-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Halbleiterlaservorrichtung umfassend ein Halbleiterlaserelement
mit mindestens einer Austrittsfläche,
aus der Laserlicht austreten kann, das in einer ersten Richtung
eine größere Divergenz
aufweist als in einer dazu senkrechten zweiten Richtung, mindestens
ein beabstandet zu der Austrittsfläche außerhalb des Halbleiterelementes
angeordnetes Reflexionsmittel mit einer reflektierenden Fläche, die
zumindest Teile des aus dem Halbleiterlaserelement durch die Austrittsfläche ausgetretenen
Lichts derart in das Halbleiterlaserelement zurückreflektieren kann, dass dadurch
das Modenspektrum des Halbleiterlaserelementes beeinflusst wird,
sowie ein zwischen dem Reflexionsmittel und dem Halbleiterlaserelement
angeordnetes Linsenmittel, das zumindest in der ersten Richtung
die Divergenz des Laserlichtes zumindest teilweise verkleinern kann.
-
Eine Halbleiterlaservorrichtung der
eingangs genannten Art ist aus OPTICS LETTERS, 2002, Vol. 27, No.
3, Seite 167 bis 169 bekannt. Bei der darin beschriebenen Halbleiterlaservorrichtung
wird als Halbleiterlaserelement eine Laserdiode verwendet, die als
sogenannter Breitstreifenemitter ausgebildet ist. Bei derartigen
Breitstreifenemittern sind beispielsweise Austrittsflächen für das Laserlicht
vorgesehen, die eine Breite von etwa 100 μm und eine Höhe von etwa 1 μm aufweisen. Über diese
Breite können
sich innerhalb des internen, durch die Endflächen der Laserdiode gebildeten
Resonators eine ganze Reihe von unterschiedlichen transversalen Moden
des Laserlichtes ausbilden. Gleichzeitig können auch eine ganze Reihe
von longitudinalen Moden, d. h. unterschiedlichen Wellenlängen des
Laserlichtes auftreten. Insbesondere die vielen unterschiedlichen
transversalen Moden beeinträchtigen die
Strahlqualität
des aus einem derartigen Breitstreifenemitters austretenden Laserstrahls.
Eine derartige Laserstrahlung ist nicht optimal fokussierbar. Die longitudinalen Moden
führen
zu einer für
verschiedene Anwendungen unerwünschten
spektralen Verbreiterung.
-
In der vorgenannten Veröffentlichung
wird daher ein externer Resonator vorgeschlagen, der einen hochreflektierenden
planen Spiegel umfasst. Zwischen dem Planspiegel und der dem externen Resonator
zugewandten Austrittsfläche
des Halbleiterlaserelementes sind zum einen eine Fast-Axis-Kollimationslinse
und zum anderen zwischen der Fast-Axis-Kollimationslinse und dem
Planspiegel eine sphärische
Konvexlinse angeordnet. Die Fast-Axis-Kollimationslinse dient dazu,
das in der ersten Richtung wesentlich stärker divergente Licht des Breitstreifenemitters
zu kollimieren. Die sphärische
Konvexlinse dient dazu, das von dem Planspiegel zurückreflektierte
Licht derart zu fokussieren, dass es im wesentlichen auf die Austrittsfläche zurück abgebildet
wird. Weiterhin ist in dem externen Resonator eine Aperturblende
vorgesehen. Sowohl die Aperturblende als auch der plane Spiegel
sind außerhalb
der optische Achse des externen Resonators bzw. außerhalb
der Normalen oder Mittelsenkrechten auf der Austrittsfläche angeordnet.
