DE102008052376A1

DE102008052376A1 - Laseranordnung

Info

Publication number: DE102008052376A1
Application number: DE102008052376A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. Lindberg
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2010-04-22
Also published as: WO2010045916A1

Abstract

Es wird eine Laseranordnung (1) angegeben, die einen zur Erzeugung von Strahlung einer Fundamentalwellenlänge vorgesehenen aktiven Bereich (20), einen Resonator (3) und ein optisch nichtlineares Element (4) mit einer Kristallachse (40) aufweist. Innerhalb des Resonators (3) ist ein polarisationsselektives Element (5) gebildet, so dass eine Polarisation der im Resonator propagierenden Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge eine Vorzugsrichtung aufweist. Das optisch nichtlineare Element (4) ist dafür vorgesehen, die Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge zumindest teilweise in frequenzkonvertierte Strahlung umzuwandeln. Weiterhin ist das optisch nichtlineare Element für eine Quasi-Phasenanpassung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge und der frequenzkonvertierten Strahlung vorgesehen. Die Kristallachse (40) des optisch nichtlinearen Elements (4) schließt einen spitzen Winkel mit der Vorzugsrichtung der Polarisation ein.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Laseranordnung.
Laserstrahlung in Spektralbereichen, die mit Halbleiterlasern nicht oder nur schwer unmittelbar zugänglich sind, wird oftmals mittels Frequenzverdopplung in optisch nichtlinearen Kristallen erzeugt. Die Konversionseffizienz, mit der die ursprüngliche Strahlung in Strahlung der doppelten Frequenz umgewandelt wird, hängt in der Regel stark von der Wellenlänge und der Polarisation der ursprünglichen Strahlung ab. Zur Stabilisierung der Strahlung hinsichtlich dieser Faktoren können im Laserresonator beispielsweise optische Filter angeordnet werden. Dadurch werden jedoch zum einen die Komplexität des Lasers und zum anderen die Verluste im Resonator erhöht.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Laseranordnung anzugeben, bei der eine effiziente Strahlungskonversion mit einem vereinfachten und robusten Aufbau erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Laseranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Laseranordnung einen zur Erzeugung von Strahlung einer Fundamentalwellenlänge vorgesehenen aktiven Bereich, einen Resonator und ein optisch nichtlineares Element mit einer Kristallachse auf.
Innerhalb des Resonators ist ein polarisationsselektives Element gebildet, so dass eine Polarisation der im Resonator propagierenden Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge eine Vorzugsrichtung aufweist. Das optisch nichtlineare Element ist dafür vorgesehen, die Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge zumindest teilweise in frequenzkonvertierte Strahlung umzuwandeln. Weiterhin ist das optisch nichtlineare Element für eine Quasi-Phasenanpassung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge und der frequenzkonvertierten Strahlung vorgesehen. Die Kristallachse des optisch nichtlinearen Elements schließt einen spitzen Winkel mit der Vorzugsrichtung der Polarisation ein. Die Kristallachse steht also nicht parallel und nicht senkrecht zur Vorzugsrichtung der Polarisation.
Mittels des optisch nichtlinearen Elements kann die Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge zumindest teilweise in Strahlung einer Wellenlänge konvertiert werden, die größer oder kleiner als die Fundamentalwellenlänge sein kann. Dies kann beispielsweise mittels Frequenzvervielfachung, Summenfrequenzerzeugung und/oder Differenzfrequenzerzeugung erfolgen. Auch parametrische Verstärkung kann Anwendung finden.
Das optisch nichtlineare Element kann insbesondere zur Frequenzverdopplung vorgesehen sein. Beispielsweise kann Strahlung im nahen Infrarot in grüne Strahlung konvertiert werden, etwa durch Frequenzverdopplung von Strahlung mit einer Fundamentalwellenlänge von 1060 nm in grüne Strahlung mit einer Wellenlänge von 530 nm.
Die Polarisation der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge und/oder die frequenzkonvertierte Strahlung verläuft vorzugsweise parallel zu der Vorzugsrichtung der Polarisation im Resonator. Mittels des polarisationsselektiven Elements ist also die Polarisationsrichtung der im Resonator zu verstärkenden Strahlung vorgebbar. Eine stabile Polarisationsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge ist so auf einfache Weise realisiert.
Eine Konversion von Strahlung der Fundamentalwellenlänge in frequenzkonvertierte Strahlung kann erfolgen, wenn die beiden Strahlungsanteile im optisch nichtlinearen Element zueinander eine Phasenverschiebung aufweisen, die höchstens π beträgt. Die Strecke, nach der sich die Phasenverschiebung zwischen diesen Strahlungsanteilen um π ändert, wird als Kohärenzlänge L_C bezeichnet und ergibt sich aus der Gleichung
Hier ist λ die Fundamentalwellenlänge und Δn_eff die Differenz der effektiven Brechungsindizes für die Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge und die frequenzkonvertierte Strahlung.
In Bereichen, in denen die Phasenverschiebung größer π ist, kann dagegen eine in der Regel ungewollte Rückkonversion von der frequenzkonvertierten Strahlung in Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge erfolgen.
Die Quasi-Phasenanpassung (quasi-Phase-matching, QPM) in einem optisch nichtlinearen Element zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein Koeffizient des Suszeptibilitätstensors zweiter Ordnung χ⁽²⁾ des optisch nichtlinearen Elements entlang einer Raumrichtung moduliert ist. Diese Modulation ist zweckmäßigerweise derart ausgeführt, dass für eine vorgegebene Wellenlänge oder einen vorgegebenen Wellenlängenbereich eine Rückkonversion vermieden oder zumindest verringert wird. Im Betrieb der Laseranordnung kann die Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge parallel oder in einem spitzen Winkel zu dieser Raumrichtung in das optisch nichtlineare Element eingestrahlt werden.
Im Unterschied zur konventionellen Phasenanpassung in einem optisch nichtlinearen Kristall, bei der die Einstrahlrichtung in den Kristall relativ zu den Kristallachsen so gewählt wird, dass sich die Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge und die frequenzkonvertierte Strahlung aufgrund von Doppelbrechung mit der gleichen Phasengeschwindigkeit im Kristall ausbreiten, ist Quasi-Phasenanpassung auch bei anderen Einstrahlrichtungen erzielbar.
Weiterhin können für eine Quasi-Phasenanpassung die Polarisation der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge und die Polarisation der frequenzkonvertierten Strahlung parallel zueinander sein. Im Unterschied zur Phasenanpassung sind daher bei der Quasi-Phasenanpassung auch die Diagonaleinträge des χ⁽²⁾-Tensors zweiter Stufe nutzbar. Die Diagonaleinträge dieses Tensors sind in optisch nichtlinearen Medien meist größer also die Nicht-Diagonaleinträge, so dass mittels der Quasi-Phasenanpassung eine gegenüber dem Verfahren der konventionellen Phasenanpassung erhöhte Konversionseffizienz erzielbar ist.
Der spitze Winkel zwischen der Kristallachse und der Vorzugsrichtung der Polarisation ist relativ zur Einfallsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge in das optisch nichtlineare Element zweckmäßigerweise derart orientiert, dass sich aufgrund des spitzen Winkels Strahlungsanteile mit unterschiedlicher Polarisation mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten im optisch nichtlinearen Element ausbreiten.
