DE10030672A1 - Sättigbarer Reflektor und Sättigbarer Absorber - Google Patents
Sättigbarer Reflektor und Sättigbarer AbsorberInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Sättigbaren Reflektor und einen Sättigbaren Absorber, welche als Schichtfolge (3) jeweils auf einem Substrat (1) angeordnet sind. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtfolge (3) eine Zwischenschicht (9), eine gitterverspannte Einfach-Quantenschicht (6) und eine Deckschicht (7) enthält, wobei die Materialzusammensetzung der Einfach-Quantenschicht (6) ihre Schichtdicke und ihre Verspannung im Schichtaufbau innerhalb eines Wellenlängenbereiches eine absorbierende Wirkung festlegen, weiterhin eine sättigbare Wirkung durch eine Wahl der Position innerhalb der stehenden Wellen eines Laserresonators festgelegt ist.
Description
Die Erfindung betrifft einen Sättigbaren Reflektor und einen Sättigbaren Absorber, die jeweils
aus mehreren Schichten auf einem Substrat aufgebaut sind, insbesondere für die Verwendung
in einem Festkörperlaserresonator.
CHEMLA beschreibt in der US 4,860,296 einen Resonatorspiegel für eine
Laserkavität, bei dem auf einem Reflektorspiegel, ein Schichtaufbau mit einer sättigbar
absorbierenden Wirkung und abschließend eine Anti-Reflexbeschichtung aufgebracht sind.
Die Schichtdicken innerhalb des Schichtaufbaues sind so gewählt, daß die Schichten mit der
eigentlich sättigbar absorbierenden Wirkung im jeweiligen Stehwellenmaximum liegen und
somit eine feste Phasenanpassung mit einer λ/2-Bedingung erfüllt wird.
In der US 5,701,327 (CUNNINGHAM) wird ein Sättigbarer Bragg-Reflektor
beschrieben, der aus nachfolgend genannten, aufeinander angeordneten Schichten besteht:
einem Substrat aus Galliumarsenid (GaAs), einem Bragg-Reflektor aus alternierenden
Schichten aus Aluminiumarsenid (AlAs) und Galliumarsenid und einer auf den Bragg-
Reflektor aufgebrachten Spannungs-Entlastungs-Schicht aus Indiumphosphid (InP) mit einer
Schichtdicke von λ/2. Innerhalb dieser Spannungs-Entlastungs-Schicht ist/sind eine oder
mehrere Quantenschichten aus Indium-Galliumarsenid/Indiumphosphid (InGaAs/InP)
eingebettet. Die Lösung nutzt die Verspannung innerhalb einer λ/2-Schicht aus, in die
mindestens eine Quantenschicht eingebaut ist. Die λ/2-dicke Spannungs-Entlastungs-Schicht
ist die an das umgebende Medium angrenzende Schicht des Sättigbaren Bragg-Reflektors.
Durch eine vergleichsweise aufwendige Prozeßführung soll erreicht werden, daß die
Quantenschichten in einem vorbestimmten Gebiet des Spannungsabbaues innerhalb der
Spannungs-Entlastungs-Schicht angeordnet werden, um eine zusätzliche
Rekombinationsquelle für Ladungsträger zu erhalten.
Es wird das Ziel verfolgt, ultrakurze optische Pulse (110 fs) mit einer relativ großen
Bandbreite (26 nm) für Kommunikationsanwendungen (Laserwellenlänge 1541 nm) zu
schaffen. Hier wird eine Phasenbeziehung der Lage der Quantenschichten zur stehenden
Welle hergestellt, die außerhalb des Stehwellenmaximums liegt.
Robert M. Kolbas u. a. nennen in "Strained-Layer InGaAs-GaAs-AlGaAs Photopumed
and Current Injection Lasers", IEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 24, No. 8, 1988
das Schichtsystem GaAs-InGaAs-GaAs als Beispiel einer Quantenschicht-Heterostruktur.
Die Indium-Galliumarsenid-Schicht kann mit verschiedenem Indiumanteil hergestellt werden.
Dieses Schichtsystem zeichnet sich dadurch aus, daß mit einer Auswahl des Indiumgehaltes
und einer Schichtdicke der Einfach-Quantenschicht eine Arbeitswellenlänge innerhalb eines
großen Wellenlängenbereiches festgelegt werden kann (siehe dort Fig. 6).
J.-Y. Marzin, M. N. Charasse und B. Sermage beschreiben in "Optical investigation of
a new type of valence-band configuration in InxGa1-xAs-GaAs strained superlattics", Phys.
Rev., vol. B31, pp 8298-8301, 1985 eine Aufspaltung des Valenzbandes einer InGaAs-Schicht
in ein "heavy-(HH) hole band" und ein "light-(LH) hole band" infolge von mechanischem
Streß, der infolge der Gitterabstandsunterschiede zwischen InGaAs und GaAs entsteht (siehe
dort Fig. 1). In Fig. 2 wird anschaulich dargestellt, wie sich das Absorptionsverhalten als
Funktion der Energielücke bzw. als Funktion der Wellenlänge einer Laserstrahlung mit der
Schichtdicke und damit mit der Größe der Verspannung der InGaAs-Schicht innerhalb der
GaAs-Schichten verändert. Derartige Schichtsysteme werden bisher nur für Halbleiterlaser
eingesetzt.
Keller, U. u. a. zeigen auf Seite 443, Fig. 10 in "Semiconductor Saturable Absorber
Mirrors (SESAM's) for Femtosecond to Nanosecond Pulse Generation in Solid State Lasers",
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol 2, No. 3, September 1996 einen
Schichtaufbau, der ein Sättigbarer Reflektor ist. Eine erste Schichtfolge (Si-Substrat, Epoxy
und Ag) bildet einen Reflektor. Eine weitere Schichtfolge bildet aus Halbleiterschichten den
Sättigbaren Absorber, der zwei 10 nm dicke Absorberschichten aus GaAs enthält.
Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, einen vergleichsweise einfach
aufgebauten Sättigbaren Reflektor oder einen Sättigbaren Absorber mit einer Quantenschicht-
Heterostruktur insbesondere für die Verwendung in einem Festkörperlaserresonator zu
schaffen. Sie sollen jeweils leistungsmäßig hoch belastbar und insbesondere für
Laserausgangsleistungen größer 5 Watt geeignet sein. Dabei soll der Sättigbare Reflektor oder
der Sättigbare Absorber in einem Laserresonator eingesetzt werden, der Laserpulse mit einer
Breite im Bereich von 0,1 ps bis 100 ps erzeugt.
Die Erfindung betrifft einen Sättigbaren Reflektor für eine Laserwellenlänge λL, bei
dem auf einer Oberfläche eines Substrates ein Reflektor und auf diesem eine Schichtfolge aus
mehreren Halbleiterschichten mit einer sättigbar absorbierenden Wirkung aufgebracht ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Sättigbarem Absorber für eine Laserwellenlänge λL,
der aus der Schichtfolge mehrerer Halbleiterschichten mit einer sättigbar absorbierenden
Wirkung auf einem für die Laserwellenlänge transparenten Substrat aufgebaut ist.