Es zeigt sich, dass bei Breitstreifenemittern die stärkeren Moden
in der Regel unter einem kleinen Winkel zur Normalen auf der Austrittsfläche aus
dieser austreten. Durch die außerhalb
der Achse positionierte Aperturblende werden somit nur Anteile einer
derartigen unter einem Winkel aus der Austrittsfläche austretenden Mode
auf den Spiegel fallen und von ihm durch die Aperturblende und die
sphärische
Linse zurück
auf die Austrittsfläche
reflektiert werden. Nur Licht aus einer oder mehrerer derartiger
Moden wird somit durch die Austrittsfläche in die Laserdiode zurückreflektiert. Auf
diese Weise kann erreicht werden, dass die Laserdiode im wesentlichen
auf dieser Mode anschwingt, so dass das Modenspektrum des Halbleiterlaserelementes
im wesentlichen auf eine transversale Mode reduziert wird.
-
Aus dem externen Resonator gemäß dem vorgenannten
Stand der Technik wird das Laserlicht dadurch ausgekoppelt, dass
die unter entgegengesetzt gleichem Winkel aus der Austrittsfläche austretenden
Teilstrahlen der entsprechenden bevorzugten transversalen Mode an
der Aperturblende und dem Planspiegel vorbei aus der Halbleiterlaservorrichtung austreten
können.
-
Als nachteilig bei der vorgenannten
Anordnung erweist sich, dass eine vergleichsweise große Anzahl
von unterschiedlichen optischen Elementen in dem externen Resonator
vorgesehen sind. Dies sind neben der Fast-Axis-Kollimationslinse
die sphärische
Linse, die Aperturblende und der plane Endspiegel. Durch die vielen
verschiedenen in dem externen Resonator vorgesehenen optischen Elemente treten
zum einen vermehrt Abbildungsfehler auf und entstehen zum anderen
große
Verluste, da sich diese Elemente innerhalb des Laserresonators befinden. Dadurch
wird aber die erreichbare Ausgangsleistung einer derartigen Halbleiterlaservorrichtung
stark begrenzt. Gleichzeitig können
die mit einer derartigen Halbleiterlaservorrichtung erreichbaren
Ausgangsleistungen nur mit einem hohen Kostenaufwand erzielt werden.
Zusätzlich
ist eine derartige Halbleiterlaservorrichtung nur schwer zu justieren.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist die Schaffung einer Halbleiterlaservorrichtung der eingangs
genannten Art, die mit einfachen Mitteln eine vergleichsweise hohe
Strahlqualität
und hohe Ausgangsleistung gewährleistet.
-
Dies wird erfindungsgemäß durch
die Merkmale gemäß den Ansprüchen 1 oder
6 erreicht.
-
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen,
dass die reflektierende Fläche
des Reflexionsmittels konkav gekrümmt ist. Auf diese Weise kann
gegenüber
dem vorbeschriebenen Stand der Technik auf die zusätzliche
sphärische
Linse innerhalb des externen Resonators verzichtet werden, weil
die konkav gekrümmte reflektierende
Fläche
gleichzeitig als abbildendes Element dienen kann.
-
Die reflektierende Fläche kann
beispielsweise sphärisch
gekrümmt
sein. Dabei kann das Linsenmittel, dass im wesentlichen als Fast-Axis-Kollimationslinse
dienen kann, derart ausgebildet sein, dass die Divergenz des aus
der Austrittsfläche
austretenden und durch das Linsenmittel hindurch tretenden Lichts
sowohl in der ersten Richtung als auch in der dazu senkrechten zweiten
Richtung für
einzelne transversale Moden im wesentlichen gleich ist. In diesem
Fall kann die reflektierende Fläche
in der ersten Richtung und in der dazu senkrechten zweiten Richtung
eine im wesentlichen gleich große
Krümmung aufweisen.
-
Alternativ dazu kann die reflektierende
Fläche
in der ersten Richtung und in der dazu senkrechten zweiten Richtung
unterschiedlich starke Krümmungen
aufweisen. In diesem Fall sollte das als Fast-Axis-Kollimationslinse
dienende Linsenmittel derart ausgebildet sein, dass nach Austritt
aus der Austrittsfläche
und Hindurchtritt durch das Linsenmittel die Divergenz in erster
und zweiter Richtung derart unterschiedlich ist, dass die unterschiedlich
starken Krümmungen
zusammen mit den unterschiedlich starken Krümmungen der reflektierenden
Fläche
in den beiden zueinander senkrechten Richtungen derart zusammenwirken,
dass eine vergleichsweise optimale Rückreflexion der gewünschten
Teilstrahlen auf die Austrittsfläche
gewährleistet
wird.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist der optische Abstand zwischen der reflektierenden
Fläche
und der Austrittsfläche
des Halbleiterlaserelements im wesentlichen gleich der Brennweite
der reflektierenden Fläche
hinsichtlich mindestens einer der Richtungen. Auf diese Weise wird
eine konfokale Anordnung der reflektierenden Fläche hinsichtlich der Austrittsfläche erreicht.
