DE102014207723A1

DE102014207723A1 - Laser mit verteilter Rückkopplung

Info

Publication number: DE102014207723A1
Application number: DE102014207723.0A
Authority: DE
Inventors: Mark Bennemann; Andre Geßner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-10-29

Abstract

Es ist ein Laser mit verteilter Rückkopplung (100) angegeben, der eine Schicht (102) eines aktiven Mediums und eine Rückkopplungsstruktur (104) mit einem optischen Gitter zur verteilten Rückkopplung aufweist. Entweder weist das optische Gitter entlang einer ersten Richtung (401) eine erste Gitterperiode (406) und entlang einer zweiten Richtung (402) eine zweite Gitterperiode (405), die ungleich der ersten Gitterperiode (406) ist, auf, oder das optische Gitter ist als Volumengitter mit variierendem Brechungsindex ausgebildet, so dass zwei spektral getrennte Laseremissionen generiert werden, welche räumlich nicht voneinander getrennt sind. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Lasers mit Verteilter Rückkopplung und ein Verfahren zu Herstellung eines Lasers.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft das Generieren von zwei spektral getrennten Laseremissionen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Laser mit verteilter Rückkopplung, die Verwendung eines Lasers mit verteilter Rückkopplung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Lasers.
Technischer Hintergrund
Heutzutage ist es möglich, mit Lasern mit verteilter Rückkopplung, auch Distributed Feedback Laser genannt, Laseremissionen mit einer sehr geringen spektralen Bandbreite zu generieren. Dabei kann das aktive Material des Lasers eine Struktur mit wechselnder Brechzahl aufweisen, welches ein eindimensionales Interferenzgitter bzw. einen Bragg-Spiegel bildet. Die Interferenz von der vom aktiven Material erzeugten Strahlung an dem Interferenzgitter führt zu einer wellenlängenselektiven Reflexion, so dass eine bestimmte Wellenlänge gezielt extrahiert wird.
Um eine Probe mit mehr als einer Wellenlänge zu bestrahlen, kann es bisher erforderlich sein, die Probe entweder mehrmals nacheinander anzuregen oder eine breitbandige Anregungslichtquelle zu verwenden, der mehrere Monochromatoren nachgeschaltet sind, welche eine selektive spektrale Anregung erlauben. Das mehrmalige Anregen kann beispielsweise mittels unterschiedlicher Laser bzw. mit einem Kontinuumstrahler erfolgen, wobei die breitbandige Anregungslichtquelle beispielsweise als Xenon-Lampe ausgeführt sein kann. Durch das mehrmalige Anregen der Probe können dabei Luminophore in der Probe verändert oder gar zerstört werden. Außerdem kann die Messzeit dadurch erhöht werden, und es können unter Umständen mehrere Anregungsquellen erforderlich sein. Die Verwendung einer breitbandigen Anregungslichtquelle kann bedingt durch die Strahlführung und die benötigten Komponenten außerdem mit hohen Kosten verbunden sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung für eine verbesserte Anregung von Proben bzw. von Stoffen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen und nebengeordneten Ansprüche. Weiterbildungen und Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Laser mit verteilter Rückkopplung, der eine Schicht eines aktiven Mediums und eine Rückkopplungsstruktur mit einem optischen Gitter zur verteilten Rückkopplung aufweist. Dabei weist das optische Gitter entlang einer ersten Richtung eine erste Gitterperiode auf und entlang einer zweiten Richtung eine zweite Gitterperiode, die ungleich der ersten Gitterperiode ist, so dass zwei spektral getrennte Laseremissionen generiert werden, welche räumlich nicht voneinander getrennt sind.
Mit anderen Worten kann ein Kerngedanke der Erfindung darin gesehen werden, einen Laser mit verteilter Rückkopplung bereitzustellen, der eine Rückkopplungsstruktur zur Extraktion von zumindest zwei spektral getrennten Laseremissionen aufweist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Rückkopplungsstruktur zumindest ein optisches Gitter aufweist, das als Kreuzgitter ausgeführt ist. Auf diese Weise wird ein Laser bereitgestellt, der gleichzeitig zwei spektral getrennte Wellenlängen einer Probe anregen kann.
