DE102020115133A1

DE102020115133A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Laserpulses

Info

Publication number: DE102020115133A1
Application number: DE102020115133.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Spiekermann
Original assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Current assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Priority date: 2020-06-08
Filing date: 2020-06-08
Publication date: 2021-12-09
Also published as: WO2021250000A1; US20230216272A1

Abstract

Verfahren zum Erzeugen eines Laserpulses, wobei bei dem Verfahren- ein erster Halbleiterlaser in Form einer Breitstreifen-Laser-Diode verwendet wird, um einen Pumplaserpuls zu erzeugen,- der Pumplaserpuls zum Pumpen eines zweiten Halbleiterlasers verwendet wird, wobei der Laserpuls kürzer als der Pumplaserpuls ist und wobei der zweite Halbleiterlaser wenigstens 20 in Emissionsrichtung des Laserpulses übereinander angeordnete Quantentöpfe aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Laserpulses sowie eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.
Insbesondere bei industriellen Anwendung im Bereich der Materialbearbeitung aber auch in vielen anderen technischen Anwendungsgebieten kommen Ultrakurzpulslaser zum Einsatz. Je nach Anwendung werden diese verwendet, um Laserpulse mit einer Pulslänge von weniger als 50 ps, bevorzugt weniger als 10 ps bis zu einer Pulslänge von wenigen fs zu erzeugen.
Aus dem Stand der Technik sind Laseranordnungen bekannt, die diese Art der Laserpulse erzeugen können. Ein Aufbau einer 10 ps Laserquelle aus dem Stand der Technik beinhaltet zunächst einen relativ leistungsschwachen Injektionslaser. Der von diesem ausgesandte Laserpuls wird einem nachgeschalteten Leistungsverstärker zugeführt. Damit emittieren typische Injektionslaser Pulse mit einer Energie von einigen nJ, die sukzessive auf einige µJ bis hin zu mJ nachverstärkt werden können. Bei einem Injektionslaser handelt es sich um einen Halbleiterlaser, der mehrere übereinander angeordnete Schichten verschiedener Materialien aufweist, wobei die Laserstrahlung an den Seitenflächen des so aufgebauten Schichtpaketes, also parallel zur Schichtebene, austritt. Er kann gepulst betrieben werden und dabei insbesondere mit elektrischem Strom gepumpt werden. Nachteilig ist allerdings der recht große Divergenzwinkel der ausgesandten Laserstrahlung.
Andere Injektionslaser sind als modengekoppelte Faserlaser mit Abmessungen von einigen 10 cm x 10 cm aufgebaut. Zudem werden recht teure Faserkomponenten und Halbleiterkomponenten verwendet. Nachteilig sind an dieser Art der Injektionslaser der hohe Kostenaufwand und der große benötigte Bauraum. Zudem liegen die Pulswiederholraten bei derartigen Lasern freilaufend im Bereich einiger MHz. Typische Anwendungen verlangen jedoch nach Pulswiederholraten im Bereich von unter einem MHz. Um dies zu erreichen, werden im Stand der Technik gezielt einzelne Pulse aus dem Pulszug extrahiert, wozu elektrooptische und/oder akustooptischen Modulatoren eingesetzt werden, die zusätzliche Kosten verursachen.
Eine Laseranordnung zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulse ist aus der WO 2008/116357 A1 bekannt. Ein erster Halbleiterlaser wird mit einer elektrischen Stromquelle gepumpt. Die dabei erzeugten Laserpulse werden einem optischen Verstärker zugeführt, der ebenfalls ein Halbleiter sein kann. Diese optischen Verstärker sind aus dem Stand der Technik seit langem als „semiconductor optical amplifier“ (SOA) bekannt. Die Pulslänge hängt in dieser Anordnung von der Pulslänge ab, die in dem ersten Halbleiterlaser erzeugt wird.
Aus der WO 2010/064238 A1 ist eine Laseranordnung bekannt, bei der eine doppelte Gewinnschaltung verwendet wird, um den Laserpuls zu erzeugen. Bei dem Verfahren der Gewinnschaltung wird der jeweilige zu pumpende Laser mit einem Energiepuls einer bestimmten zeitlichen Länge gepumpt. Jeder Laserresonator benötigt eine Pulsaufbauzeit um eine kohärente Strahlung zu emittieren. Ist die Länge des Pumppulses kürzer als die Pulsaufbauzeit, so emittiert der Laser einen Puls, dessen Länge allein durch die Verstärkung und die Resonatorkonfiguration des Lasers bestimmt ist. Dies wird ausgenutzt, um einen Ultrakurzpuls zu erzeugen, der anschließend optisch verstärkt wird. Die WO 2010/064238 A1 schlägt hingegen vor, den ersten Laserpuls, der von dem Halbleiterlaser ausgesandt wird, erneut als Pumppuls für einen Faserlaser zu verwenden. Dadurch lassen sich zwar extrem kurze Pulse erzeugen, die oben bereits genannten Nachteile der Faserlaser bleiben jedoch bestehen. Aus der Literatur sind derartige „Kaskaden-Gewinnschaltungen“ bekannt, bei denen Laserpulse mit einer Länge von einigen ns und einer Spitzenleistung im Bereich einiger kW erzeugt werden konnten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der ultrakurze Laserpulse einfach und kostengünstig erzeugt werden können, ohne dass viel Bauraum benötigt wird.