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Die
Erfindung betrifft ein Laserverstärkersystem umfassend
einen
mit einem Kühlkörper thermisch gekoppelten Festkörper
mit einem laseraktiven Volumenbereich, in welchem parallel, zu mindestens
einer quer zu einer optischen Achse verlaufenden Strukturfläche
mindestens ein sich zumindest über einen Teilbereich der
Strukturfläche erstreckendes laseraktives Quantenstruktursystem aus
Halbleitermaterial angeordnet ist und in welchem das mindestens
eine Quantenstruktursystem zwischen beiderseits desselben angeordneten
Barrierenstrukturen angeordnet ist,
eine ein sich quer zu der
mindestens einen Strukturfläche ausbreitendes Pumpstrahlungsfeld
erzeugende Pumpstrahlungsquelle zum optischen Pumpen des laseraktiven
Volumenbereichs derart, dass die Absorption von Pumpstrahlung aus
dem Pumpstrahlungsfeld in dem mindestens einen laseraktiven Quantenstruktursystem
gleich oder größer als die Absorption von Pumpstrahlung
durch die Barrierenstrukturen ist,
und eine ein den laseraktiven
Volumenbereich durchsetzendes Laserverstärkerstrahlungsfeld
definierende Verstärkeroptik.
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Derartige
Laserverstärkersysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Bei
diesen besteht das Problem, das mindestens eine Quantenstruktursystem
sowohl optimal an die Pumpstrahlung anzukoppeln, als auch optimal
an das Laserverstärkerstrahlungsfeld anzukoppeln, da das Pumpstrahlungsfeld
notwendigerweise eine kürzere Wellenlänge aufweist
als das Laserverstärkerstrahlungsfeld.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Laserverstärkersystem der eingangs
beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass in Richtung der optischen Achse beiderseits des laseraktiven
Volumenbereichs jeweils ein Reflektorsystem angeordnet ist, welche
das Pumpstrahlungsfeld derart reflektieren, dass sich in dem laseraktiven
Volumenbereich ein lokal stehender Pumpstrahlungsintensitätsverlauf
ausbildet, welcher in einem mittigen Bereich zwischen den Reflektorsystemen
innerhalb des mindestens einen Quantenstruktursystems Intensitätswerte
von mindestens 60% des lokal nächstliegenden Intensitäts-Maximums
aufweist und dass die Reflektorsysteme das Laserverstärkerstrahlungsfeld
derart reflektieren, dass sich in dem laseraktiven Volumenbereich
ein lokal stehender Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
ausbildet, welcher in dem mittigen Bereich innerhalb desselben mindestens
einen Quantenstruktursystems Intensitätswerte von mindestens
60% des lokal nächstliegenden Intensitäts-Maximums
aufweist.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung
ist darin zu sehen, dass mit dieser durch geeignete Dimensionierung
der Reflektorsysteme die Möglichkeit geschaffen wurde,
das mindestens eine Quantenstruktursystem optimal sowohl an das
Pumpstrahlungsfeld als auch an das Verstärkerstrahlungsfeld
anzukoppeln, obwohl der Pumpstrahlungsintensitätsverlauf
und der Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
jeweils durch reflektierte elektromagnetische Wellen unterschiedlicher
Wellenlänge gebildet werden.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Intensitätswerte des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
mindestens 70%, besser mindestens 80% und noch besser mindestens
90% des nächstliegenden lokalen Intensitäts-Maximums betragen.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die Intensitätswerte des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
mindestens 70%, besser mindestens 80% und noch besser mindestens
90% des nächstliegenden lokalen Intensitäts-Maximums
betragen.
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Eine
besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass in dem mittigen
Bereich mehrere Quantenstruktursysteme angeordnet sind, innerhalb
von welchen sowohl Intensitätswerte des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
als auch Intensitätswerte des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
von mindestens 60% des jeweils nächstliegenden lokalen
Intensitäts-Maximums liegen. Diese Lösung hat
den Vorteil, dass damit die Verstärkung des laseraktiven
Volumenbereichs größer ist.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Intensitätswerte des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
mindestens 70%, besser mindestens 80% und noch besser mindestens
90% des nächstliegenden lokalen Intensitäts-Maximums betragen.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die Intensitätswerte des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
mindestens 70%, besser mindestens 80% und noch besser mindestens
90% des nächstliegenden lokalen Intensitäts-Maximums
betragen.
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Besonders
günstig ist es, wenn der mittige Bereich sich in Richtung
der optischen Achse beiderseits einer Referenzebene bis zu ungefähr
einem Drittel eines Abstandes der Referenzebene von dem jeweiligen Reflektorsystem
erstreckt.
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Es
ist aber auch denkbar, dass sich der mittige Bereich in Richtung
der optischen Achse bis zu ungefähr der Hälfte
eines Abstandes der Referenzebene von dem jeweiligen Reflektorsystem
erstreckt.
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Die
erfindungsgemäßen Randbedingungen lassen sich
noch einfacher realisieren, wenn der mittige Bereich zwischen den
Reflektorsystemen sich in Richtung der optischen Achse bis zu ungefähr
zwei Drittel eines Abstandes der Referenzebene von dem jeweiligen
Reflektorsystem erstreckt.
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Dabei
ist der mittige Bereich stets so definiert, dass dies der Bereich
ist, in welchem die innerhalb desselben liegenden Quantenstruktursysteme
jeweils optimal sowohl an den Pumpstrahlungsintensitätsverlauf
als auch an den Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
dadurch angekoppelt sind, dass innerhalb derselben, das heißt
innerhalb des Bereichs der Erstreckung derselben in Richtung der
optischen Achse, jeweils sowohl ein Intensitäts-Maximum
des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs als auch ein Intensitäts-Maximum
des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs liegt.
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Alternativ
oder ergänzend zu den vorstehend beschriebenen Merkmalen
eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems
lässt sich dieses gemäß einer weiteren
Ausführungsform dahingehend definieren, dass der Festkörper
so aufgebaut ist, dass sich ausgehend von einer im laseraktiven
Volumenbereich liegenden ersten Referenzebene in einer ersten Richtung
parallel zur optischen Achse ein erstes Schichtsystem anschließt,
das ein sowohl das Laserverstärkerstrahlungsfeld als auch
das Pumpstrahlungsfeld reflektierendes erstes Reflektorsystem umfasst
und das zur Ausbildung eines Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
und eines Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs führt,
die in der Referenzebene eine im Wesentlichen identische oder sich
um ein ganzzahliges von 2 Pi (360°) unterscheidende relative
Phasenlage aufweisen.
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Ferner
lässt sich alternativ oder ergänzend zu den vorstehend
beschriebenen Lösungen das erfindungsgemäße
Laserverstärkersystem gemäß einer weiteren
Ausführungsform dahingehend definieren, dass sich ausgehend
von einer im laseraktiven Volumenbereich liegenden zweiten Referenzebene
in einer zweiten zur ersten Richtung entgegengesetzten Richtung
parallel zur optischen Achse ein zweites Schichtsystem anschließt,
das ein sowohl das Laserverstärkerstrahlungsfeld als auch
das Pumpstrahlungsfeld reflektierendes zweites Reflektorsystem umfasst,
und das einen Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
und einen Pumpstrahlungsintensitätsverlauf erzeugt, die
in der zweiten Referenzebene eine im Wesentlichen identische oder
sich um ein ganzzahliges Vielfaches von 2 Pi unterscheidende relative
Phasenlage aufweisen.