Unter einem Laser mit verteilter Rückkopplung kann dabei ein Distributed Feedback Laser bzw. ein DFB-Laser verstanden werden. Dieser Laser mit verteilter Rückkopplung kann beispielsweise eine Schicht eines aktiven Mediums aufweisen, welche auf einem Substrat angeordnet ist. Ferner kann der Laser mit verteilter Rückkopplung auch als Laserdiode bzw. als Halbleiterlaser ausgeführt sein.
Die Rückkopplungsstruktur kann ein zweidimensionales oder ein dreidimensionales optisches Gitter mit wechselndem Brechungsindex aufweisen. Dabei wechselt der Brechungsindex des optischen Gitters entlang der ersten Richtung mit der ersten Gitterperiode und entlang der zweiten Richtung mit der zweiten Gitterperiode. Das heißt, dass die erste Gitterperiode und die zweite Gitterperiode jeweils eine Periode der periodischen Änderung des Brechungsindex des optischen Gitters sein können. Dabei sind die erste Richtung und die zweite Richtung nicht parallel zueinander und die erste Gitterperiode kann ungleich der zweiten Gitterperiode sein. Außerdem kann das optische Gitter auch entlang einer dritten Richtung eine dritte Gitterperiode aufweisen. Das heißt, dass entlang einer dritten Richtung des optischen Gitters der Brechungsindex mit einer dritten Periode variieren kann. Die erste und zweite Richtung und gegebenenfalls auch die dritte Richtung können bei einem zweidimensionalen Kreuzgitter in der Ebene der Rückkopplungsschicht liegen. Das Kreuzgitter kann beispielsweise als Gravur in der Schicht des aktiven Mediums ausgeführt sein. Außerdem kann das Kreuzgitter durch Interferenz Holographie, Prägen, Gießen und/oder Lithographie erzeugt werden. Das Volumengitter kann als Schichtung von Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes vorgesehen sein. Beim Volumengitter kann die aktive Schicht des Lasers beispielsweise das optische Gitter selbst sein. Dies kann durch Einbettung eines Luminophors in das Volumengitter erfolgen.
Da das optische Gitter zumindest zwei unterschiedliche Gitterperioden aufweist, können an dem optischen Gitter Lichtwellen mit zumindest zwei bestimmten Wellenlängen reflektiert werden. Die Wellenlängen des reflektierten Lichtes können dabei von der Gitterperiode des optischen Gitters abhängen. Auf diese Weise kann der Laser zwei spektral getrennte Laseremissionen generieren, welche räumlich nicht voneinander getrennt sind. Dabei kann unter dem Merkmal, dass die zwei spektral getrennten Laseremissionen räumlich nicht voneinander getrennt sind, verstanden werden, dass die zwei spektral getrennten Laseremissionen im selben optischen Gitter extrahiert werden. Mit anderen Worten kann darunter verstanden werden, dass die zwei spektral getrennten Laseremissionen demselben Punkt auf der Oberfläche des Lasers entstammen können.
Das Erzeugen der Besetzungsinversion im aktiven Medium bzw. das Pumpen des Lasers kann beispielsweise auf optische oder auf elektrische Weise erfolgen. Es sind jedoch auch andere Arten des Erzeugens der Besetzungsinversion möglich. Zum optischen Pumpen können die Schicht des aktiven Mediums beispielsweise mit einer Lichtquelle bzw. einem Laser bestrahlt werden. Zum elektrischen Pumpen kann beispielsweise eine Spannung an den Laser angebracht werden.
Mit dem Laser gemäß der vorliegenden Erfindung können in der Bioanalytik mehrere Biomarker während einer Messung angeregt werden (Multiplexing). Ferner können gleichzeitig mehrere Absorptionsbänder von Fluoreszenzfarbstoffen für Strukturaufklärungen angeregt werden. Dabei können gezielt bestimmte elektronische Zustände angeregt bzw. abgeregt werden. Durch dieses Multiplexing kann ferner auch die Dauer von Messungen deutlich verringert werden, was insbesondere bei instabilen Proben von Vorteil sein kann. Ein weiterer Vorteil dieses Lasers mit verteilter Rückkopplung kann die schmalbandige Laseremission darstellen. Dadurch kann auf die Bereitstellung von Filtern und Monochromatoren verzichtet werden. Ferner kann dadurch eine sehr kompakte Bauweise des Lasers ermöglicht werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist das optische Gitter ein als Kreuzgitter ausgebildetes Oberflächengitter.