Mit anderen Worten kann das optisch nichtlineare Element während des Durchtritts der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge eine Drehung der Polarisationsrichtung der Strahlung bewirken.
Das optisch nichtlineare Element kann als ein optisch nichtlinearer Kristall ausgeführt sein. Das optisch nichtlineare Element muss aber nicht notwendigerweise kristalline Eigenschaften aufweisen. Vielmehr kann auch ein anderes optisch anisotropes Material mit geeigneten nichtlinear-optischen Eigenschaften Verwendung finden.
Entsprechend wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung unter dem Begriff „Kristallachse” allgemein eine der Hauptachsen des Brechungsindex-Tensors des optisch anisotropen Materials des optisch nichtlinearen Elements verstanden.
Die Phasenverschiebung Δφ, die in einem doppelbrechenden Kristall bei einer Länge l zwischen der ordentlichen Strahlungskomponente und der außerordentlichen Strahlungskomponente auftritt, ist gegeben durch die Gleichung
wobei Δn = n_e – n_o der Brechungsindexunterschied zwischen dem außerordentlichen Brechungsindex n_e und dem ordentlichen Brechungsindex n_o und λ die Wellenlänge der Strahlung ist.
Bei einer Phasenänderung, die einem ganzzahligen Vielfachen von 2π entspricht, kehrt der Polarisationszustand in den Ausgangszustand zurück.
Gegenüber einer Konfiguration, bei der die Kristallachse parallel zur Vorzugsrichtung der Polarisation verläuft, kann die Orientierung der Kristallachse mit dem spitzen Winkel zur Vorzugsrichtung eine grundsätzlich unerwünschte Verringerung der Konversionseffizienz von Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge in frequenzkonvertierte Strahlung verursachen. Es hat sich aber überraschenderweise herausgestellt, dass eine derartige Orientierung, insbesondere aufgrund der Möglichkeit der Drehung der Polarisationsrichtung im optisch nichtlinearen Element, insgesamt zu einer Verbesserung der Eigenschaften der Laseranordnung führen kann.
Der spitze Winkel ist vorzugsweise zwischen der Kristallachse und einer Ebene ausgebildet, die von der Vorzugsrichtung der Polarisation und der Ausbreitungsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge im Resonator, insbesondere im optisch nichtlinearen Element, aufgespannt wird.
Mit anderen Worten verläuft die Kristallachse schräg zu der Ebene, die von der Vorzugsrichtung der Polarisation und der Ausbreitungsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge im dem optisch nichtlinearen Element aufgespannt wird.
Die Kristallachse ist also bezüglich dieser Ebene um einen spitzen Winkel gedreht.
Dagegen würde durch eine Drehung der Kristallachse des optisch nichtlinearen Elements innerhalb dieser Ebene kein doppelbrechender Effekt erzielt werden. Ein Winkel zwischen der Kristallachse und der Polarisation der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge innerhalb dieser Ebene würde lediglich eine verringerte Konversionseffizienz verursachen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das optisch nichtlineare Element als λ/2-Element gestaltet. Das heißt, die Strahlungskomponente mit der Polarisation, für die Ausbreitungsgeschwindigkeit größer ist, überholt diejenige Strahlungskomponente mit der kleineren Ausbreitungsgeschwindigkeit beim Durchtritt durch das optisch nichtlineare Element gerade um ein ganzzahliges Vielfaches von λ/2. Dies wird auch als λ/2-Bedingung bezeichnet. Für eine gewisse Wellenlänge λ kann also die Polarisationsrichtung der durch das optisch nichtlineare Element hindurch tretenden Strahlung im Resonator erhalten bleiben. Die Polarisationsrichtung der Strahlung mit der Wellenlänge λ vor dem Durchtritt durch das optisch nichtlineare Element entspricht also der Polarisationsrichtung nach dem Durchtritt durch das optisch nichtlineare Element.
Strahlung, für die die λ/2-Bedingung nicht erfüllt ist, erfährt dagegen im Resonator eine effektive Polarisationsdrehung und somit höhere optische Verluste.
Strahlung, deren Polarisation parallel zur Vorzugsrichtung des polarisationsselektiven Elements ausgerichtet ist und die gleichzeitig die λ/2-Bedingung im optisch nichtlinearen Element erfüllt, erfährt im Resonator also die geringsten Verluste. Mit anderen Worten wirkt das polarisationsselektive Element in Kombination mit dem als λ/2-Element ausgeführten optisch nichtlinearen Element als eine wellenlängenselektive Einheit. In das zur Frequenzvervielfachung vorgesehene optisch nichtlineare Element ist also zusätzlich die Funktion eines optischen Filters integriert. Über dieses Filter ist die Fundamentalwellenlänge vorgegeben und weiterhin im Betrieb einstellbar.
Auf ein zusätzliches Wellenlängenfilter, das separat von dem optisch nichtlinearen Element und dem polarisationsselektiven Element im Resonator vorhanden ist, kann verzichtet werden. Die Anzahl der optischen Komponenten und somit die Komplexität des Laserresonators kann vermindert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Wellenlänge, für die die λ/2-Bedingung erfüllt ist, im Betrieb der Laseranordnung einstellbar, etwa mittels der Temperatur des optisch nichtlinearen Elements. Beispielsweise hängen in einem doppelbrechenden optisch nichtlinearen Kristall die Brechungsindizes aufgrund des so genannten thermooptischen Effekts für ordentlich polarisierte und außerordentlich polarisierte Strahlung unterschiedlich stark von der Temperatur ab.
Als ordentlich polarisierte Strahlung wird hierbei Strahlung bezeichnet, deren Polarisation senkrecht zur optischen Achse verläuft. Außerordentlich polarisierte Strahlung weist eine Polarisationskomponente auf, die parallel zur optischen Achse verläuft. Die optische Achse ist definiert als diejenige Achse, bei der die Ausbreitungsgeschwindigkeit von entlang dieser Achse einfallender Strahlung unabhängig von deren Polarisation ist.
Durch Variation der Temperatur des optisch nichtlinearen Elements kann also für unterschiedliche Wellenlängen die λ/2-Bedingung erfüllt werden. Über die Temperatur des optisch nichtlinearen Elements ist die Fundamentalwellenlänge einstellbar. Weiterhin ist die Fundamentalwellenlänge durch Stabilisierung der Temperatur des optisch nichtlinearen Elements auf einen vorgegebenen Wert stabilisierbar.
Im Unterschied zu einer Laseranordnung mit einem separat vom optisch nichtlinearen Element ausgeführten wellenlängenselektiven Element, etwa einem Etalon oder einem separaten doppelbrechenden Filter, innerhalb des Resonators, kann die im Resonator zu bevorzugende Wellenlänge im Betrieb der Laseranordnung auf eine vorgegebene Wellenlänge eingestellt werden. Ein Etalon ist ein optisches Element, das auf dem Fabry-Perot-Effekt basiert und nur für bestimmte Wellenlängen durchlässig ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist das optisch nichtlineare Element derart ausgeführt und im Resonator angeordnet, dass die Laseranordnung eine Mehrzahl von Betriebspunkten aufweist, in denen die Konversionseffizienz für die Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge ein lokales Maximum besitzt und in denen gleichzeitig die λ/2-Bedingung für diese Wellenlänge erfüllt ist. Für diese Wellenlängen fallen also die Transmissionsmaxima der wellenlängenselektiven Einheit und die Konversionsmaxima zusammen.