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Durch
diese Lösung wird sichergestellt, dass zumindest im Bereich
der ersten und zweiten Referenzebene der Pumpstrahlungsintensitätsverlauf
und der Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
derart ausgebildet sind, dass eine optimale Ankopplung sowohl des
Pumpstrahlungsfeldes als auch des Laserverstärkerstrahlungsfeldes
an das mindestens eine Quantenstruktursystem möglich ist.
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Besonders
günstig ist es dabei, wenn die erste Referenzebene und
die zweite Referenzebene einen Abstand voneinander aufweisen, welcher
maximal 20% eines Abstandes zwischen zwei Intensitätsmaxima des
Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs oder maximal
20% des Abstandes plus einem einfachen bis dreifachen ganzzahligen
Vielfachen des Abstandes entspricht.
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Im
einfachsten Fall ist vorgesehen, dass die erste Referenzebene und
die zweite Referenzebene zusammenfallen und die Phasenlagen des
von dem ersten Schichtsystem erzeugten Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
und des von dem zweiten Schichtsystem erzeugten Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
in den Referenzebenen ungefähr phasensprungfrei ineinander übergehen.
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Ferner
ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die erste Referenzebene
und die zweite Referenzebene zusammenfallen und die Phasenlagen
des von dem ersten Schichtsystem erzeugten Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
und des von dem zweiten Schichtsystem erzeugten Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs in
den Referenzebenen ungefähr phasensprungfrei ineinander übergehen.
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Alternativ
oder ergänzend zu den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen
sieht eine weitere Ausführungsform vor, dass sich an das
mindestens eine Quantenstruktursystem in einer ersten Richtung parallel
zur optischen Achse eine erstes Schichtsystem anschließt,
welches sowohl das Laserverstärkerstrahlungsfeld als auch
das Pumpstrahlungsfeld reflektiert und sowohl beim Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf als
auch bei dem Pumpstrahlungsintensitätsverlauf zu einem
Intensitätswert von mindestens 60% des lokal nächstliegenden
Intensitäts-Maximums in dem mindestens einen Quantenstruktursystem
führt.
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Alternativ
oder ergänzend zu den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen
sieht eine weitere Ausführungsform vor, dass sich an das
mindestens eine Quantenstruktursystem in einer zweiten, der ersten Richtung
entgegengesetzten Richtung parallel zur optischen Achse ein zweites
Schichtsystem anschließt, welche sowohl das Laserverstärkerstrahlungsfeld
als auch das Pumpstrahlungsfeld reflektiert und sowohl beim Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
als auch bei dem Pumpstrahlungsintensitätsverlauf zu einem Intensitätswert
von mindestens 60% des lokal nächstliegenden Intensitäts-Maximums
in dem mindestens einen Quantenstruktursystem führt.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Intensitätswerte des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
mindestens 70%, besser mindestens 80% und noch besser mindestens
90% des nächstliegenden lokalen Intensitäts-Maximums betragen.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die Intensitätswerte des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
mindestens 70%, besser mindestens 80% und noch besser mindestens
90% des nächstliegenden lokalen Intensitäts-Maximums
betragen.
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Zweckmäßigerweise
ist dabei vorgesehen, dass das bei dem Pumpstrahlungsfeld durch
das erste Reflektorsystem erzeugte lokal nächstliegende
Intensitäts-Maximum und das durch das zweite Reflektorsystem erzeugte
lokal nächstliegende Intensitäts-Maximum lokal
ungefähr zusammenfallen.
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Günstig
ist es, wenn bei dem Pumpstrahlungsfeld das vom ersten Reflektorsystem
erzeugte lokal nächstliegende Intensitäts-Maximum
mit dem von dem zweiten Reflektorsystem erzeugte lokal nächstliegende Intensitäts-Maximum
lokal zusammenfällt.
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Ferner
ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass bei dem
Laserverstärkerstrahlungsfeld das von dem ersten Reflektorsystem
erzeugte lokal nächstliegende Intensitäts-Maximum
und das vom zweiten Reflektorsystem erzeugte lokal nächstliegende
Intensitäts-Maximum lokal ungefähr zusammenfallen.
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Dabei
ist es besonders günstig, wenn das bei dem Laserverstärkerstrahlungsfeld
vom ersten Reflektorsystem erzeugte lokal nächstliegende
Intensitäts-Maximum mit dem von dem zweiten Reflektorsystem
erzeugten lokal nächstliegenden Intensitäts-Maximum
lokal zusammenfällt.
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Mit
dieser Lösung lässt sich das mindestens eine Quantenstruktursystem
optimal durch das Pumpstrahlungsfeld pumpen und optimal an das Laserverstärkerstrahlungsfeld
ankoppeln.
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Besonders
optimal ist die Kopplung dann gestaltet, wenn das jeweilige Intensitäts-Maximum
in Richtung der optischen Achse in dem mindestens einen Quantenstruktursystem
liegt, um eine möglichst günstige Ankopplung zu
erreichen.
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Die
Ankopplung ist optimal, wenn das jeweilige Intensitäts-Maximum
in Richtung der optischen Achse im Wesentlichen mittig in dem mindestens
einen Quantenstruktursystem angeordnet ist.
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Um
die Verstärkung des erfindungsgemäßen
Laserverstärkersystems noch zu verbessern, ist vorzugsweise
vorgesehen, dass das erste Schichtsystem mindestens ein weiteres,
zwischen Barrierenstrukturen angeordnetes Quantenstruktursystem
aufweist, welches sich zumindest über einen Teilbereich
einer Strukturfläche erstreckt, die parallel zu der Strukturfläche
des mindestens einen Quantenstruktursystems angeordnet ist.
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Noch
besser ist es, wenn das erste Schichtsystem mehrere, zwischen Barrierenstrukturen
angeordnete Quantenstruktursysteme aufweist, die jeweils in zur
Strukturfläche des mindestens einen Quantenstruktursystems
parallelen Strukturflächen angeordnet sind.
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Desgleichen
ist es günstig, wenn das zweite Schichtsystem mindestens
ein zwischen Barrierenstrukturen angeordnetes und sich zumindest über
einen Teilbereich einer zur Strukturfläche des mindestens
einen Quantenstruktursystems parallelen Strukturfläche
erstreckendes Quantenstruktursystem aufweist.
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Noch
besser ist es, wenn das zweite Schichtsystem mehrere, sich jeweils
in zur Strukturfläche des mindestens einen Quantenstruktursystems
parallelen Strukturflächen über Teilbereich derselben
erstreckende und zwischen Barrierenschichten angeordnete laseraktive
Quantenstruktursysteme aufweist.
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Besonders
günstig ist es, wenn in dem jeweiligen Schichtsystem das
mindestens eine Quantenstruktursystem so angeordnet ist, dass ein
Pumpstrahlungsintensitätsverlauf in dem Quantenstruktursystem
einen Intensitätswert von mindestens einem Drittel des
lokal nächstliegenden Intensitäts-Maximums erreicht.
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Noch
besser ist es, wenn in dem jeweiligen Schichtsystem das mindestens
eine Quantenstruktursystem so angeordnet ist, dass ein Pumpstrahlungsintensitätsverlauf
in dem Quantenstruktursystem einen Intensitätswert von
mindestens zwei Drittel des lokal nächstliegenden Intensitäts-Maximums
erreicht.