Mit anderen Worten kann das optische Gitter als zweidimensionales Gitter ausgeführt sein. Das heißt, dass das optische Gitter eine Schicht der Schicht des aktiven Mediums und/oder eine benachbarte Schicht der Schicht des aktiven Mediums sein kann. Beispielsweise kann es sich beim optischen Gitter um Gravuren in der Schicht des aktiven Mediums handeln, die kreuzweise in der Schicht des aktiven Mediums vorgesehen sind. Solche Gravuren können außerdem auch in einer Schicht, die auf der aktiven Schicht aufgebracht ist, vorgesehen sein. Beispielsweise kann auf der aktiven Schicht eine AZO-Polymer-Schicht aufgebracht sein, in der die Gravuren vorgesehen sind.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist das optische Gitter ein Volumengitter.
Beispielsweise kann das Volumengitter eine Schichtung von Materialien mit wechselnden Brechungsindizes sein. Beispielsweise kann durch Bestrahlen des Materials des Volumengitters mit einem Laser eine gezielte Veränderung der chemischen Struktur hervorgerufen werden, was eine Änderung des Brechungsindexes zu Folge hat. Interferenz Holographie kann so ein Volumengitter in dem Material erzeugen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Luminophor in das optische Gitter eingebettet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Luminophor“ in seiner üblichen, dem Fachmann geläufigen Bedeutung verstanden und bezieht sich auf einen Stoff, welcher Lumineszenz zeigt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Lumineszenz“ in seiner üblichen, dem Fachmann geläufigen Bedeutung verstanden und bezieht sich auf die optische Strahlung eines physikalischen Systems, welche beim Übergang von einem angeregten Zustand in den Grundzustand entsteht.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Luminophor um einen Farbstoff, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Xanthenen, Rhodaminen, Alexa-Farbstoffen, Cyaninen, Cumarinen, Oxazinen, Perylenen, Naphthylimiden, Naphthyldiimiden, Stilbenen, Styrylen, Pyrromethenen sowie Gemischen aus diesen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Luminophor um einen Lanthanoidkomplex, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lumi4Tb, Lanthascreen-Tb, Europium-Kryptate sowie Gemischen aus diesen. Formel (I) zeigt den N-Hydrosuccinimid-Ester des Lumi4Tb-Komplexes.
Formel 1
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Luminophor um einen Quantenpunkt, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus InAs, InP, GaAs, GaP, GaN, InGaAs, GaInP/InP, CdO, CdSe, CdS, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, PbS, PbSe, PbTe, HgS, HgSe, HgTe sowie Gemische aus diesen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Quantenpunkt“ in seiner üblichen, dem Fachmann geläufigen Bedeutung verstanden und bezieht sich auf einen Kern aus kolloidalen Halbleiter-Partikeln, auf welchen mindestens eine Schale epitaktisch aufgeschichtet wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „Kern“ auf Partikel, welche Halbleiter-Materialien umfassen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „Schalen“ auf Schichten umfassend Halbleiter-Materialien oder passivierende Materialien, welche den Kern umgeben.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „epitaktisch“ auf das Aufbringen der einzelnen Schalen auf das Substrat, wobei die erste Schale auf den Kern aufgewachsen und die weiteren Schalen auf die jeweils äußerste Schale aufgewachsen werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem besagten aktiven Medium um ein Polymer, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus (Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenvinylen] (MEH-PPV), Poly[2-methoxy-5-(3′,7′-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenvinylen] (MDMO-PPV), Poly(2,3-diphenyl-1,4-phenylenvinylen) (DP-PPV), Poly(2,3-diphenyl-5-hexyl-p-phenylen vinylen) (DP6-PPV), Poly(2,3-diphenyl-5-octyl p-phenylen vinylen) (DP8-PPV), Poly(2,3-diphenyl-5-decyl-p-phenylenvinylen) (DP10-PPV), Poly(9,9-dioctylfluorene (PFO), Poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-alt-co-(1,4-benzo-{2,1’,3}-thiadiazole)] (F8PT) und Poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(1,4-benzo-{2,1’,3}-thiadiazole)] 10% benzothiadiazole (F8PT*) sowie Gemische aus diesen.
