DE102008040188A1 - Multimode laser i.e. laser diode, has optical element arranged at discharging surface for selectively filtering transverse modes of higher order, where thickness of optical element and wavelength of laser satisfies preset equation - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Laser mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie ein Verfahren zur Erzeugung von kohärenter Strahlung mit den im Anspruch 12 genannten Merkmalen.The The invention relates to a laser with the features mentioned in claim 1 and a method for generating coherent radiation with the features mentioned in claim 12.
Bei der Erzeugung eines Laserstrahls kommt es je nach Resonatortyp des verwendeten Lasers zu erheblichen Unterschieden hinsichtlich der Strahlqualität. So entstehen beim Betrieb eines Halbleiterlasers sowohl Longitudinalmoden als auch Transversalmoden. Transversalmoden sind Folge von Beugungs- und Interferenzphänomenen im Resonator und spiegeln die räumliche Verteilung der Schwingungsenergie im Resonator wider. Die Transversalmode nullter Ordnung (auch als TEM00 bezeichnet) wird nachfolgend als Grundmode bezeichnet. Zur Erzielung einer hohen Strahlqualität ist es insbesondere wichtig, die Transversalmoden höherer Ordnung im Vergleich zur Grundmode zu derart unterdrücken, dass ein Single-Mode-Betrieb realisiert werden kann.In the generation of a laser beam, depending on the type of resonator of the laser used, there are significant differences in the beam quality. Thus, when operating a semiconductor laser, both longitudinal modes and transverse modes are produced. Transverse modes are the result of diffraction and interference phenomena in the resonator and reflect the spatial distribution of the vibrational energy in the resonator. The zero order transverse mode (also referred to as TEM 00 ) will be referred to hereinafter as the fundamental mode. In order to achieve a high beam quality, it is particularly important to suppress the transverse modes of higher order compared to the fundamental mode in such a way that a single-mode operation can be realized.
Bei Hochleistungs-Halbleiterlasern ist es wünschenswert, dass die Mantelschicht einerseits eine große Bandlücke (hohe Barriere gegen Leckströme) und der Wellenleiter eine geringe Bandlücke (für eine niedrige Flussspannung) aufweist. Das führt jedoch zu starken Unterschieden im Brechungsindex zwischen dem Wellenleiter und der ihn umgebenden Mantelschicht, sodass Transversalmoden höherer Ordnung auftreten, welche die Grundmode aufgrund von Interferenzerscheinungen stören oder beeinflussen können. Das Ausfiltern dieser störenden Moden höherer Ordnung mit konventionellen Mitteln (z. B. einer Modenblende) kann technisch aufwendig und relativ teuer sein.at High-power semiconductor lasers, it is desirable that the cladding layer on the one hand a large band gap (high barrier against leakage currents) and the waveguide one low band gap (for a low forward voltage) having. However, this leads to strong differences in the Refractive index between the waveguide and the surrounding cladding layer, so that transversal modes of higher order occur, which disturb the fundamental mode due to interference phenomena or influence. The filtering out of this disturbing Higher order modes by conventional means (e.g. a mode aperture) can be technically complex and relatively expensive.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem mehrmodalen Laser (auch als Multimode-Laser bezeichnet) mit einfachen und preiswerten technischen Mitteln unerwünschte Transversalmoden höherer Ordnung innerhalb des Resonators zu unterdrücken, so dass ein Single-Mode-Betrieb realisiert werden kann. Insbesondere soll die Grundmode effektiver als die Transversalmoden höherer Ordnung verstärkt werden.Of the The present invention is therefore based on the object at a multimode laser (also called multimode laser) with simple and cheap technical means unwanted transverse modes higher order within the resonator to suppress so that a single-mode operation can be realized. Especially the fundamental mode should be more effective than the transversal modes higher Order to be strengthened.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Laser mit dem in Anspruch 1 und ein Verfahren mit dem im Anspruch 12 genannten Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.These The object is achieved by a laser with the in claim 1 and a method with that in claim 12 Characteristics solved. Preferred embodiments are in the Subclaims included.