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Darüber
hinaus ist bei der erfindungsgemäßen Lösung
vorgesehen, dass in dem jeweiligen Schichtsystem das mindestens
eine weitere Quantenstruktursystem so angeordnet ist, dass in diesem
der Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf einen
Intensitätswert von mindestens einem Drittel des lokal
nächstliegenden Intensitäts-Maximums erreicht.
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Noch
besser ist es, wenn in dem jeweiligen Schichtsystem das mindestens
eine weitere Quantenstruktursystem so angeordnet ist, dass in diesem
der Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf einen
Intensitätswert von mindestens zwei Drittel des lokal nächstliegenden
Intensitäts-Maximums erreicht.
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Hinsichtlich
der Eigenschaften der Reflektorsysteme wurden bislang keine näheren
Angaben gemacht.
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So
wäre es beispielsweise denkbar, den Kühlkörper
als transparenten Körper auszubilden, der entweder für
das Pumpstrahlungsfeld und/oder das Laserverstärkerstrahlungsfeld
transparent ist.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform sieht jedoch vor, dass das
erste Reflektorsystem das Pumpstrahlungsfeld im Wesentlichen vollständig
reflektiert, so dass keine Notwendigkeit dafür besteht,
das Pumpstrahlungsfeld durch den Kühlkörper hindurchzuführen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das
erste Reflektorsystem das Laserverstärkerstrahlungsfeld
im Wesentlichen vollständig reflektiert, so dass ebenfalls
keine Notwendigkeit besteht, das Laserverstärkerstrahlungsfeld
durch den Kühlkörper zu führen.
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Bei
diesen Lösungen hat es sich als zweckmäßig
erwiesen, wenn das zweite Reflektorsystem das Pumpstrahlungsfeld
teilweise reflektiert.
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Somit
besteht beispielsweise die Möglichkeit, das Pumpstrahlungsfeld
durch das zweite Reflektorsystem in den laseraktiven Volumenbereich
einzukoppeln.
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Ferner
ist zweckmäßigerweise ebenfalls vorgesehen, dass
das zweite Reflektorsystem das Laserverstärkerstrahlungsfeld
teilweise reflektiert.
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Damit
besteht ebenfalls die Möglichkeit, das Laserverstärkerstrahlungsfeld
durch das zweite Reflektorsystem aus dem laseraktiven Volumenbereich
auszukoppeln.
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Hinsichtlich
des Aufbaus der Reflektorsysteme wurden bislang keine näheren
Angaben gemacht, außer die, dass die Reflektorsysteme jeweils
Teile von Schichtsystemen sind.
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Die
Reflektorsysteme sind auch dann Schichtsysteme, wenn diese als einen
kontinuierlichen oder kontinuierlich variierenden Brechzahlenverlauf
zeigende Reflektorsysteme erscheinen, da auch diese bei Betrachtung
der einzelnen aufeinanderfolgenden Atomlagen aus Schichten aufgebaut
sind.
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Die
Schichten der Reflektorsysteme könnten aus beliebigem Material
mit geeigneter Brechzahl sein, zum Beispiel Dielektrika umfassen.
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Eine
besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das erste
Reflektorsystem Halbleiterschichten umfasst.
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Zweckmäßigerweise
ist dabei das erste Reflektorsystem so aufgebaut, dass es Halbleiterschichten aus
unterschiedlichem Halbleitermaterial umfasst.
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Eine
besonders einfache Art des Aufbaus des ersten Reflektorsystems sieht
dabei vor, dass das erste Reflektorsystem Halbleiterschichten aus
einem ersten Halbleitermaterial und Halbleiterschichten aus einem zweiten
Halbleitermaterial aufweist, so dass sich das Reflektorsystem zumindest
teilweise aus Halbleiterschichten zweier unterschiedlicher Halbleitermaterialien
aufbauen lässt.
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Besonders
zweckmäßig ist es dabei, wenn die Halbleiterschichten
aus dem ersten Halbleitermaterial und die Halbleiterschichten aus
dem zweiten Halbleitermaterial einander abwechseln.
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Ferner
könnten prinzipiell die Halbleiterschichten dieselbe Dicke
aufweisen.
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Für
die erfindungsgemäße Lösung ist es jedoch
besonders günstig, wenn die Dicke der in Richtung der optischen
Achse aufeinander folgenden Halbleiterschichten variiert.
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Eine
zweckmäßige Ausführungsform sieht dabei
vor, dass die Dicke der in Richtung der optischen Achse aufeinander
folgenden Halbleiterschichten aus demselben Halbleitermaterial variiert,
so dass auch innerhalb desselben Halbleitermaterials die Halbleiterschichten
in ihrer Dicke variieren.
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Zweckmäßigerweise
weist das erste Reflektorsystem als letzte reflektierende Schicht
eine Metallschicht auf, die die Restintensität noch reflektiert
und damit die Notwendigkeit weiterer hinsichtlich der Brechungsindizes
variierender Schichten entfallen lässt.
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Ferner
sieht eine vorteilhafte Ausführungsform vor, dass das zweite
Reflektorsystem Halbleiterschichten umfasst.
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Auch
bei dem zweiten Reflektorsystem hat es sich als günstig
erwiesen, wenn dieses Halbleiterschichten aus unterschiedlichem
Halbleitermaterial umfasst.
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Besonders
günstig ist es dabei, wenn das zweite Reflektorsystem Halbleiterschichten
aus einem ersten Halbleitermaterial und Halbleiterschichten aus
einem zweiten Halbleitermaterial aufweist, so dass zwei unterschiedliche
Halbleitermaterialien ausreichen können, um das zweite
Reflektorsystem aufzubauen.
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Dabei
ist es besonders günstig, wenn die Halbleiterschichten
aus dem ersten Halbleitermaterial und die Halbleiterschichten aus
dem zweiten Halbleitermaterial einander abwechseln, das heißt,
dass in Richtung der optischen Achse eine Halbleiterschicht aus
dem ersten Halbleitermaterial auf eine Halbleiterschicht aus dem
zweiten Halbleitermaterial folgt.
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Prinzipiell
können bei dem zweiten Reflektorsystem die Halbleiterschichten
dieselbe Dicke aufweisen.
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Eine
optimale Anpassung an die geforderten Vorgaben lässt sich
bei der erfindungsgemäßen Lösung jedoch
insbesondere dann erreichen, wenn die Dicke der in Richtung der
optischen Achse aufeinander folgenden Halbleiterschichten variiert.
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Besonders
günstig ist es, wenn die Dicke der in Richtung der optischen
Achse aufeinander folgenden Halbleiterschichten aus demselben Halbleitermaterial
variiert, um insbesondere auch durch diese Dickenvariation optimale
Reflektionseigenschaften für das Pumpstrahlungsfeld und
das Laserverstärkerstrahlungsfeld erreichen zu können.
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Um
am Übergang zwischen der Umgebung und dem Festkörper
eine günstige Anpassung des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
und des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs zu erhalten,
ist vorzugsweise vorgesehen, dass das zweite Reflektorsystem eine
Deckschicht aus dielektrischem Material umfasst.
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Dabei
ist zweckmäßigerweise die Deckschicht auf einer
dem laseraktiven Volumenbereich gegenüberliegenden Seite
des zweiten Reflektorsystems angeordnet.