Bevorzugt handelt es sich bei dem besagten aktiven Medium umPoly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenvinylen] (MEH-PPV), z.B. von der Firma ADS (ADS100RE).
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung schließen die erste Richtung und die zweite Richtung einen Winkel ein, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 30°, 60° und 90°.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung liegt der Absolutbetrag der Differenz der ersten Gitterperiode und der zweiten Gitterperiode zwischen 1 nm und 20 nm, vorzugsweise zwischen 15 nm und 20 nm.
Mit einer solchen Differenz der ersten und zweiten Gitterperiode kann unter Umständen eine spektrale Trennung der zwei Laseremissionen von ungefähr 40 nm erreicht werden. Auf diese Weise kann es einfacher sein, passende Biomarker zu finden, da die spektrale Trennung ausreichend groß ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Laser dazu ausgeführt, Lichtwellen, die an der Rückkopplungsschicht in zweiter Ordnung gebeugt werden, zu emittieren.
Mit anderen Worten kann es sich bei dem Laser um einen Oberflächenemitter handeln. Bei einem Oberflächenemitter kann eine definierte Oberfläche für die Emission vorgesehen sein. Daher kann ein Oberflächenemitter einfach hergestellt werden. Ferner ist es auch möglich, dass der Laser mehrere Beugungsordnungen erzeugt. Beispielsweise kann der Laser ein Kantenemitter (erste Beugungsordnung) und Oberflächenemitter (zweite Beugungsordnung) sein.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Laser dazu ausgeführt, die zwei spektral getrennten Laseremissionen in einem Bereich von 600 nm bis 700 nm, vorzugsweise von 600 nm bis 650 nm, zu erzeugen.
Dabei ist anzumerken, dass der Bereich der erzeugten Laseremissionen vom Luminophor abhängen kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines Lasers mit verteilter Rückkopplung, deren Kontext der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, zur Generierung von mindestens zwei spektral getrennten Laseremissionen zur gleichzeitigen Anregung mehrerer Luminophore in der Bioanalytik oder zur Strukturauflösung durch gezielte Anregung von elektronischen Übergängen in der Spektroskopie.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines Lasers mit verteilter Rückkopplung, der im Kontext der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, zur Generierung von mindestens zwei spektral getrennten Laseremissionen zur parallelen Verwendung mehrerer Übertragungskanäle in der Kommunikationstechnik oder zum Erhalten einer zusätzlichen Wellenlänge als Sicherheitsmerkmal bei einer Übertragung in der Sicherheitstechnik.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lasers. Das Verfahren weist die Schritte der Bereitstellung einer Schicht eines aktiven Mediums und der Bereitstellung einer Rückkopplungsschicht mit einem optischen Gitter, wobei das optische Gitter entlang einer ersten Richtung eine erste Gitterperiode aufweist und entlang einer zweiten Richtung eine zweite Gitterperiode aufweist, die ungleich der ersten Gitterperiode ist, oder wobei das optische Gitter als Volumengitter mit variierendem Brechungsindex ausgebildet ist, so dass zwei spektral getrennte Laseremissionen generiert werden, welche räumlich nicht voneinander getrennt sind, auf.
Merkmale und Vorteile, die in Bezug zum Laser oder der Vorrichtung genannt werden, gelten auch in Bezug auf das Verfahren. Die Schritte des Verfahrens können in der angegebenen Reihenfolge, in einer anderen Reihenfolge oder parallel zueinander durchgeführt werden.