Hierbei kann der Durchmesser der zu einzelnen transversalen Moden
gehörenden
Teilstrahlen in der Ebene der Austrittsfläche ein Minimum (Strahltaille)
aufweisen, wodurch die Auswahl bestimmter Moden begünstigt werden
kann.
-
Gemäß Anspruch 6 ist vorgesehen,
dass die dem Reflexionsmittel zugewandte Austrittsfläche des Halbleiterlaserelementes
eine Breite von mehr als 200 μm
aufweist und die reflektierende Fläche nicht oder nur unwesentlich
gekrümmt
ist. Vorteilhafterweise weist die Austrittsfläche ein Breite von mehr als 500 μm, insbesondere
mehr als 1 mm auf. Derartige sehr breite Emitter erzeugen zum einen
sehr hohe Leistungen, wobei zum anderen die Divergenz in der Slow-Axis-Richtung, das heißt in der
Richtung, in der sich die Emitter über beispielsweise 1 mm erstrecken,
sehr klein, insbesondere beinahe beugungsbegrenzt klein ist. Aus
diesem Grund kann es bei derartig breiten Emittern ausreichend sein,
dass die reflektierende Fläche
eine nur unwesentliche Krümmung oder
gar keine Krümmung
aufweist, weil die geringen zusätzlichen
Verluste aufgrund der verbliebenen Restdivergenz in der Slow-Axis-Richtung
vergleichsweise vernachlässigbar
sind. Eine plane reflektierende Fläche ist einfacher herzustellen
und einfacher zu justieren.
-
Vorteilhafterweise könnte dabei
die reflektierende Fläche
oder mindestens eine der reflektierenden Flächen als wellenlängenselektives
Element, insbesondere als Gitter ausgebildet sein. Durch die Ausführung der
reflektierenden Fläche
als plane Fläche
kann in diese Fläche
problemlos ein Gitter zur Wellenlängenselektion integriert werden.
Dadurch kann ein zusätzliches
wellenlängenselektives
Element entfallen.
-
Weiterhin werden bevorzugt der optische
Abstand und/oder die Krümmung
der reflektierenden Fläche
derart gewählt,
dass der Strahldurchmesser von zu einzelnen transversalen Moden
gehörenden Teilstrahlen
des zu dem Halbleiterlaserelements zurückreflektierten Lichtes in
die Ebene der Austrittsfläche
im wesentlichen der Apertur entspricht, die durch die Austrittsfläche gebildet
wird. Auf diese Weise kann auf die aus dem Stand der Technik bekannte zusätzliche
Aperturblende im Inneren des externen Resonators verzichtet werden.
Letztlich werden Topologie, Ausrichtung und Abstand der reflektierenden Fläche derart
gewählt,
dass ein Fourier-Bild der Abstrahlung der Austrittsfläche in der
Ebene der Austrittsfläche
selbst erzeugt wird. Die Auswahl einer bestimmten transversalen
Mode kann hierbei dadurch erreicht werden, dass die reflektierende
Fläche
beispielsweise unter einem kleinen Winkel außerhalb der Achse, d. h. außerhalb
der Normalen oder Mittelsenkrechten auf der Austrittsfläche angeordnet
wird. Es besteht aber auch die Möglichkeit,
sich entlang der Normalen ausbreitende Moden mit einer reflektierenden
Fläche
zu selektieren, die senkrecht zur Normalen ausgerichtet ist. Weiterhin
kann dabei die Fläche
jeweils derart gedreht werden, dass unter dem gewünschten
Winkel aus der Austrittsfläche austretende,
einer bestimmten transversalen Mode entsprechende Teilstrahlen genau
auf die Austrittsfläche
zurück
reflektiert werden. Durch entsprechende Wahl der Position und Ausrichtung
der reflektierenden Fläche
kann somit eine gewünschte
transversale Mode ausgewählt
werden, die dann bevorzugt in das Halbleiterlaserelement zurück reflektiert
wird. Auf diese Weise wird mit einfachen Mitteln erreicht, dass die
Halbleiterlaservorrichtung Laserlicht abgibt, das im wesentlichen
nur eine transversale Mode oder wenige transversale Moden aufweist.