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Prinzipiell
bestünde die Möglichkeit, in dem ersten Reflektorsystem
und dem zweiten Reflektorsystem und mit unterschiedlichen Halbleitermaterialien
zu arbeiten.
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Eine
besonders günstige Lösung sieht jedoch vor, dass
die Halbleitermaterialien in dem ersten und dem zweiten Reflektorsystem
identisch sind, so dass sich somit die Reflektorsysteme in einfacher
Weise als Schichtsysteme aufbauen lassen.
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Hinsichtlich
des Verlaufs des Pumpstrahlungsfeldes und des Laserverstärkerstrahlungsfeldes
in dem Festkörper wurden bislang keine näheren
Angaben gemacht.
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So
wäre es beispielsweise denkbar, dass das Pumpstrahlungsfeld
und das Laserverstärkerstrahlungsfeld parallel zueinander
verlaufen, beispielsweise parallel zur optischen Achse.
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Eine
derartige Lösung hat den Nachteil, dass sich damit Probleme
bei der Ausbildung des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
und des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
in dem Festkörper ergeben, da das Pumpstrahlungsfeld und
das Laserverstärkerstrahlungsfeld unterschiedliche Wellenlängen
aufweisen und somit die Schwierigkeit besteht, den Pumpstrahlungsintensitätsverlauf
und den Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
in Richtung der optischen Achse im Festkörper lokal stehend
so anzuordnen, dass eine optimale Ankopplung der Quantenstruktursysteme
sowohl an den Pumpstrahlungsintensitätsverlauf als auch
an den Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
möglich ist.
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Aus
diesem Grund sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass das
Pumpstrahlungsfeld und das Laserverstärkerstrahlungsfeld
in unterschiedlichen Raumrichtungen relativ zur optischen Achse
in dem Festkörper verlaufen.
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Der
Verlauf derselben in unterschiedlichen Raumrichtungen relativ zur
optischen Achse ermöglicht es, den in Richtung der optischen
Achse sich ausbildenden Pumpstrahlungsintensitätsverlauf
und den sich in Richtung der optischen Achse ausbildenden Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
in geeigneter Weise zu trennen aneinander anzupassen, insbesondere
derart, dass eine günstige Ankopplung an die Quantenstruktursysteme
möglich ist.
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So
sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass das Pumpstrahlungsfeld
im Wesentlichen parallel zur optischen Achse in dem Festkörper
verläuft.
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Dabei
ist es günstig, wenn das Laserverstärkerstrahlungsfeld
schräg zur optischen Achse in dem Festkörper verläuft.
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Eine
andere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das Laserverstärkerstrahlungsfeld
im Wesentlichen parallel zur optischen Achse in dem Festkörper
verläuft.
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In
diesem Fall ist es günstig, wenn das Pumpstrahlungsfeld
schräg zur optischen Achse in dem Festkörper verläuft.
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Durch
die Anpassung des Verlaufs der Strahlungsfelder in dem Festkörper
ergibt sich die Möglichkeit, in dem laseraktiven Volumenbereich
einen lokal stehenden Pumpstrahlungsintensitätsverlauf
und einen lokal stehenden Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
zu erhalten, die günstig an die jeweiligen Quantenstruktursysteme
ankoppeln.
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Dabei
können im einfachsten Fall das Pumpstrahlungsfeld und das
Laserverstärkerstrahlungsfeld im Wesentlichen in einer
durch die optische Achse hindurch verlaufenden Ebene verlaufen.
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Es
ist aber auch denkbar, dass das Pumpstrahlungsfeld und das Laserverstärkerstrahlungsfeld
sich jeweils in verschiedenen, jeweils durch die optische Achse
hindurch verlaufenden Ebenen ausbreiten.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung
sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen
Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems;
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2 einen
vergrößerten Schnitt durch einen Festkörper
gemäß 1 des erfindungsgemäßen
Laserverstärkersystems parallel zur optischen Achse;
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3 eine
Darstellung eines Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
in dem Festkörper in Richtung der optischen Achse bei dem
ersten Ausführungsbeispiel;
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4 eine
Darstellung eines Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs in
dem Festkörper in Richtung der optischen Achse bei dem
ersten Ausführungsbeispiel;
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5 eine
ausschnittsweise Darstellung des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
in dem Festkörper in Richtung der optischen Achse zwischen
einer Referenzebene und einem Kühlkörper bei dem
ersten Ausführungsbeispiel;
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6 eine
ausschnittsweise Darstellung des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
in dem Festkörper in Richtung der optischen Achse zwischen
der Referenzebene und einem Kühlkörper bei dem
ersten Ausführungsbeispiel;
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7 eine
ausschnittsweise Darstellung des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
in dem Festkörper in Richtung der optischen Achse zwischen
einer Referenzebene und einer Eintrittsseite bei dem ersten Ausführungsbeispiel;
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8 eine
ausschnittsweise Darstellung des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
in dem Festkörper in Richtung der optischen Achse zwischen
der Referenzebene und der Eintrittsseite bei dem ersten Ausführungsbeispiel;
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9 eine
ausschnittsweise Darstellung des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
in dem Festkörper in Richtung der optischen Achse in einem
laseraktiven Volumenbereich bei dem ersten Ausführungsbeispiel;
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10 eine
ausschnittsweise Darstellung des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
in dem Festkörper in Richtung der optischen Achse im laseraktiven
Volumenbereich bei dem ersten Ausführungsbeispiel;
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11 eine
Darstellung gemäß 1 bei einem
zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Laserverstärkersystems;
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12 eine
Darstellung gemäß 2 bei dem
zweiten Ausführungsbeispiel;
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13 eine
Darstellung ähnlich 3 bei dem
zweiten Ausführungsbeispiel;
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14 eine
Darstellung ähnlich 4 bei dem
zweiten Ausführungsbeispiel;
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15 eine
Darstellung ähnlich 5 bei dem
zweiten Ausführungsbeispiel;
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16 eine
Darstellung ähnlich 6 bei dem
zweiten Ausführungsbeispiel;
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17 eine
Darstellung ähnlich 7 bei dem
zweiten Ausführungsbeispiel;
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18 eine
Darstellung ähnlich 8 bei dem
zweiten Ausführungsbeispiel;
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19 eine
Darstellung ähnlich 9 bei dem
zweiten Ausführungsbeispiel;
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20 eine
Darstellung ähnlich 10 bei
dem zweiten Ausführungsbeispiel;
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Tabelle
1 eine tabellarische Darstellung eines Schichtaufbaus des Festkörpers
bei dem ersten Ausführungsbeispiel und
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Tabelle
2 eine tabellarische Darstellung des Schichtaufbaus des Festkörpers
bei dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Laserverstärkersystems.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Laserverstärkersystems, dargestellt in 1 und 2,
umfasst einen aus Halbleiterschichten aufgebauten Festkörper 10,
welcher eine Kühlfläche 12 aufweist,
die mit einer Metallisierung 14 versehen ist, wobei die
Metallisierung mittels einer Lotschicht 16 mit einer Oberfläche 18 eines
als Ganzes mit 20 bezeichneten Kühlkörpers
verbunden ist. Durch die flächenhafte Verbindung zwischen
der Oberfläche 18 des Kühlkörpers 20 und
der Kühlfläche 12 des Festkörpers 10 erfolgt
eine gute thermische Kopplung zwischen dem Festkörper 10 und
dem Kühlkörper 20, um effizient Wärme
aus dem Festkörper 10 in den Kühlkörper 20 abzuführen.