Mit diesem Herstellungsverfahren kann ein Laser, der im Kontext der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, hergestellt werden. Dabei kann der Laser einfach und kostengünstig herzustellen sein. Es können lediglich zwei einfache Arbeitsschritte erforderlich sein: Erstens das Strukturieren des optischen Gitters und zweitens das Beschichten der Schicht des aktiven Mediums. Dies kann in Massenproduktion und kostengünstig realisiert werden. Beispielsweise können Prägetechniken, Roll-to-Roll-Produktion und/oder Ink-Jet Printing angewendet werden. Es ist auch möglich den Luminophor direkt in das zu strukturierte Material einzubetten. Somit können das Vermischen und das Strukturieren als Arbeitsschritte erforderlich sein.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt einen Laser mit verteilter Rückkopplung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2A, 2B und 2C zeigen Möglichkeiten zur Erzeugung von Laseremissionen mit unterschiedlichen Wellenlängen jeweils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3A, 3B, 3C und 3D zeigen jeweils einen Laser mit verteilter Rückkopplung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4A, 4B und 4C zeigen jeweils ein Kreuzgitter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 zeigt einen Laser mit verteilter Rückkopplung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6A und 6B zeigen jeweils einen Querschnitt eines Volumengitters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
7 zeigt ein Ausgangsspektrum eines Lasers mit verteilter Rückkopplung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Dabei sind die Figuren schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellt. Sind in der nachfolgenden Beschreibung in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen angegeben, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Gleiche oder ähnliche Elemente können aber auch mit unterschiedlichen Bezugszeichen bezeichnet sein.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In 1 ist ein Laser mit verteilter Rückkopplung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Laser mit verteilter Rückkopplung 100 weist eine Schicht 102 eines aktiven Mediums auf. Diese Schicht 102 des aktiven Mediums ist mit einem UV-Kleber 103 auf einem Substrat 101 angebracht bzw. angeklebt. Der Laser mit verteilter Rückkopplung umfasst ferner eine Rückkopplungsstruktur 104 mit einem optischen Gitter zur verteilten Rückkopplung. Dieses optische Gitter ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine Mehrzahl von Gravuren in der Schicht des aktiven Mediums 102 ausgeführt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Gravuren sinusförmig bzw. wellenförmig. Die Gravuren können jedoch auch eine rechteckige Form oder andere Formen aufweisen. Entlang einer ersten Richtung weist das optische Gitter 104 eine erste Gitterperiode 107 auf. Entlang einer zweiten Richtung weist das optische Gitter eine zweite Gitterperiode auf, die ungleich der ersten Gitterperiode ist, was in diesem Ausführungsbeispiel aufgrund der zweidimensionalen Darstellung nicht dargestellt ist. Statt Gravuren kann das Kreuzgitter auch durch Interferenz Holographie, Prägen, Gießen und/oder Lithographie erzeugt werden.
Zum Erzeugen der Besetzungsinversion in der Schicht des aktiven Mediums 102 wird das aktive Medium mit einer Lichtquelle bestrahlt 105. Durch das optische Gitter 104 werden durch die Bragg Reflexion zwei spektral getrennte Laseremissionen 106 extrahiert, die räumlich nicht voneinander getrennt sind. Das heißt, dass beide spektrale getrennte Laseremissionen im selben optischen Gitter 104 erzeugt werden bzw. demselben Punkt entstammen.
In den 2A, 2B und 2C sind verschiedene Methoden gezeigt, wie die Wellenlänge des emittierten Lichtes verändert werden kann. Die Wellenlänge λ_em des emittierten Lichtes hängt dabei von dem effektiven Brechungsindex n_eff des optischen Gitters, von der Periode der Rückkopplungsstruktur Λ und von der Beugungsordnung m an der Rückkopplungsstruktur ab. Diese Größen sind über die Bragg-Gleichung miteinander verknüpft:
Die Einstellung der emittierten Laserwellenlänge λ_em kann entsprechend durch Variation der Gitterperiode Λ (2A), der Schichtdicke (2B) und/oder des Brechungsindex n (2C) erfolgen.
In 2A ist ein Laser mit verteilter Rückkopplung dargestellt. Der Laser weist eine Schicht 102 des aktiven Materials auf, das mit einem UV-Kleber 103 auf einem Substrat 101 angeordnet ist. Der Laser mit verteilter Rückkopplung weist dabei drei unterschiedliche Bereiche 201, 202 und 203 auf, in welchen sich die Periode der Rückkopplungsstruktur, das heißt die Gitterperiode des optischen Gitters, unterscheiden. Mit anderen Worten weisen die Gravuren in der Schicht 102 des aktiven Materials in den der Bereichen 201, 202 und 203 jeweils unterschiedliche Abstände bzw. Perioden auf. Somit werden in den drei unterschiedlichen Bereichen 201, 202 und 203 des Lasers mit verteilten Rückkopplungen durch die Bragg Reflexion Laseremissionen 204, 205 und 206 mit unterschiedlichen Wellenlängen selektiert.