Die Erfindung ist für den Sättigbaren Reflektor dadurch gekennzeichnet, daß die
Schichtfolge eine gitterverspannte Einfach-Quantenschicht und eine Deckschicht enthält,
wobei die Materialzusammensetzung der Einfach-Quantenschicht, ihre Schichtdicke und ihre
Verspannung im Schichtaufbau innerhalb eines Wellenlängenbereiches eine absorbierende
Wirkung festlegen, weiterhin der Grad der sättigbaren Wirkung durch eine Wahl des
Abstandes der verspannten Einfach-Quantenschicht zur Grenzfläche der Deckschicht zu
einem umgebenden gasförmigen Medium festgelegt ist. Wichtig ist, daß dieser
Wellenlängenbereich die Laserwellenlänge λL beinhaltet, mit welcher der Sättigbare Reflektor
betrieben werden soll.
Die Erfindung ist für den Sättigbaren Absorber dadurch gekennzeichnet, daß die
Schichtfolge eine gitterverspannte Einfach-Quantenschicht und eine Deckschicht enthält,
wobei die Materialzusammensetzung der Einfach-Quantenschicht (6), ihre Schichtdicke und
ihre Verspannung im Schichtaufbau innerhalb eines Wellenlängenbereiches eine
absorbierende Wirkung festlegen, weiterhin eine sättigbare Wirkung durch eine Wahl der
Position innerhalb der stehenden Wellen eines Laserresonators festgelegt ist.
Wichtig ist, daß dieser Wellenlängenbereich die Laserwellenlänge λL beinhaltet, mit welcher
der Sättigbare Absorber betrieben werden soll. Für die sättigbare Funktion des Sättigbaren
Reflektors oder des Sättigbaren Absorbers ist es sehr nützlich, wenn bei der Laserwellenlänge
λL ein ausgeprägtes Absorptionsmaximum des Absorptionsverlaufes der gitterverspannten
Einfach-Quantenschicht liegt. Eine für die hier gewünschte Funktion günstige
Gitterverspannung liegt in einem Bereich, der durch die Differenz der Gitterabstände der
Einfach-Quantenschicht und des umgebenden Materials in der Größenordnung zwischen
0,005 bis 0,02 nm bestimmt ist. Bei geringerer Differenz verschwindet die Verspannung, bei
größerer Differenz gibt es Probleme mit der Haftfestigkeit der Schichten.
Dabei darf die Lage der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht in Bezug zu den sich in
einem Laserresonator ausbildenden stehenden Wellen nicht in einem Intensitätsminimum der
einfallenden und/oder reflektierten Strahlung mit der Laserwellenlänge λL liegen.
Neu ist die Erkenntnis, daß die gezielte Gitterverspannung der Einfach-Quantenschicht zu
gezielter herstellbaren und qualitativ hochwertigen Bauelementen mit der sättigbar
absorbierenden Wirkung für einen Hochleistungslaser führt. Durch die Wahl der Schichtdicke
der Einfach-Quantenschicht und ihrer Materialzusammensetzung kann gezielt ein
gewünschtes Absorptionsverhalten in einer Schichtfolge eingestellt werden.
Das umgebende gasförmige Medium ist zweckmäßiger Weise Luft oder ein getrocknetes Gas,
zum Beispiel Stickstoff. Überraschend zeigt der Einsatz eines erfindungsgemäßen Sättigbaren
Reflektors oder Absorbers in einem Laserresonator hervorragende Eigenschaften. Zum
Beispiel werden die, für eine Bildprojektion mittels Laserstrahlung notwendigen, hinreichend
kurzen Laserimpulse im Pikosekundenbereich bei einer entsprechenden Leistungsfestigkeit,
die einer CW-Ausgangsleistung von 40 Watt entspricht, erzeugt. Seine Eigenschaften sind
wenig temperaturabhängig. Eine Kühlung ist nur zur Abführung der entstehenden
Verlustwärme erforderlich. Die zeitliche Konstanz der Ausgangsleistung, des Pulsabstandes
und der Pulsdauer sind über die Zeitdauer eines Tages nahezu konstant.
Überraschend hat sich weiterhin gezeigt, daß sich das aus der Gitterverspannung der Einfach-
Quantenschicht mit mindestens einer der umgebenden Schichten ergebende
Absorptionsverhalten in Abhängigkeit von der Wellenlänge so einstellen läßt, daß ein
ausgeprägtes Absorptionsmaximum bei der vorgesehenen Laserwellenlänge λL sich ergibt.
Die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht unterliegt hier keiner Fabry-Perot-
Resonanzbedingung. Sie liegt aber anwendungsbedingt und somit zwangsläufig innerhalb der
sich in einem Laserresonator ausbildenden stehenden Wellen. Ihre Funktion ist vergleichbar
mit der eines Farbstoff-Absorbers in einem Farbstoff-Laser oder Nd : YAG-Lasers.
Praktisch wird der Reflektor so ausgelegt, daß mit einer möglichst geringen Anzahl von
Einzelschichten ein vorgegebener hoher Reflexionsgrad für die Laserwellenlänge λL erreicht
wird. Ein Reflexionsgrad von 98% ist im allgemeinen für den Laserbetrieb im gesättigtem
Zustand ausreichend. So sind zum Beispiel nur etwa 30 Einzelschichten für einen Bragg-
Reflektor erforderlich. Diese vergleichsweise geringe Anzahl von Einzelschichten erfordert
einen entsprechend geringen Herstellungsaufwand. Viel weniger Schichten sind bei einem
Metallspiegel erforderlich.
Wichtiger ist jedoch, daß die vergleichsweise geringe Anzahl von Einzelschichten der
erfindungsgemäßen Bauelemente in Verbindung mit einer entsprechenden Beherrschung und
Führung der Beschichtungsverfahren zu einem sehr homogenen Schichtaufbau senkrecht zur
Strahlrichtung der laserinternen Strahlung führt. Dieses wiederum ermöglicht die
Verwendung einer vergleichsweise geringen Fokussierung der laserinternen Strahlung auf den
Sättigbaren Reflektor oder den Sättigbaren Absorber. Der Spot-Durchmesser auf dem
jeweiligen Bauelement kann hier mehr als 200 µm betragen und kann bis etwa 5 mm
aufgeweitet werden, wobei eine saubere, konstante Modensynchronisation des Lasers erfolgt.
Dieser vergleichsweise große Spot-Durchmesser reduziert die Leistungsdichte innerhalb der
sättigbar absorbierenden Schicht und ihrer unmittelbaren Umgebung erheblich. Typisch ist ein
Wert von kleiner 100 kW/cm2 bis hin zu etwa 2 kW/cm2, bezogen auf cw-Betrieb des Lasers.
In der Praxis wird aber möglichst nahe an der Belastbarkeitsgrenze des Sättigbaren Reflektors
oder des Sättigbaren Absorbers gearbeitet, um eine maximale Laserausgangsleistung über
eine vorgegebene Lebensdauer der Laserstrahlungsquelle zu erzielen. Der vergleichsweise
große Spot auf dem Sättigbaren Reflektor oder auf dem Sättigbaren Absorber im
Laserresonator erlaubt dort eine vergleichsweise niedrige Leistungsdichte bei einer hohen
Ausgangsleistung des Lasers, die im Bereich bis über 40 W liegen kann.
Die Gitterverspannung der Einfach-Quantenschicht erfolgt bei dem Sättigbaren
Reflektor mit der auf deren einer Seite angrenzenden letzten Schicht eines Reflektors
und/oder mit der auf deren anderen Seite angrenzenden Deckschicht, entsprechend bei einem
Sättigbaren Absorber mit der Deckschicht und/oder mit dem Substrat.