-
Bei dieser Ausführungsform erweist es sich als
besonders vorteilhaft, wenn die Strahltaille ähnlich groß ist wie die Austrittsfläche, weil
dann zum einen geringe Verluste auftreten und zum anderen eine hohe
Rückkopplung über die
gesamte Breite des Emitters beziehungsweise die gesamte Breite der Austrittsfläche ermöglicht wird.
Die hohe Rückkopplung über die
gesamte Breite der Austrittsfläche
und damit über
die gesamte Breite der Laserdiode ist für eine gleichmäßige Anregung
der bevorzugten Mode in einem möglichst
großen
Teil des zur Laseremission beitragenden Volumens der Laserdiode
bedeutsam.
-
Aufgrund der Tatsache, dass in der
Regel die Ausdehnung der Austrittsfläche in der Slow-Axis wesentlich
größer ist
als in der Fast-Axis,
erweist sich die erfindungsgemäße Ausstattung
der Halbleiterlaservorrichtung mit einem Linsenmittel und einem
Reflexionsmittel als durchaus sinnvoll. Insbesondere sollten ein
sehr kurz brennweitiges, als Fast-Axis-Kollimationslinse dienendes
Linsenmittel und ein vergleichsweise sehr lang brennweitiges Reflexionsmittel
verwendet werden. Dies hat seinen Grund unter anderem auch darin,
dass bei kurzbrennweitigen Reflexionsmitteln unter Umständen eine
zu kleine Strahltaille in Slow-Axis-Richtung auf der Austrittsfläche resultieren
würde.
Zwar könnte durch
die Defokussierung beziehungsweise Abstandsänderung des Reflexionsmittels
eine größere Strahltaille
erreicht werden, aber bei einem kurzbrennweitigen Reflexionsmittel
würden
sehr viele Moden in das Halbleiterlaserelement zurückgekoppelt,
da der Abstand der einzelnen Moden in der Fourierebene bei einer
sehr kurzen Brennweite sehr klein ist. Daher sollte vorzugsweise
eine langbrennweitige reflektierende Fläche des Reflexionsmittels verwendet
werden.
-
Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, dass
das Halbleiterlaserelement als Breitstreifenemitter ausgebildet
ist. Es besteht aber ebenso die Möglichkeit, dass das Halbleiterlaserelement
als Barren oder als Stack von Breitstreifenemittern ausgebildet
ist.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass
die der reflektierenden Fläche
zugewandte Austrittsfläche des
Halbleiterlaserelementes entspiegelt ist, wobei diese Entspiegelung
insbesondere durch eine geeignete Beschichtung realisiert werden
kann. Durch diese Entspiegelung wird die Rückkopplung aus dem externen
Resonator in das Halbleiterlaserelement verstärkt und die Rückkopplung
des internen Resonators erheblich verringert. Hierdurch erhöht sich
der Einfluss des externen Modulators auf das Modenspektrum.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung umfasst die Halbleiterlaservorrichtung zwei
Reflexionsmittel mit zwei reflektierenden Flächen, wobei die beiden reflektierenden Flächen jeweils
unter entgegengesetzt gleichen Winkeln zur Normalen auf der Austrittsfläche geneigt sind.