Die Idee der Erfindung besteht darin, den Resonator eines Laser durch mindestens eine Frontfacette (auch Austrittsfacette genannt) und mindestens eine Rückfacette auszubilden, wobei die Rückfacette vorzugsweise hochreflektiv für die Wellenlänge der vom aktiven Medium erzeugten Strahlung (bevorzugt Reflektivität R > 90%, noch bevorzugter R > 99%) und die Frontfacette erfindungsgemäß eine ausreichende Reflexion für die Grundmode zur Erreichung eines stabilen Laserbetriebs, jedoch eine nicht ausreichende Reflexion für mindestens eine Transversalmode höherer Ordnung (bevorzugt für alle Transversalmoden höherer Ordnung) aufweist, so dass der Verlust für die mindestens eine Transversalmode höherer Ordnung innerhalb des Resonators derart groß ist, dass diese nicht zu einem stabilen Laserbetrieb gelangen.The The idea of the invention is to drive through the resonator of a laser at least one front facet (also called exit facet) and form at least one back facet, the back facet preferably highly reflective for the wavelength the radiation generated by the active medium (preferably reflectivity R> 90%, more preferably R> 99%) and the front facet According to the invention sufficient reflection for the basic mode to achieve a stable laser operation, however an insufficient reflection for at least one transverse mode higher order (preferred for all transversal modes higher order), so that the loss for the at least one transversal mode of higher order within of the resonator is so large that it does not become a stable laser operation.
Da sämtliche innerhalb des Lasers propagierende Strahlung die gleiche Wellenlänge oder nahezu gleiche Wellenlänge besitzt, wird die selektive Reflexion der Grundmode und der Transversalmoden höherer Ordnung erfindungsgemäß durch ein Interferenzelement, vorzugsweise ein dünne optische Schicht realisiert. Die Idee der Erfindung besteht darin, dass die einzelnen Transversalmoden unter einem unterschiedlichen Winkel (bezogen auf die Längsachse des Resonators) innerhalb des Resonators propagieren, so dass die Strahlungsenergie der einzelnen Transversalmoden auch unter einem (spezifischen) unterschiedlichen Winkel auf die (vorzugsweise) quer bzw. senkrecht zur Längsachse des Resonators (bzw. zur Strahlhauptausbreitungsrichtung) angeordnete Frontfacette treffen. Aufgrund der unterschiedlichen Auftreffwinkel auf die Frontfacette hängt die Reflektivität des (die Frontfacette ausbildenden oder des in der Frontfacette enthaltenden) Interferenzelements für die einzelnen Transversalmoden insbesondere auch von der Dicke des (vorzugsweise planren) Interferenzelements ab. Daher kann die Dicke so gewählt werden, dass die Reflektivität für die Grundmode höher als die Reflektivität für die mindestens eine Transversalmode höherer Ordnung (bevorzugt für alle Transversalmoden höherer Ordnung) ist. Ferner werden die Anregungsbedingungen (beispielsweise der Strom bei einem Halbleiterlaser) derart eingestellt, dass die erhöhte Reflektivität für die Grundmode für einen stabilen Laserbetrieb ausreicht, jedoch für die mindestens eine Transversalmode höherer Ordnung (bevorzugt für alle Transversalmoden höherer Ordnung) kein stabilen Laserbetrieb realisiert wird. Dadurch kann erfindungsgemäße ein Single-Mode-Betrieb mit einfachen technischen Mitteln realisiert werden.There all radiation propagating within the laser the same wavelength or almost the same wavelength has, the selective reflection of the fundamental mode and the transverse modes becomes higher Order according to the invention by an interference element, preferably realized a thin optical layer. The The idea of the invention is that the individual transverse modes at a different angle (relative to the longitudinal axis of the resonator) within the resonator, so that the Radiation energy of the individual transverse modes also under one (specific) different angles on the (preferably) transversely or perpendicular to the longitudinal axis of the resonator (or to Beam main propagation direction) arranged front facet meet. Due to the different angles of incidence on the front facet depends on the reflectivity of the (the front facet forming or in the front facet containing) interference element for the individual transversal modes in particular also of the thickness of the (preferably planar) interference element. Therefore the thickness can be chosen so that the reflectivity for the fundamental mode higher than the reflectivity for the at least one transverse mode higher Order (preferred for all transversal modes higher Order). Further, the excitation conditions (for example the current in a semiconductor laser) is set such that the increased reflectivity for the fundamental mode is sufficient for a stable laser operation, but for the at least one transversal mode of higher order (preferred for all transversal modes of higher order) none stable laser operation is realized. This can according to the invention realized a single-mode operation with simple technical means become.