Die genannten Schichten bilden mit der Einfach-Quantenschicht eine Heterostruktur, d. h. es
bildet sich ein sogenannter Quantentopf. Die Erfindung ermöglicht eine einfache Berechnung
bzw. Dimensionierung eines Sättigbaren Reflektors oder Absorbers mit der gitterverspannten
Einfach-Quantenschicht-Heterostruktur, da die Funktion der Einzelbauelemente Reflektor
und/oder gitterverspannte Einfach-Quantenschicht-Heterostruktur deren Grundlage sind.
Durch die bewußte Dimensionierung der Gitterverspannung der Einfach-Quantenschicht und
ihrer Schichtdicke ist eine einfache neue Möglichkeit gegeben, die Absorptionseigenschaften
der Einfach-Quantenschicht in weiten Grenzen gezielt zu beeinflussen und genau auf die
Laserwellenlänge des Festkörperlasers abzustimmen. Wählbare Parameter zur
Dimensionierung eines der erfindungsgemäßen Bauelemente für eine Laserwellenlänge sind
die Materialauswahl für die Heterostruktur und die Dicke der Einfach-Quantenschicht.
Weiterhin werden durch die Abstände der Lage der Einfach-Quantenschicht zum
Reflektor und zu der Grenzfläche der Deckschicht zum umgebenden Medium oder, bei einem
Sättigbaren Absorber, seine Lage im Laserresonator die sättigbar absorbierenden
Eigenschaften festgelegt. Das Absorptionsverhalten und die Lage der verspannten Einfach-
Quantenschicht innerhalb der Schichtfolge bestimmen wesentlich die Pulsdauer eines
modensynchronisierten Lasers, in dem eines der Bauelemente jeweils eingesetzt wird. Die
Lage der für die Laserwellenlänge ausgelegten gitterverspannten Einfach-Quantenschicht
innerhalb der Schichtfolge wird nach dem Kriterium der gewünschten oder erforderlichen
Laserfestigkeit des Resonatorspiegels oder des Sättigbaren Absorbers und der
Pulswiederholfrequenz festgelegt. Dies ist jedoch optimal nur im Zusammenhang mit der
konkreten Dimensionierung des Laserresonators, d. h. der gewünschten Ausgangsleistung und
des Strahlquerschnittes möglich. Wichtig ist, daß die Lage der verspannten Einfach-
Quantenschicht von einem Stehwellenminimum der Laserstrahlung im Laserresonator soweit
entfernt liegt, daß die gewünschte sättigbar absorbierende Wirkung erhalten wird, die die
kurzen Laserpulse im Pikosekunden-Bereich erzeugt. Die verspannte Einfach-Quantenschicht
ist daher vorzugsweise außerhalb eines Intensitätsmaximums der Laserstrahlung angeordnet.
Praktisch nutzt die Erfindung eine Stellung der Einfach-Quantenschicht innerhalb der
Schichtfolge, die zwischen einem Stehwellenmaximum und einem Stehwellenminimum der
Laserstrahlung liegt.
Es erfordert den geringsten Aufwand, die Einfach-Quantenschicht mit der letzten Schicht (der
am weitesten außen liegenden Schicht) des Reflektors zu verspannen. Es bringt jedoch
Einschränkungen bei der Materialauswahl und der Verfahrenstechnik mit sich, wenn eine
gewünschte Intensität der stehenden Welle in der säftigbar absorbierenden Schicht
reproduzierbar eingestellt werden soll, da diese dann zusätzlich nur über das Material und die
Dicke der Deckschicht einstellbar ist. Da diese Deckschicht vornehmlich passivierende und
gegebenenfalls auch antireflektierende Eigenschaften haben muß, ist die Auswahl geeigneter
Materialien stark eingegrenzt.
In einer weiteren Ausführungsform des Sättigbaren Reflektors ist dieser
vorteilhafterweise jeweils mit einer Zwischenschicht versehen, die auf der letzten Schicht des
Reflektors ist, oder bei dem Sättigbaren Absorber ist die Zwischenschicht auf das Substrat
aufgebracht. Die Schichtfolge enthält daher die zum Reflektor oder Substrat hin angrenzende
Zwischenschicht. Die Zwischenschicht sollte gegenüber der letzten Schicht des Reflektors
oder gegenüber dem Substrat spannungsfrei sein. Insbesondere bei einem Bragg-Reflektor ist
die Spannungsfreiheit der Schichten eine wichtige Voraussetzung für eine stabile Funktion.
Auf die Zwischenschicht ist die Einfach-Quantenschicht gitterverspannt aufgebracht. Auf der
gitterverspannten Einfach-Quantenschicht ist dann die Deckschicht aufgebracht. Die
gitterverspannte Einfach-Quantenschicht bildet mit der Zwischenschicht und der Deckschicht
eine Heterostruktur. Mit der Wahl der Dicken der Zwischenschicht und der Deckschicht kann
die sättigbar absorbierende Wirkung des Sättigbaren Reflektors oder des Sättigbaren
Absorbers sehr einfach reproduzierbar erreicht werden, so daß sein Einsatz in einem
Laserresonator die gewünschten kurzen modensynchronisierten Laserimpulse liefert.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Sättigbaren Reflektors oder des
Sättigbaren Absorbers besteht darin, daß die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht in das
Material der Zwischenschicht eingebettet ist, wobei die gitterverspannte Einfach-
Quantenschicht mit den Teilen der Zwischenschicht eine Heterostruktur bildet. Hier hat sich
gezeigt, daß der Grad der Gitterverspannung der Einfach-Quantenschicht reproduzierbarer
herstellbar ist und die Eigenschaften der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht nicht
durch andere Materialeigenschaften der Deckschicht beeinflußt werden.
Durch die Wahl gleicher oder verschiedener Schichtdicken der Teile der Schichten erhält
man eine weitere Möglichkeit zur Einstellung der Lage der gitterverspannten Einfach-
Quantenschicht zum sich ausbildenden Stehwellenverlauf innerhalb des Laserresonators und
damit seiner Schaltwirkung und Leistungsfestigkeit. Diese Maßnahmen werden entsprechend
auch bei dem erfindungsgemäßen Sättigbaren Absorber vorgesehen und führen zu den
entsprechenden Wirkungen. Die sättigbare Wirkung derartiger Bauelemente wird allgemein
durch eine Wahl der Position innerhalb der stehenden Wellen eines Laserresonators
festgelegt.
Ein besonders günstiger Schichtaufbau wird erreicht, wenn im Reflektor oder im
Substrat, d. h. innerhalb der Schichtfolge des Reflektors und zu dem Substrat, und der jeweils
darauf aufgewachsenen Zwischenschicht keine oder im Vergleich zur Verspannung der
Einfach-Quantenschicht nur geringe Gitterverspannungen auftreten. Das bedingt, daß die
Unterschiede der Gitterabstände der Materialien des Reflektors und/oder des Substrates und
des Materials der Zwischenschicht kleiner 0,005 nm, insbesondere kleiner als 0,001 nm sind.
Zur Erfüllung dieser Forderung und für die Minimierung des Aufwandes zur Herstellung des
Sättigbaren Reflektors oder Sättigbaren Absorbers ist es besonders vorteilhaft, wenn einer der
Stoffe, die zum Aufbau des Reflektors oder Substrates eingesetzt werden auch mit zum
Aufbau der Zwischenschicht verwendet wird.