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Laserpulses, wobei bei dem Verfahren ein erster Halbleiterlaser in Form einer Breitstreifen-Laser-Diode verwendet wird, um einen Pumplaserpuls zu erzeugen, und der Pumplaserpuls zum Pumpen eines zweiten Halbleiterlasers verwendet wird, wobei der Laserpuls kürzer als der Pumplaserpuls ist und der zweite Halbleiterlaser wenigstens 20 in Emissionsrichtung des Laserpulses übereinander angeordnete Quantentöpfe aufweist. Vorzugsweise ist die Länge des Laserpulses kürzer als 80% der Länge des Pumplaserpulses.
Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Breitband-Laser-Diode, die den ersten Halbleiterlaser bildet, vorzugsweise elektrisch gepumpt. Dabei wird ein elektrischer Energiepuls verwendet, so dass die Breitband-Laser-Diode gewinngeschaltet betrieben wird. Dazu ist es von Vorteil, wenn der Pumpprozess vor dem Emissionsprozess abgeschlossen ist, also die Pulsaufbauzeit der Breitband-Laser-Diode länger als die Länge des elektrischen Pumppulses ist. Dadurch sollen Nachpulse verhindert werden. Gleichzeitig darf die Pulsaufbauzeit nicht so lang sein, dass die durch den elektrischen Pumppuls erzeugten freien Ladungsträger durch Rekombination wieder verschwinden und der Laserpuls daher nicht erzeugt wird.
Der so erzeugte Pumppuls, den die Breitband-Laser-Diode aussendet, wird als Pumppuls für den zweiten Halbleiterlaser verwendet. Dieser verfügt über Quantentöpfe, in denen durch den Pumppuls die benötigten freien Ladungsträger erzeugt werden. Die Anzahl der Quantentöpfe ist dabei unter anderem maßgeblich für die Pulsaufbauzeit. Es wird bevorzugt ein oberflächenemittierender optisch gepumpter Halbleiterlaser (OPSL) verwendet. Dieser emittiert die Laserstrahlung senkrecht zur Schichtebene der einzelnen Schichten. Der beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete zweite Halbleiterlaser verfügt über wenigstens 20 Quantentöpfe, die in Emissionsrichtung übereinander angeordnet sind. Durch die Erhöhung der Anzahl der Quantentöpfe gegenüber herkömmlichen OPSL wird die speicherbare Energie und damit die Verstärkung erhöht, so dass die Pulsaufbauzeit reduziert wird und ein Puls emittiert wird bevor die gespeicherte Energie durch Rekombination verloren geht. Das bedeutet, dass die Pulsaufbauzeit einerseits größer als die Länge des Pumplaserpulses ist und andererseits klein genug ist, um das Lasern des zweiten Halbleiterlasers zu ermöglichen.
Vorzugsweise verfügt der zweite Halbleiterlaser über wenigstens 50, bevorzugt wenigstens 75, besonders bevorzugt wenigstens 100 Quantentöpfe, die in Emissionsrichtung übereinander angeordnet sind. Dadurch wird die Energie der erzeugten Laserpulse erhöht. Gleichzeitig wird jedoch auch die Pulsaufbauzeit reduziert. Es kann daher von Vorteil oder sogar nötig sein, die Pulsaufbauzeit zusätzlich auf andere Weise zu erhöhen, etwa indem der Resonator des zweiten Halbleiterlasers verlängert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind in dem zweiten Halbleiterlaser mehrere, bevorzugt zwei oder drei Quantentöpfe so dicht beieinander angeordnet, dass sie sich innerhalb eines Interferenz-Bauches der stehenden Welle befinden, die sich im Resonator aufbaut. Man kann auch von Mehrfachquantentöpfen, insbesondere von Doppelquantentöpfen oder Dreifachquantentöpfen sprechen. Besonders bevorzugt sind von diesen Mehrfachquantentöpfen mehrere, vorzugsweise mindestens 20, besonders bevorzugt wenigstens 50, in Emissionsrichtung übereinander angeordnet. Durch die Verwendung derartiger Mehrfachquantentöpfe ist es möglich, mehr Quantentöpfe auf kleinem Raum unterzubringen. Dies ist von Vorteil, weil die stehende Welle der Pumpstrahlung, die von der Breitband-Laser-Diode ausgesandt wurde, und die stehende Welle des gewinngeschalteten zweiten Halbleiterlasers außer Phase läuft. Dies wird verhindert oder zumindest abgeschwächt, je kleiner der Abstand zwischen den Quantentöpfen ist. Zudem ist es für die Qualität der Halbleiterepitaxie vorteilhaft, den gesamten Schichtaufbau so dünn wie möglich zu gestalten.