Das
die Frontfacette des Resonators (das Interferenzelement) weist vorzugsweise
eine Reflektivität zwischen 0.5–20%, noch bevorzugter
zwischen 1.0–10% bezogen auf die durch das aktive Medium (
Vorzugsweise ist der Laser ein Halbleiterlaser, dessen aktives Medium von einem Wellenleiter (Kern) und einer diesen Kern umgebende Mantelschicht umgeben ist. Dann kann ein Single-Mode-Betrieb erfindungsgemäß trotz hoher Brechzahlunterschiede zwischen Wellenleiter (Kern) und Mantelschicht erreicht werden. Ein solches hoher Brechzahlunterschiede ist insbesondere notwendig, um bei Hochleistungs-Halbleiterlasern eine große Bandlücke der Mantelschicht (hohe Barriere gegen Leckströme) und geringe Bandlücke des Kerns (für eine niedrige Flussspannung) zu erreichen. Die Brechzahl des Kern liegt vorzugsweise zwischen 3.5 und 3.3 und die Brechzahl der Mantelschicht liegt vorzugsweise zwischen 3.4 und 3.0. Die Bandlücke des den Kern ausbildenden Materials liegt vorzugsweise zwischen 1.4-eV und 1.9-eV und die Bandlücke des die Mantelschicht ausbildenden Materials liegt vorzugsweise zwischen 1.7-eV und 2.2-eV. (alles für AlGaAs Beispiel)Preferably the laser is a semiconductor laser whose active medium is from a Waveguide (core) and a surrounding this core cladding layer is surrounded. Then, a single-mode operation according to the invention despite high refractive index differences between waveguide (core) and cladding layer be achieved. Such a high refractive index difference is in particular necessary to make a great deal of high power semiconductor lasers Band gap of the cladding layer (high barrier against leakage currents) and low bandgap of the core (for a low Flow voltage). The refractive index of the core is preferably between 3.5 and 3.3 and the refractive index of the cladding layer is preferably between 3.4 and 3.0. The band gap of the core forming Materials is preferably between 1.4 eV and 1.9 eV and the Band gap of the cladding layer forming material is preferably between 1.7 eV and 2.2 eV. (everything for AlGaAs example)
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auf die Verwendung einer Modenblende zur Unterdrückung von Transversalmoden höherer Ordnung verzichtet werden kann. Dadurch kann der Aufbau des Lasers vereinfacht werden.One Another advantage is that on the use of a mode aperture for suppression of transversal modes higher Order can be waived. This can change the structure of the laser be simplified.
Die vorliegende Erfindung geht in diesem Sinne im Grundsatz von einem mehrmodalen Laser mit optisch aktivem Medium und einem Wellenleiter aus, die in einem Resonator zwischen einer Frontfacette (auch Austrittsfacette genannt) und einer Rückfacette angeordnet sind, wobei eine Vielzahl von Transversalmoden, darunter eine Grundmode und mindestens eine Transversalmode höherer Ordnung, innerhalb des Wellenleiters erzeugt ist und jede Transversalmode in Bezug auf die Innenwandung des Wellenleiters unter einem für ihn spezifischen Auftreffwinkel entlang des Wellenleiters (mit einem longitudinalen und einem transversalen Richtungsanteil) propagiert. Als longitudinaler Richtungsanteil wird ein Richtungsanteil entlang der Längsachse (Strahlungs-Hauptausbreitungsrichtung) und als transversaler Richtungsanteil wird ein Richtungsanteil quer zur Längsachse verstanden.The The present invention is in principle in this sense of a multimode laser with optically active medium and a waveguide, in a resonator between a front facet (also exit facet called) and a Rückfacette are arranged, wherein a Variety of transversal modes, including a fundamental mode and at least a transversal mode of higher order, within the waveguide is generated and each transverse mode with respect to the inner wall of the Waveguide under a specific angle of impact for him along the waveguide (with a longitudinal and a transverse Directional share) propagated. As a longitudinal direction share is a directional component along the longitudinal axis (radiation main propagation direction) and as a transversal directional proportion, a directional proportion becomes transversal understood to the longitudinal axis.