Der Reflektor ist für viele Laseranwendungen insbesondere als Bragg-Reflektor für
einen vorgegebenen Reflexionsgrad (Anzahl der Schichtfolgen) aufgebaut. Der Sättigbare
Reflektor besteht aus dem Bragg-Reflektor, der aus einem ersten Material mit einem
Brechungsindex nH und aus einem zweiten Material mit dem niedrigeren Brechungsindizes nL
besteht, weiterhin die Zwischenschicht und/oder die Deckschicht aus einem dieser Materialien
besteht.
Der Reflektor kann aber auch ein hochreflektierender Metallspiegel sein, auf dem die
Schichtfolge mit der sättigbar absorbierenden Schicht aufgebracht ist. In diesem Fall kann mit
der geringsten Schichtanzahl gearbeitet werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Sättigbaren Reflektors besteht darin, daß das
Substrat aus Galliumarsenid (GaAs) besteht und der Reflektor ein Bragg-Reflektor ist, der aus
Einzelschichten besteht, die jeweils eine Dicke haben, die für das erste Material mit dem
Brechungsindex nH mit undotiertem Galliumarsenid (GaAs)
und die für das zweite
Material mit dem niedrigeren Brechungsindizes nL mit undotiertem Aluminiumarsenid (AlAs)
betragen, die Zwischenschicht aus Galliumarsenid (GaAs) ist, auf der oder innerhalb
derer die Einfach-Quantenschicht aus Indium-Galliumarsenid (InxGa1-xAs) gitterverspannt ist,
wobei der Indium-Anteil (x) und der Gallium-Anteil (1-x) in der Indium-Galliumarsenid-
Verbindung und deren Schichtdicke die absorbierende Wirkung als Funktion innerhalb eines
Wellenlängenbereiches festlegen, dieser Wellenlängenbereich die Laserwellenlänge λL
beinhaltet, bei dieser Laserwellenlänge ein Maximum des Absorptionsverlaufes liegt.
Die Sättigungswirkung des Sättigbaren Bragg-Reflektors innerhalb eines Laserresonators
wird durch die Lage der verspannten Einfach-Quantenschicht zu der Grenze des Reflektors
festgelegt. Der Bragg-Reflektor besteht aus 15 bis 50 Einzelschichten, die Spiegelpaare
bilden. Die Zahl der Spiegelpaare bestimmt seinen Reflektivitätsgrad (siehe Orazio Svelto:
"Principles of Lasers" fourth edition Plenum Press 1998). Zum Beispiel wird mit 28
Spiegelpaaren eine Reflektivität des Resonatorspiegels von 98,77% erreicht. Praktisch wird
immer angestrebt, mit möglichst wenigen Schichten zu arbeiten.
Die Eigenschaften des Materialsystem Galliumarsenid/Aluminiumarsenid sind ausreichend
untersucht, so daß diese Materialien mit der erforderlichen Homogenität der Schichtdicken
und des Schichtaufbaues vergleichsweise einfach auf das Substrat aus Galliumarsenid
epitaktisch aufgewachsen werden können.
Die Dimensionierung einer gitterverspannten Einfach-Quantenschicht aus Indium-
Galliumarsenid (In1-xGaxAs) in Galliumarsenid (GaAs) erfolgt in mehreren Schritten.
Zunächst muß der Absorptionsverlauf der verspannten Einfach-Quantenschicht als Funktion
der Wellenlänge und in Abhängigkeit von ihrer Schichtdicke ermittelt werden, wie diese aus
der Literatur zum Teil zu entnehmen ist; siehe J.-Y. Marzin, M. N. Charasse und B. Sermage:
"Optical investigation of a new type of valence-band configuration in InxGa1-x As-GaAs
strained superlattics", Phys. Rev., vol. B31, pp 8298-8301, 1985; dort insbesondere Fig. 2.
Für die gewünschte Wellenlänge des Laserlichtes sind viele Wertepaare für eine Schichtdicke
und eine Materialzusammensetzung auswählbar, bei der die verspannte Einfach-
Quantenschicht ein Absorptionsmaximum zeigt.
Nun erfolgt durch Anwendung des in R. M. Kolbas, N. G. Anderson, W. D. Laidig, Yongkun
Sin, Y. C. Lo, K. Y. Hsien, Y. J. Yang: "Strained Layer InGaAs-GaAs-AlGaAs Photopumped
and Current Injection Lasers", IEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 24, No. 8, 1988
veröffentlichten Diagramms (dort Fig. 2) eine Auswahl eines der ermittelten Wertepaare für
die vorgesehene Wellenlänge des Lasers.
Gitterverspannte Einfach-Quantenschichten fanden bisher bei der Herstellung von
Halbleiterlasern Anwendung. Überraschend hat sich jedoch gezeigt, daß die grundsätzliche
Vorgehensweise der Schichtdimensionierung und Schichtbildung auf die Herstellung eines
Sättigbaren Bragg-Reflektors übertragen werden kann. Hier erfolgt die Dimensionierung des
Indium-Anteils x und der Schichtdicke und damit eines gewünschten Absorptionsverhaltens
so, daß ein ausgeprägtes Maximum des Absorptionsverlaufes in einem Wellenlängenbereich
bei der Laserwellenlänge eines Festkörper-Laserresonators liegt.
Für eine Laserwellenlänge von 1064 nm ergibt sich bei einer Dicke der Einfach-
Quantenschicht von etwa 7 nm ein Indiumanteil zu 33%, wie aus der Fig. 2 in R. M. Kolbas,
N. G. Anderson, W. D. Laidig, Yongkun Sin, Y. C. Lo, K. Y. Hsien, Y. J. Yang: "Strained-
Layer InGaAs-GaAs-AlGaAs Photopumped and Current Injection Lasers", IEE Journal of
Quantum Electronics, Vol. 24, No. 8, 1988 entnommen werden kann, wenn der Bandabstand
E [in eV] gemäß der Formel
in die Wellenlänge, hier die Laserwellenlänge λL,
umgerechnet wird. Das Sättigungsverhalten und damit das in einem Laserresonator erzeugte
Schaltverhalten und damit die Pulsdauer sind besonders gut und reproduzierbar durch die
Wahl der Lage der verspannten Indium-Galliumarsenid-Schicht innerhalb der
Zwischenschicht einstellbar. Pulsdauer und Absorptionsverhalten bestimmen wiederum die
Leistungsfestigkeit des Sättigbaren Reflektors in einem Laserresonator.
Die Galliumarsenid-Schichten der Zwischenschicht dienen damit immer zur Verspannung für
die vergleichsweise dünne Einfach Quantenschicht aus Indium-Galliumarsenid und dient
gleichzeitig als Schutzschicht zu den umgebenden Medien hin.
Die verspannte Indium-Galliumarsenid-Schicht ist in einem speziellen Fall innerhalb von
zwei optisch etwa λL/4 Dicken Galliumarsenid-Schichten eingebettet. Dann steht die Indium-
Galliumarsenid-Schicht in Verbindung mit dem Bragg-Reflektor im Stehwellenmaximum
innerhalb eines Laserresonators. Dies hat den Nachteil einer maximalen Energiedichte an
dieser Stelle. Dieser Nachteil wird aber dadurch beseitigt, daß der Durchmesser des in den
Resonatorspiegel einfallenden Strahlenbündels vergleichsweise sehr groß eingestellt wird,
statt üblicherweise 10 µm Spot-Durchmesser können mehr als 200 µm Spot-Durchmesser
eingestellt werden. Dies ist jedoch nur bei einem sehr homogenen Schichtaufbau möglich, der
durch den vergleichsweise sehr einfachen Schichtaufbau und die vergleichsweise geringe
Zahl von Einzelschichten begünstigt wird.
