 固体レーザ装置および固体レーザ装置システム
US11201450B2 (en) Q-switched solid-state laser
CN106058632B (zh) 一种基于键合晶体的脉冲能量可调的被动调q拉曼激光系统
EP1186078B1 (en) Diode laser-pumped solid state laser
CN1979983A (zh) 具有泵束反射器的垂直外腔表面发射激光器
US20050058163A1 (en) High repetition rate passively Q-switched laser for blue laser based on interactions in fiber
US20070242710A1 (en) Laser apparatus
EP1487072B1 (en) Transversely pumped laser
Kane et al. Prototype laser-diode-pumped solid state laser transmitters
Abram et al. Optically pumped vecsels for high resolution spectroscopy: the new Ti: sapphire?

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20130206