Die erfindungsgemäßen Aufgaben werden dadurch gelöst, dass an der wenigstens einen Austrittsfacette des Wellenleiters wenigstens ein dünnschichtiges optisches (für die Laserstrahlung semitransparentes) Element (auch Filterschicht genannt) von einer vorgegebenen Dicke zu einem selektiven Ausfiltern mindestens einer Transversalmode höherer Ordnung (vorzugsweise einer Vielzahl von Transversalmoden höherer Ordnung) angebracht ist. Die Dicke der Filterschicht in Verbindung mit den jeder Transversalmode eigenen Auftreffwinkeln stellt sicher, dass der Strahlengang der jeweiligen Transversalmode jeweils eine spezifische Wegstrecke innerhalb des dünnschichtigen optischen Elements bis zu seiner Reflexion erfährt. Dadurch können die an der Innenseite der Filterschicht und an der Außenseite der Filterschicht (partiell, d. h. entsprechend der Fresnelschen Gleichungen) reflektierten Wellen interferieren und in Abhängigkeit ihres spezifischen Auftreffwinkels (bzgl. der Filterschicht) und in Abhängigkeit der Dicke der Filterschicht selektiv im Ergebnis unterschiedlich stark in den Resonator zurückreflektiert werden und somit unterschiedliche stark zur Ausbildung der einzelnen Transversalmoden beitragen. Die Filterschicht bildet vorzugsweise die Austrittsfacette aus oder ist auf der Außenseite der Austrittsfacette angeordnet.The objects of the invention are achieved by that at the at least one exit facet of the waveguide at least one thin-layered optical (for the laser radiation semitransparent) element (also filter layer called) from a predetermined thickness to a selective filtering at least one transversal mode of higher order (preferably a plurality of transversal modes of higher order) is. The thickness of the filter layer in conjunction with each transverse mode own angles of incidence ensures that the beam path of the each transverse mode each have a specific distance within of the thin-layered optical element until its reflection experiences. This can be done on the inside the filter layer and on the outside of the filter layer (partially, that is according to the Fresnel equations) Waves interfere and depending on their specific angle of incidence (with respect to the filter layer) and depending on the thickness the filter layer selectively different in result the resonator are reflected back and thus different strongly contribute to the formation of the individual transverse modes. The Filter layer preferably forms the exit facet or is arranged on the outside of the outlet facet.
Die Idee der Erfindung besteht darin, dass die Dicke der Filterschicht (in Abhängigkeit der spezifischen Auftreffwinkel der Transversalmoden und der verwendeten Materialien) derart gewählt wird, dass die Grundmode stärker als Transversalmoden höherer Ordnung reflektiert wird. Vorzugsweise ist die Dicke der Filterschicht derart gewählt, dass die Reflektivität der Austrittsfacette (der Filterschicht) für die Grundmode (auch als TEM00 bezeichnet) höher ist als mindestens eine der Transversalmoden höherer Ordnung, insbesondere höher als mindestens eine der Transversalmoden TEM01, TEM10 und TEM11.The idea of the invention is that the thickness of the filter layer (depending on the specific angle of incidence of the transverse modes and the materials used) is chosen such that the fundamental mode is reflected more strongly than transversal modes of higher order. Preferably, the thickness of the filter layer is selected such that the reflectivity of the exit facet (the filter layer) for the fundamental mode (also referred to as TEM 00 ) is higher than at least one of the higher order transverse modes, in particular higher than at least one of the transverse modes TEM 01 , TEM 10 and TEM 11 .
Hierdurch kann erreicht werden, dass eine Welle einer unerwünschten Transversalmode höherer Ordnung im Vergleich zur Welle der Grundmode an den Grenzflächen des optischen Elements (Interferenzelement) derart phasenverschoben reflektiert und überlagert wird, dass diese Transversalmode unterdrückt oder zwar nur teilweise, jedoch erfindungsgemäß ausreichend unterdrückt wird, damit sich kein stabiler Laserbetrieb in dieser Transversalmode ausbildet.hereby can be achieved that a wave of an undesirable Transverse mode of higher order compared to the wave the fundamental mode at the interfaces of the optical element (Interference element) so out of phase reflected and superimposed is that this transversal mode suppressed or indeed only partially, but sufficient according to the invention is suppressed, so that no stable laser operation formed in this transverse mode.
Eine Selektion der auszulöschenden Transversalmoden von der zu verstärkenden Grundmode erfolgt dadurch, dass jede Mode einen eigenen, von den anderen Moden abweichenden (spezifischen) Auftreffwinkel auf die partiell reflektierende Innenwandung des Wellenleiters im Bereich der Austrittsfacette (und damit auch einen spezifischen Auftreffwinkel bezüglich der Austrittsfacette und der sich vorzugsweise an die Innenwandung anschließende Filterschicht) aufweist. Folglich muss es für die Grundmode beispielsweise gelten, dass die Dicke des erfindungsgemäßen dünnschichtigen optischen Elementes (Filterschicht), der Auftreffwinkel der Grundmode auf die reflektierende Innenwandung des Wellenleiters und die Wellenlänge der Grundmode derart aufeinander abgestimmt sind, dass eine zur Unterdrückung geeignete Phasenverschiebung der Grundmode nicht erfolgt oder zumindest in einem deutlich geringeren Maße erfolgt als dies für unerwünschte Transversalmoden höherer Ordnung durch eine entsprechende Konfiguration vorgesehen ist.A selection of the transversal modes to be canceled from the basic mode to be amplified is effected in that each mode has its own (specific) angle of incidence on the partially reflecting inner wall of the waveguide in the region of the exit facet (and thus also a specific angle of incidence with respect to the exit facet) the filter layer preferably adjoining the inner wall). Consequently, it must apply to the fundamental mode, for example, that the thickness of the thin-layered optical element (filter layer) according to the invention, the angle of incidence of the fundamental mode on the reflective inner wall of the waveguide and the wavelength of the fundamental mode are matched to one another A suitable phase shift of the fundamental mode does not take place or at least takes place to a significantly lesser extent than is provided for unwanted transverse modes of higher order by an appropriate configuration.