Die Indium-Galliumarsenid-Schicht ist eine Low-Temperature-Schicht. Die
Wachstumstemperatur sollte unter 500°C liegen, um die Lebensdauer der Ladungsträger zu
verringern und hinreichend kurze Laserpulse zu erzeugen. Jedoch ist mit einer Low-
Temperature-Schicht gewährleistet, daß der Sättigbare Absorber auch bei einer Optimierung
des Schichtaufbaues hinsichtlich seiner Leistungsfestigkeit hinreichend kurze Laserimpulse
liefert, die für viele technische Anwendungen im Bereich von 1 bis 10 Pikosekunden günstig
liegen. Technische Anwendungen sind zum Beispiel die Materialbearbeitung oder die
Bildprojektion mittels Laserlicht. Vorteilhafterweise ist, wie oben allgemein beschrieben, auf
der dem Bragg-Reflektor abgewandten, äußeren Galliumarsenid-Schicht eine
Entspiegelungsbeschichtung als Deckschicht aufgebracht. Die Entspiegelungsbeschichtung ist
für die eine Laserwellenlänge λL ausgelegt, wobei deren Brechzahl nach ist und mit
nGaAs für die Laserwellenlänge λL gerechnet wird, wobei ein Reflexionsgrad kleiner 1% ohne
besondere Aufwendungen erreichbar ist. Für die Laserwellenlänge λL = 1064 ist die
Entspiegelungsbeschichtung aus einer Schicht Siliziumoxinitrid hergestellt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß
das Substrat aus Indiumphosphid (InP) besteht und daß der Bragg-Reflektor aus
Einzelschichten besteht, die jeweils eine
Dicke haben, wobei für das erste Material mit
dem Brechungsindizes nH mit Indium-Galliumarsenid (In0,53Ga0,47As) mit einem Indiumanteil
von 53% und die für das zweite Material (5) mit dem niedrigeren Brechungsindizes nL mit
Indiumphosphid (InP) gerechnet wird,
weiterhin die Zwischenschicht aus Indiumphosphid (InP) ist, auf der oder innerhalb derer die
Einfach-Quantenschicht (6) aus Indium-Galliumarsenid (InxGa1-xAs) mit einem Indinmanteil
x ungleich, insbesondere kleiner 0,53% gitterverspannt ist, und der Indiumanteil x und deren
Schichtdicke die absorbierende Wirkung als Funktion innerhalb eines Wellenlängenbereiches
festlegen, dieser Wellenlängenbereich die Laserwellenlänge λL beinhaltet, bei der ein
Maximum des Absorptionsverlaufes liegt und die Sättigungswirkung und die
Leistungsfestigkeit durch die Wahl der Abstände der verspannten Einfach-Quantenschicht zu
der Grenze des Reflektors festgelegt sind. Der Reflektor ist hier ein Bragg-Reflektor und
besteht aus jeweils 30 bis 100 Einzelschichten.
Die Deckschicht ist eine Passivierungsschicht zur Umgebung und/oder eine
Entspiegelungsbeschichtung. Die Passivierungsschicht oder die Entspiegelungsbeschichtung
schützt die sehr dünne und chemisch instabile verspannte Einfach-Quantenschicht vor
schädlichen Einflüssen der Umgebung. Die Passivierungsschicht ist so ausgelegt, daß diese
die darunter liegenden Schichten schützt, deren optische Eigenschaften jedoch möglichst
wenig beeinflußt. Die Entspiegelungsbeschichtung hat neben der Funktion eines
Oberflächenschutzes zusätzliche optische Eigenschaften, die die Eigenschaften eines
derartigen Sättigbaren Bragg-Reflektors gegenüber einer nicht entspiegelten Ausführung
wesentlich beeinflußt. In jedem Fall ist der Einfluß der Deckschicht bei einer Berechnung des
Sättigbaren Bragg-Reflektors mit zu berücksichtigen, wobei dessen praktische Wirkung nur
im Betrieb in einem Laserresonator ermittelt werden kann.
In einem Laserresonator wird eine Verkürzung der Pulsdauer der Laserstrahlung gegenüber
einer nicht entspiegelten Ausführung festgestellt, wenn die Entspiegelungsbeschichtung des
Sättigbaren Bragg-Reflektors für die eine Laserwellenlänge λL ausgelegt ist.
Durch die Entspiegelungsbeschichtung wird auch eine weitere Erhöhung der
Leistungsfestigkeit des Resonatorspiegels erreicht. Mit dieser Entspiegelungsbeschichtung
wird der Sättigbare Absorber weder resonant noch antiresonant betrieben.
Er unterscheidet sich auch von denen, die in der Literatur als "low-finesse" und oder "high-
finesse" bezeichnet werden. Er ist auch nicht breitbandig ausgelegt, sondern nur für die
jeweilige Laserwellenlänge berechnet und hergestellt.
Weiterhin kann die Pulsdauer der Laserstrahlung in einem Laserresonator dadurch
verkürzt werden, indem die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht als Niedrig-Temperatur-
Schicht (Low-Temperature) aufgebracht wird, wobei die Pulsdauer niedriger wird, je
niedriger die Wachstumstemperatur gewählt wird.
Besonders gute sättigbar absorbierende Eigenschaften der Bauelemente werden
erreicht, wenn die Deckschicht mit der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht und der
Zwischenschicht eine optische Dicke von λL/2 oder ein ganzes Vielfaches davon hat und mit
den anderen Dicken im Schichtaufbau eine Phasenanpassung hergestellt wird.
Die sättigbar absorbierende Wirkung durch die Wahl der Lage der gitterverspannten
Einfach-Quantenschicht innerhalb des Aufbaues der angrenzenden Schichten einstellbar ist,
wobei diese jeweils eine größere Schichtdicke als die der Einfach-Quantenschicht aufweisen.
Zur weiteren Steigerung der Laserfestigkeit des Sättigbaren Reflektors oder des Sättigbaren
Absorbers ist das Substrat auf einer Wärmesenke befestigt. Diese Wärmesenke sichert neben
der Abführung der Verlustleitung auch die geforderte hohe Konstanz der Peakleistung über
die Zeit.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Aufbau eines Sättigbaren Bragg-Reflektors mit einer gitterverspannten
Einfach-Quantenschicht auf Basis eines GaAs/AlAs-Systems,
Fig. 2 Aufbau eines Sättigbaren Bragg-Reflektors mit einer gitterverspannten
Einfach-Quantenschicht und mit einer Antireflexbeschichtung,
Fig. 3 Aufbau eines Sättigbaren Bragg-Reflektors mit einer eingebetteten
gitterverspannten Einfach-Quantenschicht,
Fig. 4 Aufbau eines Sättigbaren Reflektors mit einer eingebetteten
gitterverspannten Einfach-Quantenschicht auf einem metallischen
Reflektor,
Fig. 5 Aufbau eines Sättigbaren Absorbers mit einer eingebetteten
gitterverspannten Einfach-Quantenschicht auf einem transparenten
Substrat.