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Der
Festkörper 10 dient zur optischen Verstärkung
eines Laserverstärkerstrahlungsfeldes 30, welches sich
längs einer optischen Achse 32 ausbreitet, die
quer, vorzugsweise senkrecht zur Kühlfläche 12 verläuft.
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Das
Laserverstärkerstrahlungsfeld 30 wird dabei festgelegt
durch eine Verstärkeroptik 40, die einerseits
einen externen Reflektor 42 mit einer dem Festkörper 10 zugewandten
Reflektorfläche 44 und andererseits zwei interne
Reflektorsysteme 46 und 48 aufweist, wobei das
Reflektorsystem 46 in dem Festkörper 10 zwischen
einem laseraktiven Volumenbereich 50 und der Metallisierung 14 angeordnet
ist, während das Reflektorsystem 48 zwischen dem
laseraktiven Volumenbereich 50 und einer der Metallisierung 14 gegenüberliegenden
und ungefähr parallel zur Metallisierung 14 verlaufenden
Eintrittsseite 52 des Festkörpers angeordnet ist,
die ihrerseits wiederum dem externen Reflektor 42 zugewandt
ist.
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Vorzugsweise
erstreckt sich dabei die Eintrittsseite 52 quer, im Wesentlichen
senkrecht zur optischen Achse 32.
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Ferner
erstreckt sich vorzugsweise auch die Reflektorfläche 44 des
externen Reflektors 42 quer, insbesondere im Schnittpunkt
mit der optischen Achse 32 senkrecht zu dieser.
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In
dem laseraktiven Volumenbereich 50 sind mehrere Quantenstruktursysteme 60 angeordnet,
die sich in Strukturebenen 62 erstrecken, wobei die Strukturebenen 62 quer,
vorzugsweise senkrecht zur optischen Achse 32 verlaufen.
Ferner verlaufen die Strukturebenen 62 im Wesentlichen
parallel zueinander.
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Ferner
sind beiderseits jedes Quantenstruktursystems 60 Barrierenstrukturen 64 angeordnet,
deren Funktion nachfolgend noch im Einzelnen erläutert
wird.
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Die
Quantenstruktursysteme 60 umfassen im einfachsten Fall
jeweils nur eine Quantenstruktur, die beispielsweise aus dem Halbleitermaterial
GaAs hergestellt ist und eine Dicke im Bereich von ungefähr
5 nm bis ungefähr 10 nm aufweist.
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Allgemein
kann eine derartige Quantenstruktur quer zu der jeweiligen Strukturfläche 62 eine
Dicke aufweisen, die maximal in der Größenordnung
des 10-fachen, noch besser des einfachen der Wellenlänge
der Elektronen in dem die Quantenstruktur bildenden Halbleitermaterial
ist.
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Damit
legt eine derartige Quantenstruktur die Ausdehnung eines in diesem
vorhandenen Elektronengases fest, so dass ein dimensionslimitiertes
Elektronengas vorliegt.
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Bei
einer flächigen Ausbildung einer Quantenstruktur, beispielsweise
einer flächigen Ausdehnung in der jeweiligen Strukturfläche 62 liegt
ein Quantenfilm vor, in dem ein zweidimensionales Elektronengas
existiert. Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine Quantenstruktur
als eine Vielzahl von sich in der jeweiligen Strukturfläche 62 erstreckenden
Quantendrähte mit einem eindimensionalen Elektronengas
auszubilden, oder es besteht die Möglichkeit, eine Quantenstruktur 60 durch
in der Strukturfläche 62 in einem Muster, beispielsweise
einem regelmäßigen Muster, angeordnete Quantenpunkte
mit einem jeweils nulldimensionalen Elektronengas auszubilden.
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Die
Beschreibung derartiger einfacher Quantenstrukturen findet sich
beispielsweise in dem Buch von Karl-Joachim Ebeling, "Integrierte
Optoelektronik", Springer Verlag 1992, Seite 215 bis 221.
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Alternativ
zur Ausbildung eines Quantenstruktursystems 60 aus einer
einfachen Quantenstruktur, wie vorstehend erwähnt, besteht
aber auch die Möglichkeit, ein derartiges Quantenstruktursystem
aus beispielsweise aus zwei oder drei Quantenstrukturen aufzubauen.
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Eine
weitere geeignete Ausführungsform eines Quantenstruktursystems
sieht vor, dieses aus einer Quantenstrukturgruppe, umfassend jeweils
mehrere Quantenstrukturen, aufzubauen, die jedoch nur durch Tunnelbarrierenstrukturen
voneinander getrennt sind, so dass zwischen den Quantenstrukturen
einer Quantenstrukturgruppe ein Tunneln von Ladungsträgern
erfolgen kann und das optische Pumpen bei einer Quantenstruktur
der Quantenstrukturgruppe erfolgen kann, während die stimulierte
Emission aus einer anderen Quantenstruktur der Quantenstrukturgruppe
erfolgen kann.
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Ein
Pumpen der Quantenstruktursysteme 60 im laseraktiven Volumenbereich
erfolgt vorzugsweise durch ein als Ganzes mit 70 bezeichnetes
Pumpstrahlungsfeld, welches ausgehend von einer Pumpstrahlungsquelle 72 in
den Festkörper eintritt und dabei beispielsweise schräg
auf die Eintrittsseite 52 auftrifft und aufgrund der Brechung
sich im Festkörper 10 näherungsweise
in Richtung der optischen Achse 10, mit einem geringen
Schrägverlauf zu dieser ausbreitet.
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Das
Pumpstrahlungsfeld 70 wird im Festkörper 10 sowohl
von dem Reflektorsystem 46 als auch von dem Reflektorsystem 48 reflektiert,
die somit zusammen in dem Festkörper 10 eine Mikrokavität 72 bilden,
die bewirkt, dass sich im Festkörper 10, und zwar
insbesondere im laseraktiven Volumenbereich 50 des Festkörpers 10,
ein in 4 dargestellter lokal stehender Pumpstrahlungsintensitätsverlauf
PIV ausbildet, der damit auch lokal stehende Intensitäts-Maxima
IMP im laseraktiven Volumenbereich aufweist.
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Da
die Reflektorsysteme 46 und 48 aber auch das Laserverstärkerstrahlungsfeld 30 reflektieren,
ist die Mikrokavität 72 auch für das
Laserverstärkerstrahlungsfeld 30 wirksam, so dass
sich in dem laseraktiven Volumenbereich 50 auch ein lokal
stehender Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
VIV mit lokal stehenden Intensitäts-Maxima IMV ausbildet,
wie in 3 dargestellt.
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Der
detaillierte Aufbau des Festkörpers 10 aus Schichten
im Wesentlichen aus Halbleitermaterial ergibt sich beispielsweise
aus Tabelle 1.
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Tabelle
1 zeigt insgesamt die Zahl der Schichten des Festkörpers 10,
der bei diesem Ausführungsbeispiel insgesamt 119 Schichten
aus Halbleitermaterial plus eine dielektrische Schicht umfasst.
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Dabei
ist die die in Tabelle 1 gezeigte Schicht Nr. 1 die erste Schicht,
die auf die Metallisierung 14 folgt und diese Schicht ist
Teil des Reflektorsystems 46, welches die Schichten 1 bis
83 umfasst.