Erfindungsgemäß ist das Interferenzelement (Filterschicht) nicht auf eine einzelne planare Schicht begrenzt. Vielmehr kann das Interferenzelement (die Austrittsfacette) aus einem Schichtenstapel aus einer Vielzahl von Schicht ausgebildet sein, wobei für die selektive Reflektivität bzgl. der einzelnen Moden das bereits Gesagte in gleicher Weise gilt. Eine Berechnung der bevorzugten Schichtdicke kann mit Hilfe der Fresnel'schen Formeln erfolgen. Die spezifischen Auftreffwinkel können entweder durch numerische Simulation der Energieverteilung innerhalb des Resonators (abhängig von den Materialien und Dimensionen) oder durch Messung derselben bestimmt werden.According to the invention the interference element (filter layer) is not on a single planar Layer limited. Rather, the interference element (the exit facet) formed from a stack of layers of a plurality of layer be, with respect to the selective reflectivity. For the individual fashions what has already been said applies in the same way. A calculation of the preferred layer thickness can be done with the aid of Fresnel's Formulas take place. The specific impact angles can either by numerical simulation of the energy distribution within of the resonator (depending on the materials and dimensions) or by measuring them.
Das an der wenigstens einen Austrittsfläche des Wellenleiters angebrachte optische Element ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in Form einer Schicht bzw. einer Beschichtung ausgebildet. Das Aufbringen einer Schicht auf ein optisches Medium ist ein technologisch gut beherrschter Prozess, so dass eine Vielzahl bekannter Verfahren und Materialien hierfür geeignet sind.The at the at least one exit surface of the waveguide attached optical element is according to a preferred Embodiment of the present invention in the form of a layer or a coating formed. Applying a layer an optical medium is a technologically well-controlled process, so that a variety of known methods and materials for this are suitable.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das an der wenigstens einen Austrittsfläche angebrachte optische Element in Form einer dünnen optischen Platte ausgebildet. Dies ermöglicht es, die Erfindung nachträglich an einem Laser des Standes der Technik anzubauen, wenn eine nachträgliche Beschichtung ohne hohen Aufwand nicht möglich ist.In a further preferred embodiment of the present invention this is attached to the at least one exit surface optical element in the form of a thin optical disk educated. This makes it possible to retrofit the invention to grow on a laser of the prior art, if a subsequent Coating without high effort is not possible.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung genügt die Dicke d des optischen Elementes (auch als Interferenzelement oder Filterschicht bezeichnet) der Bedingung: wo λ die spezifische Laserwellenlänge innerhalb des optischen Elements ist.According to a preferred embodiment of the present invention, the thickness d of the optical element (also referred to as interference element or filter layer) satisfies the condition: where λ is the specific laser wavelength within the optical element.
Noch bevorzugter genügt sie der Bedingung: More preferably, it satisfies the condition:
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung genügt die vorgegebene Dicke d des optischen Elementes der Bedingung: und noch bevorzugter der Bedingung: In a further preferred embodiment of the present invention, the predetermined thickness d of the optical element satisfies the condition: and more preferably the condition:
In dieser bevorzugten Ausgestaltung mit Schichtdicken kleiner als λ/4 können auch Transversalmoden höherer Ordnung selektiert (d. h. verstärkt) werden, was für einige spezielle Anwendungen vorteilhaft sein kann. Jedoch werden zur Erzeugung qualitativ hochwertiger Laserstrahlung mittels Halbleiterlasers generell Schichtdicken größer als λ/4 bevorzugt.In this preferred embodiment with layer thicknesses smaller than λ / 4 can also select transversal modes of higher order (ie reinforced), which is special for some Applications may be advantageous. However, to produce quality high-quality laser radiation by means of semiconductor laser generally layer thicknesses greater than λ / 4 is preferred.
Vorzugsweise ist das optische Element in Form einer Beschichtung aus Al2O3 ausgebildet. Andere optisch wirksame Materialien können jedoch ebenso eingesetzt werden.Preferably, the optical element is formed in the form of a coating of Al 2 O 3 . However, other optically active materials can also be used.