Die Erfindung wird an Beispielen eines Sättigbaren Bragg-Reflektors, eines Sättigbaren
Reflektors und eines Sättigbaren Absorbers für das Schichtsystems AlAs/GaAs mit
InxGa1-xAs als gitterverspannte Einfach-Quantenschicht beschrieben. Die für dieses
Schichtsystem hier mitgeteilten, ergänzt durch dem Fachmann allgemein bekannten
Dimensionierungsrichtlinien und Herstellungstechnologien, sind ohne weiteres auf andere
Schichtsysteme übertragbar, die zur Herstellung eines Sättigbaren Reflektors oder Absorbers
Anwendung finden können. Insbesondere gilt dies für die Materialien GaAs, GaP, GaSb,
InAs, InP, InSb, AlAs, AlP, AlSb und deren Legierungen (siehe auch Fig. 15 in US
4,597,638).
Für die genannten und andere Materialien und andere Laserwellenlängen müssen
gegebenenfalls die genannten entsprechende Funktionsverläufe und Abhängigkeiten ermittelt
werden, um eine gezielte Dimensionierung für jedes der Bauelemente vornehmen zu können.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Schichtaufbau eines Sättigbaren Bragg-Reflektors mit einer
gitterverspannten Einfach-Quantenschicht 6, die auf einer letzten Schicht 4' eines Reflektors
2 aufgebracht ist. Der Reflektor 2 ist im Beispiel ein Bragg-Reflektor. Eine gitterverspannte
Einfach-Quantenschicht 6 und eine Deckschicht 7 bilden eine weitere Schichtfolge 3.
Auf einem Substrat 1 sind 28 Schichtpaare aus einem Material 4 mit einem höheren
Brechungsindex nH und aus einem Material 5 mit einem niedrigeren Brechungsindex nL
aufgebaut, die den Bragg-Reflektor bilden. Die Dicken d der Einzelschichten ergeben sich aus
den Brechzahlen der Materialien 4 und 5 für die jeweilige Laserwellenlänge λL = 1064 nm zu
Im Beispiel ist das höher brechende Material 4 GaAs (n = 3,4918) und
das niedriger brechende Material 5 AlAs (n = 2,9520).
Die Berechnung des Bragg-Reflektors kann nach Orazio Svelto: "Prinziples of Lasers", Plenum
Press, fourth edition 1998) erfolgen. Die Schichtdicken der Einzelschichten sind bei einer
Laserwellenlänge λL = 1064 nm für Galliumarsenid
mit jeweils 76 nm und für
Aluminiumarsenid
mit jeweils 90 nm bestimmt.
Auf der letzten Schicht 4' des Reflektors 2 aus GaAs ist die Einfach-Quantenschicht 6 aus
InxGa1-xAs und auf dieser die Deckschicht 7 aus GaAs aufgebracht. Im Beispiel ist die
Einfach-Quantenschicht zwischen den zwei Galliumarsenid-Schichten gitterverspannt. Für
eine Laserwellenlänge von 1064 nm ergibt sich bei einer Dicke der Einfach-Quantenschicht
von 7 nm ein Indiumanteil zu 33%, wie aus der Fig. 2 in R. M. Kolbas, N. G. Anderson, W. D.
Laidig, Yongkun Sin, Y. C. Lo, K. Y. Hsien, Y. J. Yang: "Strained-Layer InGaAs-GaAs-
AlGaAs Photopumped and Current Injection Lasers", IEE Journal of Quantum Electronics,
Vol. 24, No. 8, 1988 entnommen werden kann, wenn der Bandabstand E [in eV] gemäß der
Formel
in die Wellenlänge, hier die Laserwellenlänge λL, umgerechnet wird.
Das Sättigungsverhalten und damit das in einem Laserresonator erzeugte Schaltverhalten und
damit die Pulsdauer sind besonders einfach und reproduzierbar durch die Wahl des Abstandes
der gitterverspannten Indium-Galliumarsenid-Schicht von der Grenzfläche zu einem
umgebenden Medium 10 des Laserresonators einstellbar. Der Abstand wird durch die Dicke
der Deckschicht 7 bestimmt. Diese muß so bemessen sein, daß einerseits die gewünschte
sättigbar absorbierende Wirkung zur Modensynchronisation innerhalb einer Laserkavität
erreicht wird und andererseits eine Grenze der Leistungsfestigkeit der gitterverspannten
Einfach-Quantenschicht 6 nicht überschritten wird.
In der Praxis hat sich gezeigt, daß sich das Schaltverhalten eines Sättigbaren Bragg-
Reflektors, der nur ein Teil eines Laserresonators ist, nicht ausreichend genau theoretisch
voraussagen läßt. Daher wird man durch wenige Versuche die optimale Schichtdicke der
Deckschicht 7 ermitteln, so daß die in den Sättigbaren Bragg-Reflektor einfallende und
rückreflektierte Intensität der Laserstrahlung die Sättigung in dem entsprechenden Grad zur
Erzeugung kurzer Laserpulse in einem Laserresonator liefert. Wichtig ist, daß die Lage der
gitterverspannten Einfach-Quantenschicht 6 von der Lage eines Stehwellenminimums der
Laserstrahlung soweit entfernt liegen muß, daß die erforderliche sättigbar absorbierende
Wirkung erhalten wird, um kurze Laserpulse zum Beispiel im Pikosekunden-Bereich zu
erzeugen. Im Beispiel wurde die Dicke der Deckschicht 7 mit 100 nm gewählt.
Fig. 2 zeigt einen Schichtaufbau, bei dem dessen Schichtfolge 3 gegenüber der in Fig. 1
verändert ist. In diesem Beispiel bilden die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht 6, die
Deckschicht 7 und eine Antireflexbeschichtung 8 die Schichtfolge 3. Durch die
Antireflexbeschichtung 8 aus SiON wird der an der Grenzfläche zum umgebenden Medium
10 reflektierte Anteil der Laserstrahlung reduziert, so daß sich innerhalb des Sättigbaren
Bragg-Reflektors ein höherer Energieeintrag einstellt, der das Schaltverhalten verändert.
Diese Antireflexbeschichtung 8 besteht aus einer
dicken Siliziumoxonitrid-
Schicht. Auch hier ist es am zweckmäßigsten, die optimale Dicke der Zwischenschicht 7
experimentell zu bestimmen.
Fig. 3 zeigt einen Schichtaufbau, bei dem dessen Schichtfolge 3 gegenüber der in Fig. 1
verändert ist. In diesem Beispiel bilden die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht 6, die
Deckschicht 7 und eine Zwischenschicht 9 die Schichtfolge 3. Die Zwischenschicht 9 ist aus
GaAs, auf der die Einfach-Quantenschicht (6) aus InxGa1-xAs mit einem Indiumanteil x = 0,15
aufgebracht ist.
Hier ist hervorzuheben, daß die Einfach-Quantenschicht 6 zwischen zwei GaAs-Schichten
gitterverspannt ist, wobei keine der Schichten Bestandteil des Bragg-Reflektors ist.