In 2B ist ein Laser mit verteilter Rückkopplung dargestellt, der drei unterschiedliche Bereiche 207, 208 und 209 aufweist. In diesem Fall weist das aktive Medium in den drei unterschiedlichen Bereichen 207, 208 und 209 jeweils eine unterschiedliche Dicke auf. Die Schichtdicke der einzelnen Schichten beeinflusst den effektiven Brechungsindex der Gesamtstruktur, da die Anteile der elektrischen Mode der Laserstrahlung sich anders verteilen und so der Brechungsindex der Schicht unterschiedlich eingerechnet wird.
In 2C ist ein Laser mit verteilter Rückkopplung mit drei unterschiedlichen Bereichen 213, 214 und 215 dargestellt, wobei das aktive Medium in den drei unterschiedlichen Bereichen 213, 214 und 215 jeweils einen anderen Brechungsindex aufweist. Auf diese Weise ändert sich der effektive Brechungsindex in der Bragg-Gleichung, wodurch unterschiedliche Laseremissionen 216, 217 und 218 generiert werden.
In den 3A, 3B, 3C und 3D sind Laser mit verteilter Rückkopplung jeweils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dabei sind verschiedene Möglichkeiten gezeigt, wie die Rückkopplungsstruktur in dem Laser mit verteilter Rückkopplung vorgesehen sein kann. Dabei ist anzumerken, dass aufgrund der zweidimensionalen Darstellung lediglich eine Richtung mit einer Gitterperiode des optischen Gitters dargestellt ist.
In 3A ist die Schicht des aktiven Mediums 102 mit einem UV-Kleber 103 auf dem Substrat 101 angebracht. Die Rückkopplungsstruktur bzw. das optische Gitter ist zwischen der Schicht 102 des aktiven Materials und dem UV-Kleber vorgesehen. Dabei handelt es sich bei dem optischen Gitter um Gravuren in der Schicht 102 des aktiven Materials, die mit dem UV-Kleber 103 aufgefüllt werden, so dass in diesem Bereich ein wechselnder Brechungsindex entsteht.
In 3B ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei welchem die Schicht des aktiven Mediums 102 auf dem Substrat 101 angebracht ist. Oberhalb der Schicht des aktiven Mediums 102 ist wiederum eine Schicht 301, zum Beispiel eine AZO-Polymer-Schicht, angebracht. In dieser AZO-Polymer-Schicht ist das optische Gitter beispielsweise in Form von Gravuren vorgesehen. Somit entsteht in diesem Bereich zwischen der Schicht 301 und der umgebenden Luft ein Gitter mit wechselndem Brechungsindex.
In 3C ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, dass das aktive Medium 102 und das Substrat 101 korrespondierende Gravuren aufweisen, so dass an der Grenzschicht zwischen aktivem Medium 102 und Substrat 101 ein Bereich mit wechselndem Brechungsindex entsteht.
In 3D ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, dass die Schicht des aktiven Mediums auf der oberen Seite ein optisches Gitter in Form von Gravuren aufweist. Der wechselnde Brechungsindex ergibt sich in diesem Bereich aus dem Übergang vom aktiven Material zur Luft der Umgebung.
In den 4A und 4B ist jeweils eine Draufsicht auf den Laser mit verteilter Rückkopplung der 3A bis 3D entlang der Schnittebene A-A’ gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
In 4A ist gezeigt, dass der Laser mit verteilter Rückkopplung eine Rückkopplungsstruktur in Form eines Kreuzgitters aufweist. Die Linie 403 bezeichnet dabei einen Wellenkamm bzw. ein Wellental des Kreuzgitters, das entlang der ersten Richtung 401 angeordnet ist. Ebenso bezeichnet die Linie 404 ein Wellental bzw. einen Wellenkamm des Kreuzgitters entlang der zweiten Richtung 402. Entlang der ersten Richtung 401 weist das Kreuzgitter die erste Gitterperiode 406 und entlang der zweiten Richtung 402 die zweite Gitterperiode 405 auf. Der Winkel 407 zwischen der ersten Richtung 401 und der zweiten Richtung 402 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 90°.