Beispielsweise können die Betriebspunkte unterschiedliche Temperaturen sein, bei denen das optisch nichtlineare Element im Betrieb der Laseranordnung betreibbar ist und auf die das optisch nichtlineare Element weiterhin bevorzugt stabilisierbar ist. Dies kann beispielsweise mittels einer regelbaren Heizung für das optisch nichtlineare Element erfolgen.
Aufgrund der unterschiedlichen Änderungsraten für die Konversionseffizienz und die Phasenverschiebung im optisch nichtlinearen Element fallen die Maxima der Konversionseffizienz und die Minima der Filterverluste im Resonator für eine Wellenlänge oder eine Vielzahl von voneinander beabstandeten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen zusammen.
Über einen einzigen Betriebsparameter, also etwa die Temperatur des optisch nichtlinearen Elements, ist die Fundamentalwellenlänge und somit auch die Wellenlänge der frequenzkonvertierten Strahlung und gleichzeitig die spektrale Position der Konversionsmaxima einstellbar.
Im Betrieb der Laseranordnung bei einer Umgebungstemperatur kann eine effiziente Strahlungskonversion durch Einstellen eines Betriebspunkts erzielt werden, der möglichst nah an der Umgebungstemperatur liegt. Beispielsweise kann das optisch nichtlineare Element auf den Betriebspunkt geheizt werden, der oberhalb der Umgebungstemperatur am nächsten an der Umgebungstemperatur liegt.
Dagegen fallen in einer herkömmlichen Laseranordnung mit einem separat vom optisch nichtlinearen Element ausgeführten wellenlängenselektiven Filter die Wellenlänge maximaler Transmission durch das Filter und die Wellenlänge maximaler Konversionseffizienz im optisch nichtlinearen Element in der Regel nur für genau eine Wellenlänge zusammen. Deshalb muss meist ein Betriebspunkt gewählt werden, der deutlich oberhalb der zu erwartenden Umgebungstemperatur liegt. Ein typischer Betriebspunkt für einen Umgebungstemperaturbereich von etwa 20°C bis 60°C ist beispielsweise eine Temperatur von 80°C. Auf ein derartiges Heizen auf hohe Temperaturen oberhalb des Umgebungstemperaturbereichs kann bei der beschriebenen Laseranordnung aufgrund der Mehrzahl von Betriebspunkten verzichtet werden. Der Energieverbrauch der Laseranordnung kann so verringert werden.
Weiterhin ist durch eine stabile Temperatur des optisch nichtlinearen Elements gleichzeitig auch eine stabile Wellenlänge der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge gewährleistet. Im Unterschied hierzu besteht bei separaten optischen Filtern die Gefahr einer nicht oder nur schwer kontrollierbaren ungewollten Verschiebung der durch das Filter durchgelassenen Wellenlänge, etwa aufgrund eines thermomechanischen oder thermooptischen Drifts.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kristallachse die Achse, für die der Koeffizient der Suszeptibilität zweiter Ordnung χ⁽²⁾ bei einer Polarisation der einfallenden Strahlung parallel zur Kristallachse maximal ist. Die Effizienz der Strahlungskonversion ist so maximierbar.
Bei einem doppelbrechenden optisch nichtlinearen Kristall kann die Kristallachse insbesondere die außerordentliche Kristallachse sein. Die außerordentliche Kristallachse ist diejenige Kristallachse, der der außerordentliche Brechungsindex zugeordnet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung steht die Kristallachse senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht, etwa mit einer Abweichung von der Senkrechten um höchstens +/–10°, zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge im Resonator, insbesondere im optisch nichtlinearen Element. Weiterhin bevorzugt steht die Kristallachse senkrecht zu einer Ebene, in der sich die Strahlung im Resonator ausbreitet und in der die Vorzugsrichtung der Polarisation verläuft. Je weniger der Winkel von 90° abweicht, desto höher kann die Effizienz der Strahlungskonversion sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ein Nichtlinearitätskoeffizient des optisch nichtlinearen Elements entlang einer Ausbreitungsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge moduliert. Die Modulation kann periodisch ausgeführt sein, insbesondere mit einer Periodenlänge der zweifachen Kohärenzlänge. Auch eine von der strengen Periodizität abweichende Modulation, etwa mit einer kontinuierlich ab- oder zunehmenden Periodenlänge (auch als „chirp” bezeichnet) oder mit einer um eine mittlere Periodenlänge schwankenden Periodenlänge kann Anwendung finden.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist das optisch nichtlineare Element periodisch gepolt, insbesondere ein periodisch gepolter optisch nichtlinearer Kristall.
Ein periodisch gepolter Kristall weist entlang einer Durchstrahlungsrichtung Bereiche auf, die jeweils eine Dicke im Bereich der Kohärenzlänge aufweisen, wobei benachbarte Bereiche zueinander entgegengesetzte Polarität haben. Die Polarität bezieht sich hierbei auf das Vorzeichen des zugehörigen nichtlinear-optischen Koeffizienten des Kristalls.
Ein periodisch gepolter Kristall ist beispielsweise in einem ferroelektrischen Kristall herstellbar, wobei die Bereiche in Form von permanenten Domänen durch kurzzeitiges Anlegen eines externen elektrischen Felds erzeugt werden können.
Beispielsweise kann der periodisch gepolte Kristall pp-LN (periodisch gepoltes Lithium-Niobat) oder pp-KTP (periodisch gepoltes Kalium-Titanyl-Phosphat) sein. Auch ein anderer Kristall, etwa RTA (Rubidium-Titanyl-Arsenid), KTA (Kalium-Titanyl-Arsenid), RTP (Rubidium-Titanyl-Phoshat) oder KN (Kalium-Niobat), kann, insbesondere in periodisch gepolter Form, Anwendung finden.
Der spitze Winkel, den die Kristallachse des optisch nichtlinearen Elements mit der Vorzugsrichtung der Polarisation einschließt, bestimmt zum einen die Polarisationsselektivität und zum anderen die Konversionseffizienz. Die Selektivität des Resonators bezüglich der Polarisationsrichtung der im Resonator propagierenden Strahlung steigt von einem Wert von 0% bei 0° auf einen Maximalwert bei 45°. Andererseits sinkt die Effizienz der Strahlungskonversion ausgehend von einem Maximum bei 0° mit größer werdendem Winkel.
Der spitze Winkel, den die Kristallachse des optisch nichtlinearen Elements mit der Vorzugsrichtung der Polarisation einschließt, beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich zwischen 5° und einschließlich 40°, besonders bevorzugt zwischen einschließlich zwischen 10° und einschließlich 30°. So kann eine ausreichende Polarisationsselektivität bei gleichzeitig hoher Konversionseffizienz erzielt werden.
In einer Ausgestaltungsvariante ist das polarisationsselektive Element von dem optisch nichtlinearen Element beabstandet.