Die Schichtdicke der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht wird mit 10 nm festgelegt, so
daß ein Maximum der Absorption bei 910 nm liegt. Bei dieser Wellenlänge liegt in diesem
Beispiel die Laserwellenlänge λL (siehe dazu auch Fig. 2 in J.-Y. Marzin, M. N. Charasse und
B. Sermage "Optical investigation of a new type of valence-band configuartion in InxGa1-xAs-
GaAs strained superlattics", Phys. Rev., vol. B31, pp 8298-8301, 1985). Eine andere Dicke
und eine andere Materialzusammensetzung der Einfach-Quantenschicht 6 liefern ein
Absorptionsmaximum bei einer anderen Laserwellenlänge (siehe Fig. 2 in R. M. Kolbas, N. G.
Anderson, W. D. Laidig, Yongkun Sin, Y. C. Lo, K. Y. Hsien, Y. J. Yang: "Strained-Layer
InGaAs-GaAs-AlGaAs Photopumped and Current Injection Lasers", IEE Journal of Quantum
Electronics, Vol. 24, No. 8, 1988).
Hier kann durch eine Festlegung der Lage der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht 6
innerhalb der aus der Deckschicht 7 und der Zwischenschicht 9 bestehenden GaAs-Schichten
die gewünschte sättigbar absorbierende Wirkung eingestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist,
daß die Gesamtdicke der Schichtfolge 3 sehr gut auf die Laserwellenlänge abgestimmt
werden kann, so daß Phasensprünge an den Grenzflächen der Materialien vermindert werden
oder gar nicht auftreten.
Durch die Wahl der Position der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht 6 zwischen der
Zwischenschicht 9 und der Deckschicht 7 ist eine einfache Möglichkeit gegeben, die
Strahlungsfestigkeit und die sättigbar absorbierende Wirkung (Impulsform) in weiten Grenzen
gezielt zu beeinflussen.
Die Schichtfolge 3 soll insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches i, mit i = 1, 2, 3, . . . von
optisch dick sein, wobei i in der Regel mit 1, 2 oder 3 gewählt ausreichend ist.
Die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht 6 muß jedoch immer von einem
Stehwellenminimum der Laserstrahlung soweit entfernt liegen, daß die erforderliche sättigbar
absorbierende Wirkung erhalten wird. Ist die Einfach-Quantenschicht im
Stehwellenmaximum der Laserstrahlung angeordnet, wurden in einem Laseraufbau die
kürzesten Impulsdauern beobachtet. Allerdings wurde in dieser Lage die geringste
Leistungsfestigkeit des Resonatorspiegels festgestellt. Auch hier hat sich gezeigt, daß die
Impulsform der Laserstrahlung von der Art des Laserresonators abhängig ist, so daß es
zweckmäßig ist, durch mehrere Versuche zu ermitteln, wo die günstigste Lage der
gitterverspannten Einfach-Quantenschicht 6 innerhalb der beiden GaAs-Schichten 7 und 9 ist,
wobei beide Schichten jeweils eine Mindestdicke von
haben sollten um genügend weit
von einem Stehwellenminimum entfernt zu sein und um die Gitterverspannung zu erzeugen.
Die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht 6 ist vorzugsweise außerhalb eines
Intensitätsmaximums der Laserstrahlung angeordnet. Praktisch nutzt die Erfindung eine
Stellung der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht innerhalb der Schichtfolge, die
zwischen dem Stehwellenmaximum und dem Stehwellenminimum der Laserstrahlung liegt.
Auch hier kann die Deckschicht 7 mit der Antireflexbeschichtung 8 beschichtet sein, um den
Energieeintrag in den Sättigbaren Reflektor zu erhöhen (nicht dargestellt).
Fig. 4 zeigt den Aufbau eines Sättigbaren Reflektors, bei dem die Schichtfolge 3 mit einem
Metallspiegel 11 aus Silber verbunden ist. In der WO 96/36906 (Fig. 9) ist beispielhaft
beschrieben, wie ein derartiger Schichtaufbau im Prinzip herstellbar ist. Neu ist hier die
Dimensionierung der Schichtfolge 3, die die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht enthält,
die nach den in Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 genannten Methoden zu dimensionieren ist. In diesem
Beispiel ist die Einfach-Quantenschicht aus InxGa1-xAs, die zwischen der Deckschicht 7 und
der Zwischenschicht 9, beide aus AlyGa1-yAs, gitterverspannt. Mit dem Al-Anteil "y" kann
die Brechzahl der Schichten variiert werden, wobei bei einem hohen Al-Anteil "y" der
Legierungsbestandteil AlAs an der Oberfläche zur Oxidation neigt. Der Gitterabstand ändert
sich bei dieser y-Variation nur gering, siehe z. B. auch Fig. 15 in der US 4,597,638.
Fig. 5 zeigt den Aufbau eines Sättigbaren Absorbers (ohne Reflektor!), der alleinstehend
innerhalb des Strahlenganges eines Laserresonators, zwischen einem der Resonatorspiegel
und einem Lasermedium angeordnet ist.
Auf ein für die Laserwellenlänge transparentes Substrat 1 aus GaAs ist die Schichtfolge 3 aus
der Zwischenschicht 9, der verspannten Einfach-Quantenschicht 6 und der Deckschicht 7
aufgebracht. In diesem Beispiel gehören weiterhin die Antireflexbeschichtungen 8 zum
umgebenden Medium 10 zum Schichtaufbau.
Die Dimensionierung der Schichtfolge 3, die die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht 6
enthält, erfolgt nach den in Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 aufgezeigten Methoden.
Claims (21)
1. Sättigbarer Reflektor für eine Laserwellenlänge λL, bei dem auf einer Oberfläche eines
Substrates (1) ein Reflektor (2) und auf diesem eine Schichtfolge (3) mit einer sättigbar
absorbierenden Wirkung aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schichtfolge (3) eine gitterverspannte Einfach-Quantenschicht (6) und eine Deckschicht
(7) enthält, wobei die Materialzusammensetzung der Einfach-Quantenschicht (6), ihre
Schichtdicke und ihre Verspannung im Schichtaufbau innerhalb eines Wellenlängenbereiches
eine absorbierende Wirkung festlegen, dieser Wellenlängenbereich die Laserwellenlänge λL
beinhaltet, weiterhin der Grad der sättigbaren Wirkung durch eine Wahl des Abstandes
zwischen der verspannten Einfach-Quantenschicht (6) zur Grenzfläche der Deckschicht zu
einem umgebenden gasförmigen Medium (8, 10) festgelegt ist.
2. Sättigbarer Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gitterverspannung der Einfach-Quantenschicht (6) mit der auf einer Seite angrenzenden
letzen Schicht (4') des Reflektors und/oder mit der auf deren anderen Seite angrenzenden
Deckschicht (7) erfolgt.
3. Sättigbarer Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schichtfolge (3) eine zum Reflektor (2) hin angrenzende spannungsarme Zwischenschicht
(9) enthält, und daß die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht (6) von dieser
Zwischenschicht (9) und der Deckschicht (7) eingeschlossen ist.
4. Sättigbarer Reflektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das Material der Zwischenschicht (9) mit dem Material der Deckschicht (7) identisch ist.
5. Sättigbarer Reflektor nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Unterschiede der Gitterabstände der Materialien (4, 5) des Reflektors und des Materials der
Zwischenschicht (9) kleiner 0,005 nm, insbesondere kleiner 0,001 nm sind.