In 4B ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei welchem der Winkel 412 zwischen der ersten Richtung 409 und der zweiten Richtung 408 45° beträgt. Entlang der ersten Richtung 409 weist das optische Gitter dabei die Periode 410 und entlang der zweiten Richtung 408 die zweite Gitterperiode 411 auf.
In 4C ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei welchem das optische Gitter jeweils entlang dreier Richtungen wechselnde Brechungsindizes aufweist. Entlang der ersten Richtung 413 weist das optische Gitter dabei die erste Gitterperiode 418, entlang der zweiten Richtung 415 die zweite Gitterperiode 416 und entlang der dritten Richtung 414 die dritte Gitterperiode 417 auf.
In 5 ist ein Laser mit verteilter Rückkopplung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei welchem die Rückkopplungsstruktur als Volumengitter ausgeführt ist. Dabei ist auf dem Substrat 101 ein Volumengitter mit Schichten von abwechselnden Brechungsindizes 501 und 502 dargestellt. Dabei weisen die Schichten 501 einen ersten Brechungsindex und die Schichten 502 einen zweiten Brechungsindex auf. Diese Schichten 501 und 502 sind alternierend angeordnet. Die Laserstrahlung 503 wird in einer Richtung, die senkrecht zwischen diesen Schichten ist, ausgestrahlt.
Die aktive Schicht des Lasers gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das optische Gitter selbst. Dies erfolgt durch Einbettung des Luminophors. Der Laser ist als Kantenemitter (erste Beugungsordnung) ausgeführt. Es ist aber auch möglich, den Laser als Oberflächenemitter bereitzustellen.
In den 6A und 6B ist jeweils eine Draufsicht auf den in 5 dargestellten Laser mit verteilter Rückkopplung entlang der Ebene B-B’ dargestellt.
In 6A ist gezeigt, dass entlang der ersten Richtung 601 die Schichten 501 und 502 abwechselnd zueinander angeordnet sind. Ebenfalls sind entlang der zweiten Richtung 602, die senkrecht zur ersten Richtung 601 ist, die Schichten 603 und 604 abwechselnd zueinander angeordnet. Auf diese Weise entsteht ein dreidimensionales bzw. volumenförmiges Kreuzgitter.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 6B weist die Rückkopplungsstruktur entlang der ersten Richtung 605 Schichten 609 und 610 mit abwechselnden Brechungsindizes auf. Entlang der zweiten Richtung 606 sind die Schichten 607 und 608 mit abwechselnden Brechungsindizes angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel zwischen den Schichten 609, 610 und 607, 608 ungefähr 45°.
Ferner ist auch ein Volumengitter denkbar, bei welchem Schichtungen entlang dreier Richtungen analog zu 4C angeordnet sind.
In 7 ist ein Diagramm mit einem Ausgangsspektrum eines Lasers mit verteilter Rückkopplung gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung dargestellt. Dabei wurde bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Resonatorstruktur gewählt, bei welchem die erste Gitterperiode entlang der ersten Richtung des optischen Gitters gegenüber der zweiten Gitterperiode entlang der zweiten Richtung des optischen Gitters um 1 nm verschoben ist. Als aktives Material wurde das konjugierte Polymer MEHPPV Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenvinylen] (ADS ADS100RE) verwendet. Dieses aktive Medium wurde optisch gepulst angeregt.
In 7 ist ein Diagramm dargestellt, wobei die Achse 701 die Wellenlänge des emittierten Laserlichts in nm und die Achse 702 die Intensität des emittierten Laserlichts in Anzahl von Events darstellen. Es ist zu sehen, dass zwei spektral getrennte Laseremissionen 703 und 704 erzeugt werden. Diese beiden Laseremissionen sind räumlich nicht getrennt, da sie ihren Ursprung am gleichen Punkt auf der Oberfläche des Lasers haben.
Ergänzend sei darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ oder aufweisend keine anderen Elemente ausschließt und „ein“ oder „einer“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele oder Ausführungsformen beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele oder Ausführungsformen verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.