Vorzugsweise wird der erste Halbleiterlaser elektrisch gepumpt.
Vorteilhafterweise ist der Pumplaserpuls kürzer als 250 ps, bevorzugt kürzer als 150 ps, besonders bevorzugt kürzer oder gleich 100 ps.
Bevorzugt ist der erste Halbleiterlaser so ausgewählt, dass der Pumplaserpuls kürzer als die Pulsaufbauzeit des zweiten Halbleiterlasers ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der zweite Halbleiterlaser mittels des sogenannten „in-well-pumping“ gepumpt. Dabei wird die Energie des Pumplaserpulses direkt in die Quantentöpfe eingestrahlt und steht dort sofort zur Verfügung. Die Wellenlänge des Pumplichtes liegt dabei vorzugsweise ca. 50 nm unter der des Laserpulses. Beispielsweise wird der Pumplaserpuls mit einer Wellenlänge von 980 nm ausgesandt und die Wellenlänge des Laserpulses beträgt 1030 nm. Alternativ dazu kann auch das sogenannte „barrier-pumping“ verwendet werden, bei dem die Pumpenergie nicht direkt in die Quantentöpfe, sondern in Barrieren, also den Quantentöpfen benachbarte Halbleiterschichten, eingestrahlt wird. Diese Schichten sind in der Regel dicker als die der Quantentöpfe und ermöglichen daher höhere Absorptionseffizienzen. Allerdings steht die in den Barrieren absorbierte Energie nicht sofort den Quantentöpfen zur Verfügung. Die Wellenlänge der Pumpstrahlung liegt in diesem Fall vorzugsweise etwa 180 nm unter der des Laserpulses. Für die Erzeugung möglichst kurzer Pulse ist das „in-well-pumping“ von Vorteil.
Vorzugsweise ist der erzeugte Laserpuls kürzer als 50 ps, bevorzugt kürzer als 25 ps, besonders bevorzugt kürzer als oder gleich 10 ps.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Laserpulses, wobei die Vorrichtung einen ersten Halbleiterlaser in Form einer Breitstreifen-Laser-Diode und einen zweiten Halbleiterlaser mit wenigstens 20 in Emissionsrichtung des Laserpulses übereinander angeordneten Quantentöpfen aufweist und eingerichtet ist zum Durchführen eines hier beschriebenen Verfahrens. Bevorzugt weist der zweite Halbleiterlaser einen Resonator auf, dessen Länge derart ausgebildet ist, dass die Pulsaufbauzeit des zweiten Halbleiterlasers länger als der Pumplaserpuls ist. Der Pumplaserpuls ist dabei der Laserpuls, der von dem ersten Halbleiterlaser ausgesandt wird, wenn ein hier beschriebenes Verfahren durchgeführt wird. Vorzugsweise verfügt die Vorrichtung über wenigstens einen Leistungsverstärker, der eingerichtet und angeordnet ist, den Laserpuls zu verstärken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2008/116357 A1 [0005]
WO 2010/064238 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Laserpulses, wobei bei dem Verfahren - ein erster Halbleiterlaser in Form einer Breitstreifen-Laser-Diode verwendet wird, um einen Pumplaserpuls zu erzeugen, - der Pumplaserpuls zum Pumpen eines zweiten Halbleiterlasers verwendet wird, wobei der Laserpuls kürzer als der Pumplaserpuls ist und wobei der zweite Halbleiterlaser wenigstens 20 in Emissionsrichtung des Laserpulses übereinander angeordnete Quantentöpfe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Halbleiterlaser wenigstens 50, bevorzugt wenigstens 75, besonders bevorzugt wenigstens 100 in Emissionsrichtung übereinander angeordnete Quantentöpfe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Halbleiterlaser elektrisch gepumpt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumplaserpuls kürzer als 250 ps, bevorzugt kürzer als 150 ps, besonders bevorzugt kürzer oder gleich 100 ps ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Halbleiterlaser so ausgewählt ist, dass der Pumplaserpuls kürzer als die Pulsaufbauzeit des zweiten Halbleiterlasers ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserpuls kürzer als 50 ps, bevorzugt kürzer als 25 ps, besonders bevorzugt kürzer oder gleich 10 ps ist.
Vorrichtung zum Erzeugen eines Laserpulses, wobei die Vorrichtung einen ersten Halbleiterlaser in Form einer Breitstreifen-Laser-Diode und einen zweiten Halbleiterlaser mit wenigstens 20 in Emissionsrichtung des Laserpulses übereinander angeordnete Quantentöpfen aufweist und eingerichtet ist zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Halbleiterlaser einen Resonator aufweist, dessen Länge derart ausgebildet ist, dass die Pulsaufbauzeit des zweiten Halbleiterlasers länger als 80% der Länge des Pumplaserpulses ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens einen Leistungsverstärker aufweist, der eingerichtet und angeordnet ist, den Laserpuls zu verstärken.