6. Sättigbarer Reflektor nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Reflektor ein Bragg-Reflektor ist, der aus einem ersten Material (4)
mit einem Brechungsindex nH und aus einem zweiten Material (5) mit dem niedrigeren
Brechungsindizes nL besteht, weiterhin die Zwischenschicht (9) und/oder die Deckschicht (7)
aus einem dieser Materialien besteht.
7. Sättigbarer Reflektor nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Reflektor (2) aus Einzelschichten besteht, die jeweils eine Dicke
haben, die für das erste Material (4) mit dem Brechungsindex nH mit undotiertem
Galliumarsenid (GaAs)
und die für das zweite Material (5) mit dem niedrigeren Brechungsindizes nL mit undotiertem Aluminiumarsenid (AlAs)
betragen, weiterhin die Deckschicht (7) und die Zwischenschicht (9) aus einem dieser Materialien (4 oder 5) ist, innerhalb derer die Einfach-Quantenschicht (6) aus Indium-Galliumarsenid (InxGa1-xAs) gitterverspannt ist, wobei der Indium-Anteil (x) und der Gallium-Anteil (1-x) in der Indium- Galliumarsenid-Verbindung und deren Schichtdicke die absorbierende Wirkung als Funktion innerhalb eines Wellenlängenbereiches festlegen, dieser Wellenlängenbereich die Laserwellenlänge λL beinhaltet, bei der ein Maximum des Absorptionsverlaufes liegt.
und die für das zweite Material (5) mit dem niedrigeren Brechungsindizes nL mit undotiertem Aluminiumarsenid (AlAs)
betragen, weiterhin die Deckschicht (7) und die Zwischenschicht (9) aus einem dieser Materialien (4 oder 5) ist, innerhalb derer die Einfach-Quantenschicht (6) aus Indium-Galliumarsenid (InxGa1-xAs) gitterverspannt ist, wobei der Indium-Anteil (x) und der Gallium-Anteil (1-x) in der Indium- Galliumarsenid-Verbindung und deren Schichtdicke die absorbierende Wirkung als Funktion innerhalb eines Wellenlängenbereiches festlegen, dieser Wellenlängenbereich die Laserwellenlänge λL beinhaltet, bei der ein Maximum des Absorptionsverlaufes liegt.
8. Sättigbarer Reflektor nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Reflektor (2) aus Einzelschichten besteht, die jeweils eine Dicke
haben, die für das erste Material (4) mit dem Brechungsindizes nH mit Indium-Galliumarsenid
(In0,53Ga0,47As) mit einem Indiumanteil von 53%
und die für das zweite Material (5) mit dem niedrigeren Brechungsindizes nL mit Indiumphosphid (InP)
betragen, weiterhin die Deckschicht (7) und/oder die Zwischenschicht (9) aus einem dieser Materialien (4 oder 5) ist, unterhalb derer und/oder auf derer die Einfach-Quantenschicht (6) aus Indium- Galliumarsenid (InxGa1-xAs) mit einem Indiumanteil x ungleich 0,53% gitterverspannt ist, wobei der Indiumanteil x und deren Schichtdicke die absorbierende Wirkung als Funktion innerhalb eines Wellenlängenbereiches festlegen.
und die für das zweite Material (5) mit dem niedrigeren Brechungsindizes nL mit Indiumphosphid (InP)
betragen, weiterhin die Deckschicht (7) und/oder die Zwischenschicht (9) aus einem dieser Materialien (4 oder 5) ist, unterhalb derer und/oder auf derer die Einfach-Quantenschicht (6) aus Indium- Galliumarsenid (InxGa1-xAs) mit einem Indiumanteil x ungleich 0,53% gitterverspannt ist, wobei der Indiumanteil x und deren Schichtdicke die absorbierende Wirkung als Funktion innerhalb eines Wellenlängenbereiches festlegen.
9. Sättigbarer Reflektor nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Reflektor ein hochreflektierender Metallspiegel (11) ist, auf dem die
Schichtfolge (3) aufgebaut ist.
10. Sättigbarer Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (7)
eine Passivierungsschicht ist oder die Deckschicht (7) mit einer Entspiegelungsbeschichtung
(8) beschichtet ist, die an ein gasförmiges Medium (10) grenzen.
11. Sättigbarer Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gitterverspannte
Einfach-Quantenschicht (6) eine Niedrig-Temperatur-Schicht ist.
12. Sättigbarer Reflektor nach einem der Ansprüche von 3 bis 8 oder Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Deckschicht (7) mit der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht
(6) und der Zwischenschicht (9) eine optische Dicke von λL/2 oder ein ganzes Vielfaches
davon hat.
13. Sättigbarer Reflektor nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die sättigbar absorbierende Wirkung durch die Wahl der Lage der
gitterverspannten Einfach-Quantenschicht (6) innerhalb des Aufbaues der angrenzenden
Schichten einstellbar ist, wobei diese jeweils eine größere Schichtdicke als die der Einfach-
Quantenschicht aufweisen.
14. Sättigbarer Absorber für eine Laserwellenlänge λL, der aus einer Schichtfolge (3)
mehrerer Halbleiterschichten mit einer sättigbar absorbierenden Wirkung auf einem für die
Laserwellenlänge transparenten Substrat (1) aufgebaut ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Schichtfolge (3) eine gitterverspannte Einfach-Quantenschicht (6) und eine Deckschicht
(7) enthält, wobei die Materialzusammensetzung der Einfach-Quantenschicht (6), ihre
Schichtdicke und ihre Verspannung im Schichtaufbau innerhalb eines Wellenlängenbereiches
eine absorbierende Wirkung festlegen, weiterhin eine sättigbare Wirkung durch eine Wahl des
Position innerhalb der stehenden Wellen eines Laserresonators festgelegt ist.
15. Sättigbarer Absorber nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schichtfolge (3) eine zum Substrat (1) hin angrenzende spannungsarme Zwischenschicht
(9) enthält, und daß die gitterverspannte Einfach-Quantenschicht (6) von dieser
Zwischenschicht (9) und der Deckschicht (7) eingeschlossen ist.
16. Sättigbarer Absorber nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
das Material der Zwischenschicht (9) mit dem Material der Deckschicht (7) identisch ist.
17. Sättigbarer Absorber nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
die Unterschiede der Gitterabstände des Materials des Substrates (1) und des Materials der
Zwischenschicht (9) kleiner 0,005 nm, insbesondere kleiner 0,001 nm sind.
18. Sättigbarer Absorber nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (7)
eine Passivierungsschicht ist oder die Deckschicht (7) mit einer Entspiegelungsbeschichtung
(8) beschichtet ist, die an ein gasförmiges Medium (10) grenzen.
19. Sättigbarer Absorber nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die gitterverspannte
Einfach-Quantenschicht (6) eine Niedrig-Temperatur-Schicht ist.
20. Sättigbarer Absorber nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (7)
mit der gitterverspannten Einfach-Quantenschicht (6) und der Zwischenschicht (9) eine
optische Dicke von λL/2 oder ein ganzes Vielfaches davon hat.
21. Sättigbarer Reflektor nach einem oder mehreren der Ansprüche von 14 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß die sättigbar absorbierende Wirkung durch die Wahl der Lage der
gitterverspannten Einfach-Quantenschicht (6) innerhalb des Aufbaues der Schichten
einstellbar ist, wobei diese jeweils eine größere Schichtdicke als die der Einfach-
Quantenschicht aufweisen.
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