-
Hierbei können die beiden reflektierenden Flächen der
beiden Reflexionsmittel den gleichen optischen Abstand zu der Austrittsfläche des
Halbleiterlaserelementes aufweisen. Auf diese Weise können einer
transversalen Mode entsprechende Teilstrahlen, die unter entgegengesetzt
gleichen Winkeln zur Normalen auf der Austrittsfläche aus
dieser austreten, jeweils für
sich durch die beiden Reflexionsmittel auf die Auftrittsfläche zurück reflektiert
werden, so dass die Effektivität,
mit der durch den externen Resonator in den internen Resonator Licht
eingekoppelt wird, erhöht
wird.
-
Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung besteht die Möglichkeit, mindestens eine
der reflektierenden Flächen
der Reflexionsmittel als teilreflektierende Fläche auszubilden, so dass das
mindestens eine mit der teilreflektierenden Fläche ausgestattete Reflexionsmittel
als Auskoppler dient. Alternativ dazu können die beiden reflektierenden
Flächen
der Reflexionsmittel hoch reflektierend ausgebildet sein, wobei
eine von den reflektierenden Flächen
abgewandte Austrittsfläche
des Halbleiterlaserelementes teilreflektierend ausgebildet ist und
auf diese Weise als Auskoppler dient.
-
Gemäß einer alternativen bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Halbleiterlaserelement
und dem Reflexionsmittel ein Umlenkmittel angeordnet, das Teilstrahlen,
die unter einem Winkel zur Normalen auf der Austrittsfläche aus
dieser austreten, auf das Reflexionsmittel umlenken kann. Hierbei
kann das Umlenkmittel insbesondere derart ausgebildet sein, dass Teilstrahlen,
die unter entgegengesetzt gleichen Winkeln zur Normalen auf der
Austrittsfläche
aus dieser austreten, an gleichen Orten auf der reflektierenden Fläche des
Reflexionsmittels auftreffen, so dass sie ineinander überführt und
auf die Austrittsfläche
zurück
reflektiert werden können.
Eine derartige Ausführungsform
mit zusätzlichem
Umlenkmittel erspart somit das zweite Reflexionsmittel.
-
Hierbei kann insbesondere vorgesehen
sein, dass das Umlenkmittel und das Reflexionsmittel auf der durch
die Mittelsenkrechte auf der Austrittsfläche gegebenen Achse angeordnet
sind. Auf diese Weise ergibt sich ein achssymmetrischer Aufbau des
externen Resonators.
-
Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, dass
Umlenkmittel als Prismenelement auszubilden. Hierbei kann das Prismenelement
derart angeordnet sein, dass die Kathetenflächen der Austrittsfläche des Halbleiterelements
zugewandt sind. Weiterhin können
hierbei durch geeignete Wahl des Winkels zwischen der Hypotenusenfläche und
den Kathetenflächen
des Prismenelements und/oder durch geeignete Wahl des Abstandes
des Umlenkmittels von der Austrittsfläche Teilstrahlen, die unter
einem Winkel gegenüber
der Normalen auf der Austrittsfläche
aus dieser austreten, durch die reflektierende Fläche des Reflexionsmittels
ineinander überführt werden.
Insbesondere können
somit unterschiedliche transversale Moden dadurch ausgewählt werden,
dass man Prismenelemente mit unterschiedlichen Winkeln zwischen
Hypotenusenfläche
und Kathetenfläche und/oder
verschiedene Abstände
zwischen Umlenkmittel und Austrittsfläche verwendet.
-
Es besteht die Möglichkeit, dass die reflektierende
Fläche
des Reflexionsmittels bei der vorgenannten Anordnung mit einem Umlenkmittel
teilreflektierend ausgebildet ist, so dass das Reflexionsmittel
als Auskoppler dienen kann. Alternativ dazu kann die reflektierende
Fläche
des Reflexionsmittels bei dieser Anordnung hoch reflektierend ausgebildet sein,
wobei die von der reflektierenden Fläche abgewandte Austrittsfläche des
Halbleiterlaserelementes teilreflektierend ausgebildet ist und auf
diese Weise als Auskoppler dienen kann.