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Die
Schichten 84 bis 98 bilden den laseraktiven Volumenbereich 50 und
die Schichten 99 bis 120 bilden das Reflektorsystem 48.
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Wie
sich aus der Tabelle 1 ergibt, sind die Reflektorsysteme 46 und 48 hauptsächlich
aus Schichten aus zwei Materialien, nämlich AlAs und Al0,2Ga0,8As
gebildet, wobei die Schichtdicken durch einen Optimierungsvorgang
bestimmt werden, auf welchen nachfolgend im Einzelnen eingegangen
wird.
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Der
laseraktive Volumenbereich 50 umfasst als Quantenstruktursysteme 60 einzelne
Quantenfilme aus GaAs mit Dicken von beispielsweise ungefähr
8 nm, wobei diese voneinander getrennt sind durch Barrierenstrukturen 64 aus
Al0,4Ga0,6As deren Bandabstand größer ist als
der von GaAs, so dass die Barrierenstrukturen 64 das Pumpstrahlungsfeld 70 im
Wesentlichen nicht absorbieren und somit im Wesentlichen lediglich
die Quantenstruktursysteme 60 in der Lage sind, das Pumpstrahlungsfeld 70 zu
absorbieren.
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Bei
der Ermittlung der Schichtdicken der Reflektorsysteme 46 und 48 erfolgt
eine Ermittlung dieser Schichtdicken der Reflektorsysteme 46 und 48 mit
den jeweiligen Schichten des laseraktiven Volumenbereichs 50 nach
folgenden Optimierungskriterien.
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Ausgangspunkt
für die Optimierung ist die Prämisse, dass in
einem mittigen Bereich 74 des laseraktiven Volumenbereichs 50,
beispielsweise umfassend das Quantenstruktursystem 60 der
Schicht 91 als zentrales Quantenstruktursystem 60 und die
Quantenstruktursysteme 60 in den Schichten 89 und 93 als
periphere Quantenstruktursysteme 60 jeweils Intensitäts-Maxima
IMP des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs PIV sowie Intensitäts-Maxima
IMV des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
VIV innerhalb der Ausdehnung der Quantenstruktursysteme 60 in
Richtung der optischen Achse 32 innerhalb der Schichten
91 sowie 89 und 93 liegen, so dass in diesen Quantenstruktursystemen 60 der
Schichten 91 sowie 89 und 93 einerseits ein optimales Pumpen der
Quantenstruktursysteme 60 mit maximal möglicher
Intensität erfolgt und andererseits eine optimale Ankopplung
an das Laserverstärkerstrahlungsfeld 30 erfolgt.
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Der
Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf VIV in
Richtung der optischen Achse 32 mit den Intensitäts-Maxima
IMV ist in 3 dargestellt und der Pumpstrahlungsintensitätsverlauf
PIV in Richtung der optischen Achse 32 mit den Intensitäts-Maxima
IMP ist in 4 jeweils für den gesamten
Festkörper 10 dargestellt.
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Zur
besseren Übersichtlichkeit ist ferner noch in 5 der
Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf VIV und
in 6 der Pumpstrahlungsintensitätsverlauf
PIV im Bereich des Reflektorsystems 46 vergrößert
dargestellt und in 7 und 8 ist der
Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf VIV bzw.
der Pumpstrahlungsintensitätsverlauf PIV im Bereich des
Reflektorsystems 48 vergrößert dargestellt,
wobei die Darstellungen in 5 und 6 bzw. 7 und 8 von
einer Referenzebene 80 ausgehen, die in Richtung der optischen
Achse 32 mittig in dem Quantenstruktursystem 60 der
Schicht 91 und auch mittig in dem laseraktiven Volumenbereich 50 zwischen
den Reflektorsystemen 46, 48 liegt.
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Ferner
sind in 9 und 10 nochmals
vergrößert der Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
VIV bzw. der Pumpstrahlungsintensitätsverlauf PIV innerhalb
des laseraktiven Volumenbereichs 50 dargestellt, wobei
erkennbar ist, dass in dem Quantenstruktursystem 60 in
der Schicht 91, und zwar insbesondere mittig des Quantenstruktursystems 60,
und somit in der Referenzebene 80 das Intensitäts-Maximum
IMV des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
VIV und das Intensitäts-Maximum IMP des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs PIV,
und zwar jeweils mittig derselben, vorzugsweise in der Referenzebene 80 liegen,
so dass der Intensitätswert IWV des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
VIV und der Intensitätswert IWP des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
PIV maximal ist.
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Bei
einer derartigen, im Wesentlichen mittigen Anordnung der Maxima
IMV und IMP des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
VIV bzw. Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs PIV resultiert
dann bei geeigneter Lage der nächstbenachbarten Quantenstruktursysteme 60 in
den Schichten 89 und 93, die in geeignetem Abstand von der Schicht
91 angeordnet sind, ebenfalls, dass der Intensitätswert
IWV dem lokal nächstliegenden jeweiligen Intensitäts-Maximum
IMV des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
VIV entspricht und der Intensitätswert IWP dem lokal nächstliegenden
jeweiligen Intensitäts-Maximum IMP des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
PIV in Richtung der optischen Achse 32 entspricht, da die
Intensitäts-Maxima IMV und IMP ebenfalls noch innerhalb
des jeweiligen Quantenstruktursystems 60 dieser Schicht
liegen und somit in diesem Quantenstruktursystem 60 in
den Schichten 89 und 93 ebenfalls noch die Möglichkeit
gegeben ist, einerseits das Quantenstruktursystem 60 optimal
zu pumpen und andererseits eine optimale Ankopplung an das Laserverstärkerstrahlungsfeld 30 zu
erreichen.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung wurde somit
die optimale Möglichkeit geschaffen, in dem mittigen Bereich 74 des
laseraktiven Volumenbereichs 50 die in mindestens einem
der Quantenstruktursysteme 60, vorzugsweise dem Quantenstruktursystem 60 der
Schicht 91, noch besser bei mehreren Quantenstruktursystemen 60,
vorzugsweise den Quantenstruktursystemen 60 der Schichten
91 sowie 89 und 93, mit dem Pumpstrahlungsfeld 70 das jeweilige
Quantenstruktursystem 60 optimal optisch zu Pumpen und
andererseits dieses optimal an das Laserverstärkerstrahlungsfeld 30 anzukoppeln.
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Dabei
liegen die optimal für die Laserverstärkertätigkeit
eingesetzten Quantenstruktursysteme 60 alle in einer Entfernung
von dem Kühlkörper 20, die noch zu günstigen
Ergebnissen führt und andererseits noch so, dass in einer
möglichst große Zahl von Quantenstruktursystemen 60 in
dem laseraktiven Volumenbereich 50 einerseits ein optisches
Pumpen mit dem Pumpstrahlungsfeld 70 effizient möglich
ist und andererseits noch eine effiziente Ankopplung an das Laserverstärkerstrahlungsfeld 30,
um somit eine optimale Verstärkung bei der Lasertätigkeit
zu erreichen.
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Die
Festlegung des Aufbaus des Festkörpers 10 erfolgt
vorzugsweise durch Festlegung des mittigen Bereichs 74,
insbesondere in der exakten Mitte des laseraktiven Volumenbereichs 50.