Die vorliegende Erfindung wird in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umgesetzt, wenn die Dicke des erfindungsgemäßen optischen Elementes derart vorgegeben ist, dass unter jeweiligem spezifischen Auftreffwinkel die jeder Mode innerhalb des optischen Elementes zugeordnete Wegstrecke im Bereich der Viertelwellenlänge wenigstens einer der auszufilternden Moden höherer Ordnung liegt, aber in einem möglichst großen Maße verschieden von der Viertelwellenlänge der Grundmode ist. Hierbei kommt der bekannte Effekt der Antireflexbeschichtungen zutage, die durch Schichtdicken im Bereich der Viertelwellenlänge eine Auslöschung reflektierter Strahlung durch Interferenz infolge ihrer gegenseitigen Phasenverschiebung um eine halbe Periode bewirken. Jedoch ist die Schichtdicke der Filterschicht von der Schichtdicke einer λ/4-Schicht verschieden, da die Strahlung der auszufilternden Moden höherer Ordnung unter einem von 90° verschiedenen spezifischen Auftreffwinkel auf die Filterschicht treffen. Typische Winkel von Transversalmoden höherer Ordnung liegen bei 5°–20° (in bezug zur Längsachse der aktiven Schicht bzw. des Wellenleiters) bzw. bei 85°–70° (in bezug zur Längsachse der Filterschicht bzw. Austrittsfacette).The The present invention is in a further preferred embodiment implemented the present invention, when the thickness of the inventive optical element is specified such that under respective specific angle of incidence of each mode within the optical element associated distance in the quarter wavelength at least one of the higher-order modes to be filtered out lies, but to the greatest extent possible is different from the quarter wavelength of the fundamental mode. Here, the well-known effect of the anti-reflective coatings comes to light, by layer thicknesses in the quarter wavelength an extinction of reflected radiation by interference due to their mutual phase shift by half a period cause. However, the layer thickness of the filter layer is of the layer thickness a λ / 4-layer different, since the radiation of the filtered out Higher order modes under a different from 90 ° meet specific impact angle on the filter layer. typical Angles of transversal modes of higher order are included 5 ° -20 ° (with respect to the longitudinal axis the active layer or the waveguide) or at 85 ° -70 ° (in relative to the longitudinal axis of the filter layer or exit facet).
Gemäß einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das optisch aktive Medium mit einer derart begrenzten Energiezufuhr betrieben, dass die ausgefilterten oder abgeschwächten Transversalmoden höherer Ordnung ihren Laserschwellenwert nicht erreichen, während die Grundmode ihren Laserschwellenwert stabil erreicht. Hierdurch werden die zu unterdrückenden Moden erst gar nicht ausreichend verstärkt.According to one preferred further embodiment of the present invention the optically active medium with such a limited energy supply operated that filtered or weakened Transverse modes of higher order their laser threshold do not reach while the fundamental mode their laser threshold reached stable. This causes the ones to be suppressed Fashions not even strengthened enough.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist an der Austrittsfläche des Wellenleiters eine Vielzahl von dünnschichtigen optischen Elementen von einer jeweils vorgebbaren Dicke hintereinander angeordnet, um hierdurch nacheinander auf die verschiedenen Transversalmoden höherer Ordnung destruktiv einwirken zu können.In a further preferred embodiment of the present invention is at the exit surface of the waveguide, a plurality of thin-layered optical elements of a respective predetermined thickness arranged behind one another, thereby to be able to act sequentially on the different transverse modes of higher order destructively.
In Übereinstimmung mit einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung dient der Wellenleiter als ein Resonator. In diesem Fall findet eine erfindungsgemäße Unterdrückung der transversalen Moden auch im reflektierten Strahlengang bei jeder erneuten Reflexion der Moden zwischen den stirnseitig angeordneten Spiegeln (Frontfacette und Rückfacette) des Resonators statt.In accordance with a further preferred embodiment of the present invention is used the waveguide as a resonator. In this case, an inventive Suppression of the transversal modes also in the reflected Beam path with each new reflection of the modes between the mirrors arranged on the front side (front facet and rear facet) the resonator instead.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlung mit einem Laser mit einem in einem Resonator angeordneten optisch aktiven Medium und einem Wellenleiter offenbart, aufweisend wenigstens eine quer zur Hauptausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung angeordnete Austrittsfläche. Dabei ist der Resonator derart ausgebildet, dass sich (ohne das optische Filterelement) während des Betriebs neben der Grundmode mindestens eine Transversalmode höherer Ordnung ausbildet (bzw. ausbilden würde) und jede Transversalmode in Bezug auf die reflektierende Innenwandung des Wellenleiters unter einem für sie spezifischen Auftreffwinkel entlang des Wellenleiters mit einem longitudinalen und einem transversalen Richtungsanteil propagiert.To Another aspect of the present invention is a method for generating laser radiation with a laser having one in a resonator arranged optically active medium and a waveguide disclosed comprising at least one transverse to the main propagation direction of the electromagnetic radiation arranged exit surface. In this case, the resonator is designed such that (without the optical filter element) during operation in addition to Fundamental mode at least one transversal mode of higher order forms (or would train) and each transverse mode in relation on the reflective inner wall of the waveguide under a for them specific angle of incidence along the waveguide with a longitudinal and a transverse directional component propagated.
Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden ausgehend von dem oben beschriebenen Verfahren dadurch gelöst, dass
- – das aktive Medium durch Energiezufuhr zum Emittieren einer elektromagnetischen Strahlung bestimmter Frequenz angeregt wird;
- – die emittierte Strahlung im Resonator zwischen zwei reflektierenden Flächen mehrmals hin und her reflektiert und überlagert wird, sodass durch konstruktive Interferenz die emittierte elektromagnetische Strahlung (zu Laserstrahlung) verstärkt wird, wobei sich (ohne das optische Filterelement) innerhalb des Resonators neben einer Grundmode wenigstens eine Mode höherer Ordnung ausbildet (bzw. ausbilden würde);
- – die Laserstrahlung an der wenigstens einen Austrittsfläche des Resonators des Wellenleiters wenigstens in einem dünnschichtigen optischen Element von einer vorgegebenen Dicke zum selektiven Ausfiltern mindestens einer höheren Mode derart reflektiert wird, dass ein Teil der Strahlung an der zum Resonator zugewandten inneren Seite des dünnschichtigen optischen Elementes reflektiert wird und ein Teil der Strahlung an der zum Resonator abgewandten äußeren Seite des dünnschichtigen optischen Elementes reflektiert wird, wobei durch die vorgegebene Schichtdicke beide reflektierten Teilstrahlungen zueinander eine derartig bemessene Phasenverschiebung aufweisen, dass eine wenigstens teilweise gegenseitige destruktive Auslöschung der elektromagnetischen Wellen bewirkt wird, wobei die wenigstens eine höhere Mode im Vergleich zur Grundmode stärker unterdrückt wird,
- – die Grundmode in dem Resonator durch konstruktive Resonanz stärker verstärkt wird als sie durch die doppelte phasenverschiebende Reflexion an dem dünnschichtigen optischen Element gedämpft wird,
- – und ein Teil der elektromagnetischen Strahlung die wenigstens eine Austrittsfläche des Wellenleiters und das dünnschichtige optische Element hindurchpassiert.
- - The active medium is energized by the supply of energy to emit electromagnetic radiation of a certain frequency;
- - The emitted radiation in the resonator between two reflecting surfaces is reflected back and forth several times, so that the emitted electromagnetic radiation (laser radiation) is amplified by constructive interference, wherein (without the optical filter element) within the resonator next to a fundamental mode at least one Fashion of higher order forms (or would form);
- - The laser radiation is reflected at the at least one exit surface of the resonator of the waveguide at least in a thin-layered optical element of a predetermined thickness for selectively filtering at least one higher mode such that a portion of the radiation on the inner side facing the resonator of the thin-layered optical element and a portion of the radiation is reflected at the outer side of the thin-layered optical element facing away from the resonator, wherein the predetermined slice thickness causes both reflected partial radiations to have such a phase shift that one another causes at least partially mutual destructive extinction of the electromagnetic waves at least one higher mode is more suppressed compared to the fundamental mode,
- The fundamental mode in the resonator is amplified to a greater extent by constructive resonance than is attenuated by the double phase-shifting reflection at the thin-layered optical element,
- - And a portion of the electromagnetic radiation passes through the at least one exit surface of the waveguide and the thin-layer optical element.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Dicke eines an wenigstens einer Austrittsfläche eines mit einem Wellenleiter und einem Resonator ausgestatteten Lasers angeordneten dünnschichtigen optischen Elementes. Das Bestimmen der Dicke des optischen Interferenzelements weist folgende Schritte auf:
- – Bestimmen der Auftreffwinkel wenigstens einer höheren Mode und der Grundmode auf die Innenwandungen des Wellenleiters (ohne das optische Filterelement bzw. Interferenzelement),
- – Berechnen der Reflexion des dünnschichtigen optischen Elementes gemäß der Fresnel'schen Formeln,
- – Bestimmen der Dicke des dünnschichtigen optischen Elementes derart, dass die Reflexion der Grundmode durch das dünnschichtige optische Element größer als die Reflexion der wenigstens einen Transversalmode höherer Ordnung ist.