-
Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit,
dass zwischen dem Halbleiterlaserelement und dem Reflexionsmittel
ein wellenlängenselektives
Element angeordnet ist, das insbesondere als Etalon ausgeführt ist.
Das wellenlängeselektive
Element kann dabei zwischen dem Linsenmittel und dem Reflexionsmittel
angeordnet sein. Durch ein derartiges wellenlängenselektives Element besteht
die Möglichkeit,
bestimmte longitudinale Moden, insbesondere eine longitudinale Mode
auszuwählen,
so dass das ausgesandte Laserlicht eine geringe spektrale Breite aufweist.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
-
1a eine
schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung;
-
1b eine
Ansicht gemäß dem Pfeil
Ib in 1a;
-
2a eine
schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung;
-
2b eine
Ansicht gemäß dem Pfeil
IIb in 2a.
-
Aus 1a und 1b ist eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung
ersichtlich, die ein Halbleiterlaserelement 1, ein insbesondere
als Fast-Axis-Kollimationslinse
ausgeführtes
Linsenmittel 2 sowie mindestens ein als konkaver Spiegel
ausgeführtes
Reflexionsmittel 3 umfasst. Dabei bildet eine dem Halbleiterlaserelement 1 zugewandte
reflektierende konkave Fläche 4 zusammen
mit einer dem Reflexionsmittel 3 zugewandten Austrittsfläche 5 des
Halbleiterlaserelementes 1 einen externen Resonator.
-
Das Halbleiterlaserelement 1 ist
insbesondere als Halbleiterlaserdiode und dabei insbesondere als
Breitstreifenemitter ausgebildet. Bei einem Breitstreifenemitter
ist auf der in 1a und 1b rechten Seite eine Emissionsfläche vorgesehen,
die in X-Richtung (siehe 1a)
eine Ausdehnung von beispielsweise 100 μm aufweist und in Y-Richtung
(siehe 1b) eine Ausdehnung
von beispielsweise 1 μm
aufweist. Dementsprechend nennt man die X-Richtung bei einem derartigen
Breitstreifenemitter die Slow-Axis und die Y-Richtung die Fast-Axis.
Ein derartige Breitstreifenemitter weist insbesondere dann, wenn
man einzelne transversale Moden betrachtet, in der Fast-Axis und
damit in der Y-Richtung eine wesentlich größere Divergenz auf als in der Slow-Axis
und damit in der X-Richtung. In den 1a und 1b sind diese Größenverhältnisse nicht
realistisch dargestellt, sondern zur Verdeutlichung abgeändert.
-
Es besteht weiterhin die Möglichkeit,
dass das Halbleiterlaserelement 1 als Laserdiodenbarren ausgebildet
ist, bei dem mehrere der vorgenannten Breitstreifenemitter in X-Richtung
beabstandet und miteinander fluchtend angeordnet sind. Es besteht weiterhin
die Möglichkeit,
dass das Halbleiterlaserelement 1 als Stack derartiger
Laserdiodenbarren ausgebildet ist, bei dem mehrere dieser Laserdiodenbarren
in Y-Richtung übereinander
angeordnet sind.
-
Es besteht erfindungsgemäß weiterhin
die Möglichkeit,
die Austrittsfläche 5 für die Laserstrahlung
des Halbleiterlaserelementes 1 weitestgehend zu entspiegeln.
-
Wie aus 1a und 1b ersichtlich
ist, kann das Linsenmittel 2 als Zylinderlinse ausgebildet sein,
deren Zylinderachse sich längs
der X-Richtung erstreckt, so dass das Linsenmittel 2 die
Divergenz der von dem Halbleiterlaserelement ausgehenden Laserstrahlung
in Richtung der Fast-Axis verkleinern oder auch vollständig kollimieren
kann. Dies ist in 1b schematisch
verdeutlicht.