Insbesondere kann das polarisationsselektive Element mittels einer Oberfläche gebildet sein, die schräg zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge im Resonator angeordnet ist. Beispielsweise kann die Oberfläche für eine vorgegebene Polarisationsrichtung eine höhere Reflektivität oder eine höhere Transmissivität aufweisen als für eine dazu senkrecht stehende Polarisationsrichtung.
Die Oberfläche kann zum Beispiel eine Spiegelfläche sein, die im Resonator als Umlenkspiegel (auch als Faltspiegel bezeichnet) dient und deren Reflektivität von der Polarisation der auftreffenden Strahlung abhängt. Die Spiegelfläche kann als eine metallische Spiegelfläche oder als eine dielektrische Spiegelfläche ausgeführt sein.
Alternativ kann die Oberfläche mittels eines Elements gebildet sein, das für Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge transparent ist. Die Oberfläche kann hierbei insbesondere im Brewster-Winkel im Resonator angeordnet sein. In diesem Fall wird parallel zur Einfallsebene polarisierte Strahlung praktisch vollständig transmittiert, während senkrecht polarisierte Strahlung aufgrund von Reflexion an der Oberfläche signifikante Verluste erfährt. Die Einfallsebene eines optischen Elements ist allgemein diejenige Ebene, in der die Ausbreitungsvektoren der auf das optische Element auftreffenden Strahlung und der transmittierten und/oder reflektierten Strahlung liegen.
In einer alternativen Ausgestaltungsvariante ist das polarisationsselektive Element mittels einer Oberfläche des optisch nichtlinearen Elements gebildet. Das optisch nichtlineare Element kann in diesem Fall gleichzeitig der Frequenzkonversion, der Wellenlängenstabilisierung und der Stabilisierung der Polarisation dienen. Der Resonator kann also frei von einem zusätzlichen wellenlängen- und/oder polarisationsselektiven Element ausgeführt sein. Die Anzahl der optischen Komponenten der Laseranordnung wird dadurch weitestgehend minimiert, wodurch auch die Herstellungskosten für die Laseranordnung gesenkt werden können.
Insbesondere kann die Oberfläche des optisch nichtlinearen Elements für Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge im Brewster-Winkel angeordnet sein. Reflexionsverluste an der Oberfläche können so für parallel zur Einfallsebene polarisierte Strahlung minimiert sein.
Die beschriebene Ausgestaltung des optisch nichtlinearen Elements sowie dessen Anordnung im Resonator ist grundsätzlich unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des aktiven Bereichs für eine Frequenzkonversion der vom aktiven Bereich abgestrahlten Strahlung in frequenzgemischte, insbesondere frequenzverdoppelte, Strahlung geeignet. Eine derartige Laseranordnung zeichnet sich insbesondere durch einen einfachen und robusten Aufbau und weiterhin durch eine hohe Konversionseffizienz aus.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Laseranordnung einen Halbleiterkörper auf, in dem der aktive Bereich ausgebildet ist.
Der Halbleiterkörper, insbesondere der aktive Bereich, enthält vorzugsweise ein III-V-Halbleitermaterial. Mit III-V-Halbleitermaterialien sind hohe interne Quanteneffizienzen erzielbar.
Beispielsweise eignet sich Al_xIn_yGa_1-x-yAs, mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, insbesondere mit x ≠ 1, y ≠ 1, x ≠ 0 und/oder y ≠ 0, für die Erzeugung von Strahlung im roten oder infraroten Spektralbereich. Zum Beispiel kann infrarote Strahlung mit einer Wellenlänge von 1060 nm durch Frequenzverdopplung in grüne Strahlung einer Wellenlänge von 530 nm konvertiert werden.
Weiterhin bevorzugt ist der Halbleiterkörper als ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit vertikaler Emissionsrichtung mit einem externen Resonator (vertical external cavity surface emitting layer, VECSEL) ausgebildet. Ein derartiger Laser kann sich insbesondere durch eine hohe Strahlqualität und eine damit verbundene gute Fokussierbarkeit auszeichnen.
Alternativ kann der Halbleiterkörper auch als ein kantenemittierender Halbleiterlaser ausgeführt sein.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist ein Spiegel des Resonators, insbesondere ein Endspiegel des Resonators, in den Halbleiterkörper integriert oder grenzt, insbesondere unmittelbar, an den Halbleiterkörper an. So kann die Laseranordnung in besonders kompakter Bauform hergestellt werden.
Der aktive Bereich des Halbleiterkörpers kann optisch pumpbar, etwa mittels einer Pumpstrahlungsquelle, oder elektrisch pumpbar ausgeführt sein.
Die Pumpstrahlungsquelle kann außerhalb des Halbleiterkörpers angeordnet sein. Die Pumpstrahlungsquelle und der Halbleiterkörper können so getrennt voneinander hergestellt werden.
Alternativ kann die Pumpstrahlungsquelle in den Halbleiterkörper monolithisch integriert sein. Insbesondere kann die Pumpstrahlungsquelle den aktiven Bereich aus lateraler Richtung pumpen. Eine besonders kompakte Ausführung der Laseranordnung ist so bei gleichzeitig hoher Strahlqualität und Konversionseffizienz vereinfacht erzielbar.
Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:
1 eine erstes Ausführungsbeispiel für eine Laseranordnung in schematischer perspektivischer Darstellung;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Laseranordnung in schematischer perspektivischer Darstellung;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Laseranordnung in schematischer perspektivischer Darstellung;
4 ein viertes Ausführungsbeispiel für eine Laseranordnung in schematischer perspektivischer Darstellung;
5 ein fünftes Ausführungsbeispiel für eine Laseranordnung in schematischer Schnittansicht;
die 6A und 6B die Ergebnisse von Simulationen der Filterverluste im Resonator, wobei 6A die Filterverluste in einer Grauwertdarstellung in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ und der Temperatur K und die 6B die Filterverluste bei konstanter Temperatur als Funktion der Wellenlänge λ zeigen;
die 7A und 7B Ergebnisse einer Simulation der Konversionseffizienz in normierter Darstellung, wobei die 7A die Konversionseffizienz in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ und der Temperatur T in Grauwertdarstellung und die 7B die Konversionseffizienz η_n bei konstanter Temperatur in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ zeigen; und
die 8 Ergebnisse einer Simulation der Konversionseffizienz der Laseranordnung in normierter Grauwertdarstellung in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ und der Temperatur T.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Laseranordnung ist in 1 schematisch in perspektivischer Darstellung gezeigt.
Die Laseranordnung 1 weist einen Resonator 3 auf, der mittels eines ersten Spiegels 31 und eines zweiten Spiegels 32 gebildet ist.
Im Resonator 3 ist ein aktiver Bereich 20 ausgebildet, der zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Fundamentalwellenlänge vorgesehen ist. Weiterhin ist im Resonator 3 ein optisch nichtlineares Element 4 angeordnet, das zur zumindest teilweisen Umwandlung von Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge in frequenzkonvertierte Strahlung vorgesehen ist. Das optisch nichtlineare Element ist hierbei für eine Quasi-Phasenanpassung ausgebildet.
Weiterhin ist in dem Resonator 3 ein polarisationsselektives Element 5 angeordnet. Mittels des polarisationsselektiven Elements wird eine Vorzugrichtung für die Polarisation der im Resonator propagierenden Strahlung vorgegeben.