- Determining the angles of incidence of at least one higher mode and the fundamental mode on the inner walls of the waveguide (without the optical filter element or interference element),
- Calculating the reflection of the thin-film optical element according to Fresnel's formulas,
- Determining the thickness of the thin-layered optical element such that the reflection of the fundamental mode by the thin-layered optical element is greater than the reflection of the at least one transversal mode of higher order.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen und Kombinationen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further give preferred embodiments and combinations of the invention from the rest, mentioned in the dependent claims Features.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below in embodiments the accompanying drawings explained. Show it:
Die
Laserdiode
Im
Wellenleiter
Erfindungsgemäß treffen
die Strahlengänge der Moden jedoch auf ein direkt an der
Austrittsfläche
Aufgrund
der höheren Brechzahl des Wellenleiterkerns
Die
Austrittsfläche
An
jeder der Grenzflächen des Interferenzelements
Für
die Transversalmode
Im
Falle der Grundmode
Infolgedessen
erfolgt keine (oder allenfalls eine geringe) destruktive Interferenz
der Grundmode
Ferner
wird die Pumpleistung des Lasers gemäß einer bevorzugten
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung so eingestellt, dass die
restlichen Intensitäten der unterdrückten Transversalmoden
Fasst
man die Moden idealisiert als ebene Wellen auf, kann man den Reflexionsgrad
mit bekannten Verfahren berechnen.
Die vorangehenden Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind lediglich beispielhaft und nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend auszulegen. Die vorliegende Erfindungslehre kann leicht auf andere Anwendungen übertragen werden. Die Beschreibung des Ausführungsbeispiels ist zur Veranschaulichung vorgesehen und nicht, um den Schutzbereich der Patentansprüche einzuschränken. Viele Alternativen, Modifikationen und Varianten sind für einen durchschnittlichen Fachmann offensichtlich, ohne dass er hierfür den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verlassen müsste, der in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist.The previous embodiments of the present invention are by way of example only, and not to be construed as limiting the present invention. The present invention can easily be applied to other applications become. The description of the embodiment is by way of illustration provided and not to the scope of the claims limit. Many alternatives, modifications and Variants are obvious to one of ordinary skill in the art without that he is the scope of the present invention would have to leave the, in the following claims is defined.
- 1010
- mehrmodaler Laser, Laserdiodemultimodal Laser, laser diode
- 1111
- optisch aktives Mediumoptical active medium
- 121 12 1
- Wellenleitermantel (obere Schicht)Waveguide cladding (upper layer)
- 122 12 2
- Wellenleitermantel (untere Schicht)Waveguide cladding (Lower class)
- 1313
- reflektierende Innenwandungreflective inner wall
- 1414
- WellenleiterkernWaveguide core
- 1515
- Austrittsfacetteexit facet
- 1616
- dünnschichtiges optisches Element, Filterschichtthin-layer optical element, filter layer
- 1717
- äußere Fläche der Filterschichtouter Surface of the filter layer
- 2020
- Grundmodefundamental mode
- 201, ... 204 20 1 , ... 20 4
- Wegstrecken der Grundmode, Strahlengangdistances the basic mode, ray path
- 30, 4030 40
- transversale Moden höherer Ordnungtransversal Higher order modes
- AA
- Längsrichtung, HauptausbreitungsrichtungLongitudinally Main propagation direction
- BB
- Querrichtung, transversale AusbreitungsrichtungTransversely transverse propagation direction
- α0, α1, α2 α 0 , α 1 , α 2
- Auftreffwinkel der Modenangle of impact the fashions
- dd
- Dicke der Schichtthickness the layer
- λλ
- Wellenlänge der elektromagnetischen Welle in dem dünnschichtigen optischen Elementwavelength the electromagnetic wave in the thin-film optical element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 69737855 T2 [0004] - DE 69737855 T2 [0004]
Claims (15)
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Family
ID=41412852
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---|---|
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DE69737855T2 (en) | 1996-05-09 | 2008-02-28 | Yeda Research And Development Co., Ltd. | ACTIVE WAVELENGTH ELECTION WITH RESONANT DEVICES |
-
2008
- 2008-07-04 DE DE102008040188A patent/DE102008040188A1/en not_active Withdrawn
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Title |
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JP 2003-204 109 AA (mit engl. Abstract u. maschineller Übersetzung) Tadashi Saitho, u.a.: "Theoretical Analysis and Fabrication of Antireflection Coatings on Laser-Diode Facets". In: Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-3, No. 2, S. 288-293, 1985 |
JP 2003204109 A (mit engl. Abstract u. maschineller Übersetzung) * |
Tadashi Saitho, u.a.: "Theoretical Analysis and Fabrication of Antireflection Coatings on Laser-Diode Facets". In: Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-3, No. 2, S. 288-293, 1985 * |
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Legal Events
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