Außerdem wird für die Dimensionierung der Schichten
die Referenzebene 80 in zwei Referenzebenen, nämlich
in eine erste Referenzebene 80a und eine zweite Referenzebene 80b zerlegt,
die zunächst nicht zwangsläufig in der Referenzebene 80 zusammenfallen
müssen.
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Ausgehend
von einer ersten mittig in die Schicht 91 gelegten Referenzebene 80a lässt
sich, wie beispielhaft in 5 und 6 dargestellt,
ein sich in einer ersten Richtung 92 parallel zur optischen
Achse 32 erstreckendes, zwischen der Referenzebene 80a und
der Metallisierung 14 liegendes Schichtsystem 86 optimieren,
und zwar einerseits mit der Vorgabe, dass dieses Schichtsystem 86 noch
drei Quantenstruktursysteme 60 innerhalb des Laservolumenbereichs 50 umfassen
soll und im Übrigen die Schichten 1 bis 83 des Reflektorsystems 46.
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Ferner
wird für die Optimierung des Schichtsystems 86 vorgegeben,
dass sowohl der Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
VIV als auch der Pumpstrahlungsintensitätsverlauf PIV in
der Referenzebene 80a, dieselbe relative Phasenlage, im
einfachsten Fall, Intensitäts-Maxima IMV und IMP, aufweisen
sollen, so dass die Referenzebene 80a im absoluten Maximum
derselben liegt, das heißt beide Intensitätsverläufe,
nämlich der Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
VIV und der Pumpstrahlungsintensitätsverlauf PIV sollten
sich ausgehend von der Referenzebene 80 und beginnend mit
einem Intensitäts-Maximum IMV und IMP zur Metallisierung
zum Kühlkörper 20 hin erstrecken, wobei
das Spiegelsystem 46 sowohl das Verstärkerstrahlungsfeld 30 als
auch das Pumpstrahlungsfeld 70 mit maximaler Reflektivität,
das heißt einer Reflektivität von mehr als 95%, reflektiert
werden soll.
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Ferner
wird, ausgehend von einer in Richtung der optischen Achse 32 mittig
der Schicht 91 angeordneten Referenzebene 80b, das sich
in einer zur ersten Richtung 29 entgegengesetzten zweiten
Richtung 94 parallel zur optischen Achse 32 erstreckenden
und die Schichten 99 bis 120 umfassende Schichtsystem 88 so konfiguriert,
dass dieses Schichtsystem noch weitere Quantenstruktursysteme 60,
beispielsweise die Quantenstruktursysteme 60 in den Schichten
93, 95 und 97, sowie das Reflektorsystem 48 umfasst und
dabei zur Ausbildung sowohl eines Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
VIV als auch eines Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs PIV
führt, der genau in der Referenzebene 80b dieselbe
relative Phasenlage, im einfachsten Fall Intensitäts-Maxima
IMV bzw. PIV aufweist.
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Ferner
wird für das Reflektorsystem 48 in diesem Fall
eine Reflektivität im Bereich zwischen ungefähr 50%
bis ungefähr 99% gewählt, so dass durch das Reflektorsystem 48 eine
Auskopplung des Laserverstärkerstrahlungsfeldes 30 und
gleichzeitig eine Einkopplung des Pumpstrahlungsfelds 70 möglich
ist.
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Um
den Pumpstrahlungsintensitätsverlauf PIV beim Hindurchtreten
durch die Eintrittsseite 52 nicht zu stören, werden
für den Schutz der Schicht 118 eine aus Al0,2Ga0,8As gebildete
Schicht 119 und eine weitere als Deckschicht 90 ausgebildete
dielektrische Schicht 120 vorgesehen, wobei die Schicht 120 mit
ihrer freien Oberfläche dann unmittelbar die Eintrittsseite 52 bildet
und mit einer derartigen Dicke versehen ist, dass, wie in 8 dargestellt,
der Übergang von der Schicht 119 in die Schicht 120 ungefähr
im Bereich eines Minimums oder nahe eines Minimums des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
PIV erfolgt.
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In
gleicher Weise wird auch der Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
VIV so angepasst, dass beim Übergang von der Schicht 119
in die dielektrische Schicht 120 ungefähr ein Minimum desselben
vorliegt, wie in 7 dargestellt.
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Ferner
ist die zwischen der Schicht 119 und der Eintrittsseite 52 liegende
Schicht 120, welche aus einem dielektrischen Material hergestellt
ist und als dielektrische λ-Viertelschicht ausgebildet
ist, die verhindert, dass sich am optisch "harten Übergang"
zwischen dem Halbleitermaterial und der Luft mit einem sehr großen Brechzahlensprung
ein Maximum des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs PIV und
des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs VIV
ausbildet, so dass die Möglichkeit besteht, ein Minimum
des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs PIV und des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
VIV am Übergang zwischen der Schicht 118 und der Schicht
119 zu erhalten.
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Der
Abstand der Referenzebenen 80a und 80b kann grundsätzlich
so gewählt werden, dass zwischen den beiden Referenzebenen 80a und 89b kein
Phasensprung des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
VIV und des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs PIV auftritt
und somit in der Mikrokavität 72 ein phasensprungfreier Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
VIV und ein phasensprungfreier Pumpstrahlungsintensitätsverlauf
PIV vorliegen.
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Liegen
in den Referenzebenen 80a und 80b jeweils Intensitäts-Maxima
IMV und IMP und führt man die beiden Referenzebenen 80a und 80b zu
der gemeinsamen Referenzebene 80 zusammen, so liegt in
dieser Referenzebene 80 genau ein Intensitäts-Maximum
IMV des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
VIV und ein Intensitäts-Maximum IMP des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
PIV und in dem laseraktiven Volumenbereich 50 liegen zumindest
die nächstliegenden Intensitäts-Maxima IMV des
Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs VIV und
die Intensitäts-Maxima IMP des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
PIV symmetrisch zur Referenzebene 80.
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Zur
Optimierung der Schichtdicken und der Zahl der Schichten des Schichtsystems
86 ausgehend
von der Referenzebene
80a und des Schichtsystems
88 ausgehend
von der Referenzebene
80b kann beispielsweise analog zur
Vorgehensweise in
Electronic Letters, September 1996, Vol.
32, Nr. 19, Seite 1782 vorgegangen werden oder alternativ
dazu gemäß dem Artikel von
Tikhonravor
in APPLIED OPTICS, Vol. 35, No. 28, Oct. 1996, Seite 5493 oder
dem vereinfachten
Needle Algorithmus des Optimierungsprogramms
"Spektrum" des Laserzentrums Hannover, Autor: Dr. Manfred Diekmann.
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Eine
weitere Vorgehensweise zur Festlegung der Schichtdicken der Schicht
in den Schichtsystemen 86 und 88 sieht vor, dass
die Reflektivität für eine der Wellenlängen,
beispielsweise für die Wellenlänge des Laserverstärkerstrahlungsfeldes 30,
festgelegt wird und außerdem die Reflektivität
für das Pumpstrahlungsfeld 70 dadurch erreicht
wird, dass gemäß der vorstehend beschriebenen
Vorgehensweise ermittelten Schichtdicken noch zusätzliche
Dickenvariationen gemäß einer Schwebungsfrequenz
zugeschlagen werden, so dass sich dadurch auch für die
Wellenlänge des Pumpstrahlungsfeldes 70 die gewünschten
Reflektionswerte ergeben.