In der 1 ist weiterhin das der Abbildung zugrunde liegende Koordinatensystem mittels Pfeilen veranschaulicht. Die y-Achse entspricht der Ausbreitungsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge im Resonator 3.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das polarisationsselektive Element als ein Element ausgeführt, dessen Transmission von der Polarisation der auftreffenden Strahlung abhängt. Dies kann dadurch erzielt werden, dass eine Oberfläche 50 des polarisationsselektiven Elements 5 schräg zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge angeordnet ist. Die Oberfläche 50 verläuft weiterhin parallel zur z-Achse, so dass die x-y-Ebene die Einfallsebene der Strahlung bildet.
Parallel polarisierte Strahlung, also Strahlung die entlang der x-Achse polarisiert ist, erfährt eine schwächere Reflexion an der Oberfläche 50 als Strahlung, die senkrecht zur Einfallsebene, also parallel zur z-Achse, polarisiert ist. Die Vorzugsrichtung der Polarisation verläuft also parallel zur x-Achse.
Das optisch nichtlineare Element 4, das exemplarisch als periodisch gepolter optisch nichtlinearer Kristall, etwa als ein pp-LN- oder pp-KTP-Kristall ausgeführt ist, ist derart angeordnet, dass eine Kristallachse 40 einen spitzen Winkel mit der Vorzugsrichtung der Polarisation einschließt.
Auch ein anderer Kristall, etwa RTA (Rubidium-Titanyl-Arsenid), KTA (Kalium-Titanyl-Arsenid), RTP (Rubidium-Titanyl-Phoshat) oder KN (Kalium-Niobat), kann, insbesondere in periodisch gepolter Form, Anwendung finden. Alternativ kann auch ein anderes optisch anisotropes Material mit geeigneten nichtlinear-optischen Eigenschaften verwendet werden.
Die Periodenlänge hängt insbesondere von der Differenz in der Ausbreitungsgeschwindigkeit für die Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge und die frequenzkonvertierte Strahlung ab. Für Lithium-Niobat beispielsweise kann die Periodenlänge zwischen 5 μm und 35 μm liegen.
Eine geometrische Länge des optisch nichtlinearen Elements 4 beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 0,5 mm und einschließlich 5 mm, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 1 mm und einschließlich 2 mm.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel verläuft die Kristallachse 40 in der x-z-Ebene und somit senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge (y-Richtung). Durch eine Ausrichtung der Kristallachse innerhalb der x-z-Ebene kann die Konversionseffizienz von Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge in frequenzkonvertierte Strahlung maximiert werden. Dagegen würde eine Verkippung der Kristallachse relativ zur x-z-Ebene, also eine nichtsenkrechte Ausrichtung bezüglich der Ausbreitungsrichtung der Strahlung im Resonator zu einer verringerten Konversionseffizienz führen.
Die Kristallachse ist vorzugsweise diejenige Achse, für die der Koeffizient des Suszeptibilitätstensors zweiter Ordnung χ⁽²⁾ bei einer Polarisation der einfallenden Strahlung parallel zur Kristallachse maximal ist. Die Effizienz der Strahlungskonversion ist so maximierbar. Bei Lithium-Niobat oder KTP ist dies die außerordentliche Kristallachse.
Die Polarisationsrichtungen der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge und der frequenzkonvertierten Strahlung können parallel zueinander ausgerichtet sein. So sind die verglichen mit den Nicht-Diagonaleinträgen höheren Diagonaleinträge des Suszeptibilitätstensors zweiter Ordnung für die Strahlungskonversion nutzbar. Die Konversionseffizienz kann dadurch gesteigert werden.
Der spitze Winkel zwischen der Kristallachse 40 und der x-y-Ebene, welche durch die Vorzugsrichtung der Polarisation und die Ausbreitungsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge ausgespannt wird, bewirkt eine an sich ungewollte geringfügige Verringerung der Konversionseffizienz.
Aufgrund dieses spitzen Winkels wird Strahlung, die entlang der Vorzugsrichtung polarisiert ist in zwei Komponenten aufgespaltet, die mit unterschiedlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit das optisch nichtlineare Element 4 durchlaufen. Mittels dieser Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung kann die Laseranordnung aber so ausgeführt werden, dass sie trotz der Verringerung der Konversionseffizienz insgesamt verbesserte Eigenschaften aufweist.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel propagieren Strahlungsanteile, die entlang der x-Achse polarisiert sind, mit einer anderen Ausbreitungsgeschwindigkeit durch das optisch nichtlineare Element 4 als Strahlungsanteile, die entlang der z-Achse polarisiert sind. Diese Differenz in der Ausbreitungsgeschwindigkeit bewirkt eine Drehung der Polarisationsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge beim Durchlauf durch das optisch nichtlineare Element 4.
Die effektive Polarisationsdrehung, also die Drehung der Polarisation der Strahlung nach dem Durchtritt des Kristalls relativ zur Polarisation der Strahlung vor dem Eintritt in den Kristall, hängt hierbei sowohl von der Wellenlänge der Strahlung als auch von der Temperatur des optisch nichtlinearen Kristalls ab.
Dies wird durch die Simulationsergebnisse veranschaulicht, welche in den 6A und 6B gezeigt sind. Diesen Simulationen liegt exemplarisch die Annahme zugrunde, dass das polarisationsselektive Element für s-polarisierte Strahlung einen Verlust von 20% verursacht, während p-polarisierte Strahlung am polarisationsselektiven Element keine Verluste erfährt. Als doppelbrechendes Medium wurde ein optisch nichtlinearer Lithium-Niobat-Kristall mit einer Dicke von 2 mm angenommen, dessen Kristallachse in einem Winkel von 45° zur Vorzugsrichtung des polarisationsselektiven Elements angeordnet ist. Wie die 6B zeigt, führt die Abhängigkeit der effektiven Drehung der Polarisation von der Wellenlänge bei konstanter Temperatur zu prozentualen Filterverlusten L, die sinusartig zwischen 0% und 20% oszillieren.
6A verdeutlicht weiterhin, dass die Position der Transmissionsminima und -maxima aufgrund des thermooptischen Effekts auch von der Temperatur abhängen. Die Änderungsrate beträgt etwa –0,5 nm/K.
Die 6A zeigt weiterhin, dass jeder Wellenlänge λ mehrere Minima der Filterverluste L bei unterschiedlichen Temperaturen zugeordnet sind.
Bei der in 1 schematisch dargestellten Laseranordnung wirkt also das optisch nichtlineare Element 4 in Kombination mit dem polarisationsselektiven Element 5 als ein wellenlängenselektives Element. Die Wellenlängen, bei der die Filterverluste minimal sind, hängen von der Temperatur des optisch nichtlinearen Elements ab. Somit ist im Betrieb der Laseranordnung mittels einer Änderung der Temperatur des optisch nichtlinearen Elements die im Resonator bevorzugte Wellenlänge für die Fundamentalstrahlung einstellbar.
In den 7A und 7B sind weiterhin Simulationsergebnisse der Konversionseffizienz dargestellt, wobei die Konversionseffizienz η_n auf ihren Maximalwert normiert ist.