Claims

Laser mit verteilter Rückkopplung, aufweisend: eine Schicht eines aktiven Mediums; eine Rückkopplungsstruktur mit einem optischen Gitter zur verteilten Rückkopplung; wobei das optische Gitter entlang einer ersten Richtung eine erste Gitterperiode aufweist und entlang einer zweiten Richtung eine zweite Gitterperiode aufweist, die ungleich der ersten Gitterperiode ist, oder wobei das optische Gitter als Volumengitter mit variierendem Brechungsindex ausgebildet ist, so dass zwei spektral getrennte Laseremissionen generiert werden, welche räumlich nicht voneinander getrennt sind.
Laser nach Anspruch 1, wobei das optische Gitter ein als Kreuzgitter ausgebildetes Oberflächengitter ist.
Laser nach Anspruch 1, wobei das optische Gitter ein Volumengitter ist.
Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Luminophor in das optische Gitter eingebettet ist.
Laser nach Anspruch 4, wobei es sich bei dem Luminophor um a) einen Farbstoff, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Xanthenen, Rhodaminen, Alexa-Farbstoffen, Cyaninen, Cumarinen, Oxazinen, Perylenen, Naphthylimiden, Naphthyldiimiden, Stilbenen, Styrylen, Pyrromethenen sowie Gemischen aus diesen, und/oder b) einen Lanthanoidkomplex, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lumi4Tb, Lanthascreen-Tb, Europium-Kryptate sowie Gemischen aus diesen, und/oder c) einen Quantenpunkt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus InAs, InP, GaAs, GaP, GaN, InGaAs, GaInP/InP, CdO, CdSe, CdS, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, PbS, PbSe, PbTe, HgS, HgSe, HgTe sowie Gemische aus diesen handelt.
Laser mit nach Anspruch einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es sich bei besagtem aktivem Medium um ein Polymer handelt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenvinylen] (MEH-PPV), Poly[2-methoxy-5-(3′,7′-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenvinylen] (MDMO-PPV), Poly(2,3-diphenyl-1,4-phenylenvinylen) (DP-PPV), Poly(2,3-diphenyl-5-hexyl-p-phenylen vinylen) (DP6-PPV), Poly(2,3-diphenyl-5-octyl p-phenylen vinylen) (DP8-PPV), Poly(2,3-diphenyl-5-decyl-p-phenylenvinylen) (DP10-PPV) sowie Gemische aus diesen.
Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung einen Winkel einschließen, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 30°, 60° und 90°.
Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Absolutbetrag der Differenz der erste Gitterperiode und der zweite Gitterperiode zwischen 1 nm und 10 nm liegt, vorzugsweise zwischen 1 nm und 5 nm.
Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Laser dazu ausgeführt ist, Lichtwellen, die an der Rückkopplungsschicht in zweiter Ordnung gebeugt werden, zu emittieren.
Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Laser dazu ausgeführt ist, die zwei spektral getrennten Laseremissionen in einem Bereich von 600 nm bis 700 nm, vorzugsweise von 600 nm bis 650 nm, zu erzeugen.
Verwendung eines Lasers mit verteilter Rückkopplung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Generierung von mindestens zwei spektral getrennten Laseremissionen zur gleichzeitigen Anregung mehrerer Luminophore in der Bioanalytik oder zur Strukturauflösung durch gezielte Anregung von elektronischen Übergängen in der Spektroskopie.
Verwendung eines Lasers mit verteilter Rückkopplung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Generierung von mindestens zwei spektral getrennten Laseremissionen zur parallelen Verwendung mehrerer Übertragungskanäle in der Kommunikationstechnik oder zum Erhalten einer zusätzliche Wellenlänge als Sicherheitsmerkmal bei einer Übertragung in der Sicherheitstechnik.
Verfahren zur Herstellung eines Lasers, aufweisend die Schritte: Bereitstellung einer Schicht eines aktiven Mediums; und Bereitstellung einer Rückkopplungsschicht mit einem optischen Gitter, wobei das optische Gitter entlang einer ersten Richtung eine erste Gitterperiode aufweist und entlang einer zweiten Richtung eine zweite Gitterperiode aufweist, die ungleich der ersten Gitterperiode ist, oder wobei das optische Gitter als Volumengitter mit variierendem Brechungsindex ausgebildet ist, so dass zwei spektral getrennte Laseremissionen generiert werden, welche räumlich nicht voneinander getrennt sind.