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Es
können aber auch die vorstehend beschriebenen Vorgehensweisen
in geeigneter Form miteinander kombiniert werden.
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Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Laserverstärkersystems erfolgt durch den Einfall des Pumpstrahlungsfelds 70,
schräg relativ zur optischen Achse 30, aufgrund
des in Richtung der optischen Achse 32 verkürzten
K-Vektors die Ausbildung des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
PIV in der Mikrokavität 72 mit einem lokalen Verlauf,
der dem einem parallel zur optischen Achse 32 einfallenden
Pumpstrahlungsfeld mit einer größeren Wellenlänge
entspricht. Beispielsweise erfolgt bei einem schräg einfallenden Pumpstrahlungsfeld
von 808 nm die Ausbildung eines Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs
PIV in der Mikrokavität 72 in Richtung der optischen
Achse 32 mit einem lokalen Verlauf der dem, einem in Richtung
der optischen Achse 32 einfallenden Pumpstrahlungsfeld
mit einer Wellenlänge von ungefähr 818 nm entsprechen würde.
Folglich sind die Reflektorsysteme 46 und 48 so
auszubilden, dass diese sowohl das ungefähr parallel zur
optischen Achse 32 einfallende Laserverstärkerstrahlungsfeld 30 bei
einer Wellenlänge von 855 nm und das schräg zur
optischen Achse 32 einfallende Pumpstrahlungsfeld 70 mit
einer Wellenlänge von 808 nm dadurch reflektieren, dass
die Reflektorsysteme 46 und 48 eine geeignete
Reflektivität und Phasenlage aufweisen, die sowohl bei
855 nm als auch bei 818 nm wirksam ist.
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Im
Gegensatz dazu ist bei einem zweiten Ausführungsbeispiel,
dargestellt in 11 vorgesehen, dass das Pumpstrahlungsfeld 70 ungefähr
parallel zur optischen Achse 32 in den Festkörper 10 eintritt,
während das Laserverstärkerstrahlungsfeld 30' mit
einer Raumrichtung schräg zur optischen Achse 32 in
den Festkörper 10 eintritt und durch zwei externe
Reflektoren 31a und 31b reflektiert wird.
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Dies
führt dazu, dass die Reflektorsysteme 46'' und 48'' so
auszulegen sind, dass sie bei dem ungefähr parallel zur
optischen Achse 32 einfallenden Pumpstrahlungsfeld 70',
beispielsweise von 808 nm, wirksam sind, die in der Mikrokavität 72 zu
einem Pumpstrahlungsintensitätsverlauf PIV führt,
der der Wellenlänge des Pumpstrahlungsfelds 70',
beispielsweise von 808 nm, entspricht.
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Im
Gegensatz dazu breitet sich bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
das Laserverstärkerstrahlungsfeld 70' schräg
zur optischen Achse 32 aus und führt deshalb zur
Ausbildung eines Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
VIV innerhalb des Festkörpers 10 in Richtung der
optischen Achse 32, der dem lokalen Intensitätsverlauf
eines sich parallel zur optischen Achse 32 ausbreitenden
Laserverstärkerstrahlungsfeld bei einer Wellenlänge
von ungefähr 870 nm entspricht.
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Das
heißt, dass in diesem Fall die Reflektorsysteme 46 und 48 so
zu dimensionieren sind, dass sie sowohl den lokal stehenden Pumpstrahlungsintensitätsverlauf
PIV gemäß einer Wellenlänge von 808 nm
aufbauen als auch den lokal stehenden Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf
VIV mit einem lokalen Verlauf entsprechend dem einer in Richtung
der optischen Achse 32 einfallenden Wellenlänge
von ungefähr 870 nm.
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Bei
einer derartigen Differenz der für die Ausbildung des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs
VIV relevanten Wellenlänge und der für den Pumpstrahlungsintensitätsverlauf
PIV relevanten Wellenlänge ist es schwierig, Reflektorsysteme 46 und 48 mit
geeigneter Reflektivität und Phasenlage zu schaffen.
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Aus
diesem Grund werden die Reflektorsysteme 46 und 48 so
ausgewählt, dass diese zwei Reflektivitätsmaxima
aufweisen, die entsprechend den zu reflektierenden Wellenlängen
ausgewählt sind.
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Der
detaillierte Aufbau des Festkörpers 10' ist in
Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2 zeigt insgesamt die Zahl der Schichten
des Festkörpers 10', der bei diesem Ausführungsbeispiel
insgesamt 118 Schichten aus Halbleitermaterial und eine unmittelbar
an die Eintrittsseite 52 angrenzende dielektrische Schicht
umfasst.
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Die
Schicht 1 ist dabei – in gleicher Weise wie beim ersten
Ausführungsbeispiel – die erste Schicht, die auf
die Metallisierung 14 folgt und diese Schicht ist bereits
Teil des ersten Reflektorsystems 46', welches die Schichten
1 bis 84 umfasst.
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Die
Schichten 85 bis 99 bilden den laseraktiven Volumenbereich 50' und
die Schichten 100 bis 119 bilden das zweite Reflektorsystem 48'.
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Wie
sich aus der Tabelle 2 ergibt, umfassen die Reflektorsystems 46' und 48' hauptsächlich
Schichten aus zwei Materialien, nämlich AlAs und Al0,2Ga0,8As,
wobei die Schichtdicken dieser Schichten in Richtung der optischen
Achse 32 in gleicher Weise wie im Zusammenhang mit dem
ersten Ausführungsbeispiel beschrieben optimiert sind.
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Der
laseraktive Volumenbereich 50' umfasst die Quantenstruktursysteme 60,
die aus demselben Halbleitermaterial gebildet sind wie beim ersten
Ausführungsbeispiel, nämlich aus GaAs, und voneinander
getrennt sind durch Barrierenstrukturen Al0,4Ga0,6As, deren Bandabstand
in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben,
größer ist als der der Quantenstruktursysteme 60,
so dass die Barrierenstrukturen 64 das Pumpstrahlungsfeld 70' im
Wesentlichen nicht absorbieren und somit im Wesentlichen lediglich
die Quantenstruktursysteme 60 optisch gepumpt werden.
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Auch
bei dem zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt, wie in 13 und 14 dargestellt,
eine Optimierung der Schichtdicken der Reflektorsysteme 46 und 48 in
Verbindung mit den jeweiligen Schichten des laseraktiven Volumenbereichs 50 so,
dass bei diesem Ausführungsbeispiel das Quantenstruktursystem 60 in der
Schicht 92 das Quantenstruktursystem ist, durch welches die Referenzebene 80,
und zwar in Richtung der optischen Achse 32 mittig, hindurchgelegt
wird.
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Ferner
erfolgt wiederum eine Optimierung der Schichtsysteme 86' und 88' in
gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Karl-Joachim
Ebeling, "Integrierte Optoelektronik", Springer Verlag 1992, Seite
215 bis 221 [0117]
- - Electronic Letters, September 1996, Vol. 32, Nr. 19, Seite
1782 [0148]
- - Tikhonravor in APPLIED OPTICS, Vol. 35, No. 28, Oct. 1996,
Seite 5493 [0148]
- - Needle Algorithmus des Optimierungsprogramms "Spektrum" des
Laserzentrums Hannover, Autor: Dr. Manfred Diekmann [0148]