Wie 7B zeigt, weist die Konversionseffizienz bei konstanter Temperatur ein Hauptmaximum auf, das in diesem Beispiel bei 1060 nm liegt. Von dem Hauptmaximum ausgehend fällt die Konversionseffizienz sowohl zu kleineren als auch zu größeren Wellenlängen stark ab und beträgt auch in den Nebenmaxima eine Effizienz von deutlich weniger als zehn Prozent bezogen auf die Konversionseffizienz im Hauptmaximum.
Anhand von 7A wird weiterhin deutlich, dass die spektrale Position des Hauptmaximums von der Temperatur des optisch nichtlinearen Elements abhängt. In dem gezeigten Beispiel für Lithium-Niobat beträgt die Änderungsrate 0,08 nm/K.
Simulationsergebnisse der Konversionseffizienz in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ und der Temperatur T sind in 8 als Graustufendarstellung gezeigt, wobei die im Zusammenhang mit den 6A und 6B beschriebenen Filterverluste und die anhand der 7A und 7B beschriebene Abhängigkeit der Konversionseffizienz von Temperatur und Wellenlänge berücksichtigt sind.
Die Konversionseffizienz ist wiederum in normierter Darstellung gezeigt. Die 8 zeigt, dass für verschiedene Betriebspunkte, also für verschiedene Temperaturen des optisch nichtlinearen Elements, lokale Maxima der Konversionseffizienz erzielt werden können. In diesen Maxima fallen die Minima der Filterverluste (6A und 6B) mit den Maxima der Konversionseffizienz (7A und 7B) zusammen. Die spektrale Position der Maxima der Konversionseffizienz verschiebt sich mit steigender Temperatur zu größeren Wellenlängen.
Durch die Temperatur des optisch nichtlinearen Elements als einzigen Betriebsparameter kann also die Wellenlänge der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge und eine hohe Konversionseffizienz eingestellt werden.
Beispielsweise kann beim Betrieb der Laseranordnung bei einer Umgebungstemperatur von 300 K durch Heizen des optisch nichtlinearen Kristalls auf eine Temperatur von etwa 310 K eine hohe Konversionseffizienz von Strahlung einer Wellenlänge von etwa 1057 nm erzielt werden. Im Unterschied hierzu müsste bei einer herkömmlichen Laseranordnung, bei der das wellenlängenselektive Element separat vom optisch nichtlinearen Kristall ausgeführt ist, jeweils auf eine Temperatur geheizt werden, die oberhalb der maximalen Umgebungstemperatur liegt, in der die Laseranordnung zum Betrieb vorgesehen ist. Auf ein starkes Heizen des optisch nichtlinearen Elements kann also aufgrund der Vielzahl von möglichen Betriebspunkten bei der beschriebenen Laseranordnung verzichtet werden. Der für das Heizen erforderliche Energieverbrauch kann minimiert werden.
Der spitze Winkel zwischen der Kristallachse 40 und der Vorzugsrichtung der Polarisation beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 5° und einschließlich 40°, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 10° und einschließlich 30°. So kann eine hohe Konversionseffizienz der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge in frequenzgemischte Strahlung bei gleichzeitig hoher Selektivität des Resonators 3 bezüglich der Polarisation der zu verstärkenden Strahlung erzielt werden.
Die Frequenzkonversion wurde lediglich exemplarisch für Frequenzverdopplung beschrieben. Das optisch nichtlineare Element kann allgemein für optisch nichtlineare Frequenzmischung, insbesondere Frequenzvervielfachung, Summenfrequenzerzeugung, Differenzfrequenzerzeugung und parametrische Verstärkung, vorgesehen sein.
Das polarisationsselektive Element 5 ist in den in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel von dem optisch nichtlinearen Element 4 beabstandet ausgeführt und exemplarisch zwischen dem optisch nichtlinearen Element und dem zweiten Spiegel 32 des Resonators angeordnet. Davon abweichend kann das polarisationsselektive Element auch zwischen dem aktiven Bereich 20 und dem optisch nichtlinearen Element 4 angeordnet sein.
Zweckmäßigerweise ist zumindest einer der Spiegel 31, 32 des Resonators 3 als Auskoppelspiegel, insbesondere zur Auskopplung der frequenzkonvertierten Strahlung, vorgesehen. Der Auskoppelspiegel weist vorzugsweise für die Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge eine höhere Reflektivität auf als für die frequenzkonvertierte Strahlung.
Von der gezeigten Darstellung abweichend kann zumindest einer der Spiegel 31, 32 des Resonators 3 als ein gekrümmter Spiegel ausgeführt sein. Die im Resonator propagierende Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge kann so auf einfache Weise im Resonator, insbesondere im Bereich des optisch nichtlinearen Elements, fokussiert werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Laseranordnung ist in 2 in perspektivischer schematischer Darstellung gezeigt. Dieses zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in Zusammenhang mit 1 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied hierzu ist im Resonator 3 zusätzlich zu dem polarisationsselektiven Element 5 ein weiteres polarisationsselektives Element 51 angeordnet. Das weitere polarisationsselektive Element 51 weist eine Oberfläche 510 auf, die schräg zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung im Resonator 3 angeordnet ist. Die Oberfläche 510 kann parallel oder im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 50 des polarisationsselektiven Elements 5 verlaufen. Mittels dieses weiteren polarisationsselektiven Elements kann die Selektivität des Resonators bezüglich der Polarisation der im Resonator propagierenden Strahlung weitergehend erhöht werden. Die Anordnung des polarisationsselektiven Elements 5 und des weiteren polarisationsselektiven Elements 51 relativ zum optisch nichtlinearen Element 4 ist hierbei weitgehend frei wählbar. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die polarisationsselektiven Elemente 5, 51 exemplarisch auf unterschiedlichen Seiten des optisch nichtlinearen Elements 4 angeordnet. Durch die Anordnung zweier polarisationsselektiver Elemente auf unterschiedlichen Seiten des optisch nichtlinearen Elements kann der spektrale Abstand der Verlustminima um einen Faktor 2 erhöht werden.
Ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Laseranordnung ist in 3 schematisch in perspektivischer Darstellung gezeigt. Dieses dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in Zusammenhang mit 1 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied hierzu ist das polarisationsselektive Element 5 mittels eines Umlenkspiegels 33 gebildet, der im Resonator 3 angeordnet ist. Eine Oberfläche 330 des Umlenkspiegels ist derart zur Ausbreitungsrichtung der vom aktiven Bereich 20 emittierten und im Resonator zu verstärkenden Strahlung schräg gestellt, dass die an dem Umlenkspiegel 33 reflektierte Strahlung auf den zweiten Spiegel 32 des Resonators trifft. Die Oberfläche 330 verläuft in dem gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zur z-Achse, so dass die x-y-Ebene die Einfallsebene für die im Resonator 3 propagierende Strahlung bildet.
Der Umlenkspiegel 33 kann beispielsweise so ausgeführt sein, dass senkrecht polarisierte Strahlung, also parallel zur z-Achse polarisierte Strahlung, stärker reflektiert wird als Strahlung, die parallel zur Einfallsebene polarisiert ist. In diesem Fall bildet also die z-Achse die Vorzugsrichtung für die Polarisation der im Resonator 3 propagierenden Strahlung.
Wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben schließt eine Kristallachse 40 des optisch nichtlinearen Elements 4 einen spitzen Winkel mit der Vorzugsrichtung der Polarisation, in diesem Ausführungsbeispiel also mit der z-Achse, ein. Bei einer Laseranordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird demnach diejenige Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge am stärksten in frequenzkonvertierte Strahlung konvertiert, die parallel zur z-Achse polarisiert ist und die weiterhin durch das optisch nichtlineare Element keine effektive Polarisationsdrehung erfährt.
In diesem Ausführungsbeispiel kann einer der Spiegel 31, 32 oder der Umlenkspiegel 33 als Auskoppelspiegel ausgebildet sein.
Ein viertes Ausführungsbeispiel für eine Laseranordnung ist in 4 schematisch perspektivisch dargestellt. Dieses vierte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in Zusammenhang mit 1 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied hierzu ist das polarisationsselektive Element 5 mittels des optisch nichtlinearen Elements 4, insbesondere mittels einer Oberfläche 41 des optisch nichtlinearen Elements 4 gebildet. Das polarisationsselektive Element ist also im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen nicht von dem optisch nichtlinearen Element beabstandet, sondern in dieses integriert. Auf ein zusätzliches polarisationsselektives Element innerhalb des Resonators kann in diesem Ausführungsbeispiel verzichtet werden. Der Resonator 3 kann also frei von zusätzlichen optischen Elementen, insbesondere frei von zusätzlichen polarisationsselektiven und/oder wellenlängenselektiven Elementen, ausgebildet sein. Die Anzahl der optischen Komponenten im Resonator 3 ist so weitergehend minimiert.
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist das optisch nichtlineare Element 4 schräg zu einer Ausbreitungsrichtung der vom aktiven Bereich emittierten Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge angeordnet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel verläuft eine Oberfläche 41 des optisch nichtlinearen Elements 4 exemplarisch parallel zur z-Achse und steht schräg zur y-Achse, welche wiederum die Ausbreitungsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge im Resonator angibt.
Die x-y-Ebene bildet demnach die Einfallsebene für die Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge. Parallel zur Einfallsebene polarisierte Strahlung, also Strahlung deren Polarisation in der x-y-Ebene liegt, erfährt an der Oberfläche 41 des optisch nichtlinearen Elements 4 eine schwächere Reflexion als Strahlung, die senkrecht zur Einfallsebene, also entlang der z-Achse, polarisiert ist.
Mittels dieser Anordnung des optisch nichtlinearen Elements 4 relativ zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung wird für die im Resonator 3 propagierende Strahlung also eine Vorzugsrichtung vorgegeben, die parallel zur x-Achse verläuft.
Vorzugsweise ist die Oberfläche 41 des optisch nichtlinearen Elements 4 für Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge im Brewster-Winkel angeordnet. In diesem Fall erleidet parallel polarisierte Strahlung keine oder zumindest keine wesentlichen Reflexionsverluste beim Eintritt in das optisch nichtlineare Element 4, während senkrecht polarisierte Strahlung teilweise an der Oberfläche reflektiert wird.
Die Kristallachse 40 verläuft vorzugsweise senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung im Resonator. Eine von 90° verschiedene Anordnung der Kristallachse 40 bezüglich der Ausbreitungsrichtung würde wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben zu einer ungewollten Verringerung der Konversionseffizienz führen.
Die Kristallachse 40 schließt wiederum mit der Vorzugsrichtung der Polarisation, also der x-Achse, einen spitzen Winkel ein. Wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben führt dies dazu, dass das optisch nichtlineare Element 4 als ein selektiv polarisationserhaltendes Element ausgeführt sein kann, das beim Durchtritt der Strahlung durch das optisch nichtlineare Element nur für bestimmte Wellenlängen keine effektive Drehung der Polarisationsrichtung bewirkt.
Somit erfährt wiederum diejenige Strahlung die maximale Konversion im Resonator, die entlang der Vorzugsrichtung für die Polarisation polarisiert ist und für deren Wellenlänge weiterhin im optisch nichtlinearen Element 4 die λ/2-Bedingung erfüllt ist.
In diesem Ausführungsbeispiel wirkt das optisch nichtlineare Element gleichzeitig als frequenzkonvertierendes Element, als polarisationsselektives Element und als wellenlängenselektives Element. Auf zusätzliche Elemente zur Wellenlängenstabilisierung und/oder zur Polarisationsstabilisierung der im Resonator propagierenden Strahlung kann also verzichtet werden.
Ein fünftes Ausführungsbeispiel ist in 5 schematisch in Schnittansicht dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in Zusammenhang mit 1 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, insbesondere hinsichtlich der Ausgestaltung des optisch nichtlinearen Elements 4 und des polarisationsselektiven Elements 5. Die Schnittebene der 5 entspricht der x-y-Ebene in der perspektivischen Darstellung in 1.
Davon abweichend ist bei diesem Ausführungsbeispiel aber auch eine andere Konfiguration für den Resonator 3, insbesondere eine Konfiguration gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mit zwei polarisationsselektiven Elementen 5, 51, gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel mit einem Umlenkspiegel 33 im Resonator 3 und gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel mit einer Ausrichtung des optisch nichtlinearen Elements 4 schräg zur Ausbreitungsrichtung, geeignet.
Gemäß diesem fünften Ausführungsbeispiel weist die Laseranordnung 1 einen Halbleiterkörper 2 auf, der den aktiven Bereich 20 umfasst.
Der Halbleiterkörper 2 ist als ein Halbleiterlaser mit vertikaler Emissionsrichtung ausgeführt. Ein solcher Laser wird abkürzend auch als Vertikalemitter bezeichnet. Das heißt, die im Betrieb erzeugte Laserstrahlung tritt senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers 2 aus. Der Halbleiterkörper 2 umfasst weiterhin den ersten Spiegel 31 des Resonators 3. Der erste Spiegel 31 kann hierbei insbesondere als ein Bragg-Spiegel ausgeführt sein.
Davon abweichend kann der erste Spiegel auch außerhalb des Halbleiterkörpers 2 angeordnet sein. Beispielsweise kann der erste Spiegel mittels einer Metallschicht gebildet sein, die auf dem Halbleiterkörper 2 angeordnet ist.
Auch ein Spiegel, der vom Halbleiterkörper beabstandet ist, kann als erster Spiegel für den Resonator 3 Anwendung finden.
Der Halbleiterkörper 2 weist weiterhin eine Pumpstrahlungsquelle 6 mit einem aktiven Bereich 60 auf. Die Pumpstrahlungsquelle 6 ist mittels des ersten Kontakts 61 und des zweiten Kontakts 62 von verschiedenen Seiten des aktiven Bereichs der Pumpstrahlungsquelle her elektrisch kontaktierbar.
Die Kontakte 61, 62 können beispielsweise ein Metall, etwa Gold, Titan, Platin, Silber oder Aluminium enthalten oder aus einem solchen Material bestehen oder eine Legierung mit zumindest einem der genannten Metalle enthalten oder aus einer solchen Legierung bestehen.
Im Betrieb der Laseranordnung 1 können durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Kontakten Ladungsträger von verschiedenen Seiten des aktiven Bereichs 60 in diesen injiziert werden und dort unter Emission von Strahlung rekombinieren. Die so erzeugte Pumpstrahlung propagiert in lateraler Richtung, also entlang einer Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs 60. Diese Pumpstrahlung wird in den aktiven Bereich 20 des Vertikalemitters eingekoppelt und pumpt diesen optisch.
Der Halbleiterkörper enthält vorzugsweise ein III-V-Halbleitermaterial. Mittels III-V-Halbleitermaterialien kann Strahlung mit hoher interner Quanteneffizienz erzeugt werden.
Infrarotstrahlung, die mittels Frequenzverdopplung in den grünen Spektralbereich konvertiert werden kann, etwa Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von zirka 1060 nm, kann beispielsweise mittels des Materialsystems Al_xIn_yGa_1-x-yAs, mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, insbesondere mit x ≠ 1, y ≠ 1, x ≠ 0 und/oder y ≠ 0 erzeugt werden.
Je nachdem, welche Wellenlänge für die Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge gewünscht ist, können auch andere III-V-Halbleitermaterialien verwendet werden. Beispielsweise eignet sich Al_xIn_yGa_1-x-yN, mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, insbesondere mit x ≠ 1, y ≠ 1, x ≠ 0 und/oder y ≠ 0 für die Erzeugung von Strahlung vom grünen über den blauen bis in den ultravioletten Spektralbereich.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind der aktive Bereich 20 des Vertikalemitters und die Pumpstrahlungsquelle 6 in einen gemeinsamen Halbleiterkörper monolithisch integriert. So ist eine besonders kompakte Bauform der Laseranordnung 1 erzielbar.
Davon abweichend kann die Pumpstrahlungsquelle aber auch außerhalb des Halbleiterkörpers 2 mit dem aktiven Bereich 20 angeordnet sein. Weiterhin kann der Halbleiterkörper 2 auch derart ausgeführt sein, dass der aktive Bereich 20 selbst elektrisch gepumpt werden kann. Auf eine Pumpstrahlungsquelle kann in diesem Fall verzichtet werden.
Der Halbleiterkörper 2 ist auf einem Träger 21 angeordnet. Der Träger 21 kann beispielsweise mittels eines Aufwachssubstrats für die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers 2 gebildet sein. Der Halbleiterkörper 2 kann epitaktisch, etwa mittels MOCVD oder MBE auf dem Aufwachssubstrat abgeschieden sein.
Davon abweichend kann der Träger 21 auch von dem Aufwachssubstrat verschieden sein. In diesem Fall muss der Träger 21 nicht die hohen Anforderungen an ein Aufwachssubstrat, etwa hinsichtlich der kristallinen Reinheit und der Kristallstruktur, erfüllen, sondern kann vielmehr im Hinblick auf andere physikalische Eigenschaften wie hohe thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit gewählt werden.
Weiterhin kann der Träger 21 von dem gezeigten Ausführungsbeispiel abweichend auch auf der dem aktiven Bereich 20 abgewandten Seite des ersten Spiegels 31 angeordnet sein. In diesem Fall ist der Träger 21 also außerhalb des Resonators 3 angeordnet und muss somit nicht notwendigerweise für die im aktiven Bereich 20 erzeugte Strahlung transparent sein.
Als Material für das Aufwachssubstrat eignet sich beispielsweise bei einem Halbleiterkörper, der Al_xIn_yGa_1-x-yAs enthält, Galliumarsenid. Für einen Träger, der vom Aufwachssubstrat verschieden ist, kann beispielsweise Silizium oder Germanium verwendet werden.
Für den Fall dass der Träger 21 vom Aufwachssubstrat verschieden ist, kann die mechanische Stabilisierung des Halbleiterkörpers über den Träger erfolgen. Das Aufwachssubstrat ist hierfür also nicht mehr erforderlich und kann nach der epitaktischen Abscheidung des Halbleiterkörpers vollständig oder zumindest bereichsweise entfernt werden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Laseranordnung (1), die einen zur Erzeugung von Strahlung einer Fundamentalwellenlänge vorgesehenen aktiven Bereich (20), einen Resonator (3) und ein optisch nichtlineares Element (4) mit einer Kristallachse (40) aufweist, wobei – innerhalb des Resonators (3) ein polarisationsselektives Element (5) gebildet ist, so dass eine Polarisation der im Resonator propagierenden Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge eine Vorzugsrichtung aufweist; – das optisch nichtlineare Element (4) dafür vorgesehen ist, die Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge zumindest teilweise in frequenzkonvertierte Strahlung umzuwandeln; – das optisch nichtlineare Element (4) für eine Quasi-Phasenanpassung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge und der frequenzkonvertierten Strahlung vorgesehen ist; und – die Kristallachse (40) des optisch nichtlinearen Elements (4) einen spitzen Winkel mit der Vorzugsrichtung der Polarisation einschließt.
Laseranordnung nach Anspruch 1, bei der das optisch nichtlineare Element (4) als λ/2-Element gestaltet ist.
Laseranordnung nach Anspruch 2, bei der das optisch nichtlineare Element (4) derart ausgeführt und im Resonator angeordnet ist, dass die Laseranordnung (1) eine Mehrzahl von Betriebspunkten aufweist, in denen die Konversionseffizienz für die Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge ein lokales Maximum besitzt und in denen gleichzeitig eine λ/2-Bedingung für diese Wellenlänge erfüllt ist.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der spitze Winkel zwischen der Kristallachse (40) und einer Ebene ausgebildet ist, die von der Vorzugsrichtung der Polarisation und einer Ausbreitungsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge im Resonator (3) aufgespannt wird.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Kristallachse (4) die Achse ist, für die der Koeffizient der Suszeptibilität zweiter Ordnung bei einer Polarisation der einfallenden Strahlung parallel zur Kristallachse maximal ist.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Kristallachse (4) senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge im Resonator (3) steht.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der ein Nichtlinearitäts-Koeffizient des optisch nichtlinearen Elements (4) entlang einer Ausbreitungsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge moduliert ist.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das optisch nichtlineare Element (4) periodisch gepolt ist.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Kristallachse (40) des optisch nichtlinearen Elements (4) mit der Vorzugsrichtung der Polarisation einen Winkel zwischen einschließlich 5° und einschließlich 40°, insbesondere zwischen einschließlich 10° und einschließlich 30°, einschließt.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das polarisationsselektive Element (5) von dem optisch nichtlinearen Element (4) beabstandet ist.
Laseranordnung nach Anspruch 10, bei der das polarisationsselektive Element (5) mittels einer Oberfläche (50) gebildet ist, die schräg zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge angeordnet ist.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das polarisationsselektive Element (5) mittels einer Oberfläche (41) des optisch nichtlinearen Elements (4) gebildet ist.
Laseranordnung nach Anspruch 12, bei der die Oberfläche (41) des optisch nichtlinearen Elements (4) für Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge im Brewster-Winkel angeordnet ist.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, die einen Halbleiterkörper (2) aufweist, im dem der aktive Bereich (20) ausgebildet ist, wobei der Halbleiterkörper (2) als ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit vertikaler Emissionsrichtung ausgebildet ist.
Laseranordnung nach Anspruch 14, bei der der aktive Bereich (20) des Halbleiterkörpers (2) mittels einer Pumpstrahlungsquelle (6) optisch pumpbar ist, die außerhalb des Halbleiterkörpers (2) angeordnet oder monolithisch in den Halbleiterkörper (2) integriert ist.