-
Von dem von dem Halbleiterlaserelement 1 ausgehenden
Laserlicht ist beispielhaft lediglich in 1a und 1b derjenige
Anteil in Form von Teilstrahlen 6, 7 abgebildet,
der auf eine vergleichsweise starke beispielhaft herausgegriffene
Mode des Laserlichtes entfällt.
In der Regel breiten sich bei dem vorgenannten als Breitstreifenemittern
ausgebildeten Halbleiterlaserelementen 1 die stärksten transversalen
Moden unter einem Winkel a von einigen Grad, beispielweise von α = 7°, zur Normalen 8 auf
der Austrittsfläche 5 aus.
Die Richtung der Normalen 8 entspricht in 1a und b1 der
Z-Richtung. Der Anteil des Laserlichtes, der einer beispielhaft
herausgegriffenen Mode entspricht, die unter einem Winkel a zur
Normalen 8 aus der Austrittsfläche 5 austritt, ist
in zwei Teilstrahlen 6, 7 aufgespalten, von denen
sich der erste Teilstrahl 6 unter einem positiven Winkel
a zur Z-Richtung und der zweite Teilstrahl 7 unter einem
negativen Winkel a zur Z-Richtung bzw. zur Normalen 8 ausbreitet.
Der Teilstrahl 6 verläuft
somit in 1a schräg nach oben
und nach rechts und trifft auf die reflektierende konkave Fläche 4 des
Reflexionsmittels 3. Der Teilstrahl 7 verläuft in 1a nach rechts und unten
und kann in einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ungehindert aus der Halbleiterlaservorrichtung
austreten.
-
Bei einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung besteht die Möglichkeit, im gleichen Abstand,
in dem das Reflexionsmittel 3 von der Austrittsfläche 5 angeordnet
ist, ein zweites Reflexionsmittel 9 mit einer der Austrittsfläche 5 zugewandten
reflektierenden konkaven Fläche 10 vorzusehen. Dieses
Reflexionsmittel 9 kann gegebenenfalls teilverspiegelt
werden, so dass ein Teil des Laserlichtes durch das Reflexionsmittel 9 hindurchtreten
kann. Hinter diesem Reflexionsmittel kann erfindungsgemäß eine Kollimationslinse 11 angeordnet
werden. Es besteht durchaus die Möglichkeit, das Reflexionsmittel 9 und
die Kollimationslinse 11 in einem Bauteil zusammenzufassen.
Das Reflexionsmittel 9 und die Kollimationslinse 11 sind
in 1a (nicht jedoch
in 1b) gestrichelt eingezeichnet.
-
Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit,
die Krümmung
des Reflexionsmittels 3 und gegebenenfalls auch die Krümmung des
Reflexionsmittels 10 derart zu wählen, dass die Teilstrahlen 6, 7 im wesentlichen
in sich selbst zurück überführt werden, so
dass sie auf die Austrittsfläche 5 auftreffen.
Hierzu kann der optische Abstand D zwischen der reflektierenden
Fläche 4 des
Reflexionsmittels 3 bzw. der reflektierenden Fläche 10 des
Reflexionsmittels 9 und der Austrittsfläche 5 in Richtung
des Teilstrahls 6 bzw. in Richtung des Teilstrahls 7 derart
gewählt
werden, dass die Brennweite F des durch die konkave reflektierende
Fläche 4 bzw.
durch die Fläche 10 gebildeten
Hohlspiegels dem optischen Abstand D entspricht, so dass im wesentlichen
F = D. Bei Ausgestaltung der reflektierenden Fläche 4 als sphärische Fläche kann
somit F = R/2 = D sein. Bei unterschiedlicher Krümmung der reflektierenden Fläche 4 in Fast-Axis- und Slow-Axis-Richtung
kann der optische Abstand D gemäß der voranstehenden
Formel unter Verwendung des Radius in der Slow-Axis-Richtung bestimmt werden.
-
Weiterhin kann durch geeignete Wahl
des Abstandes D bzw. der Brennweite des Reflexionsmittels 3 erreicht
werden, dass die Strahltaille der zu einzelnen transversalen Moden
gehörenden
Teilstrahlen 6, 7 auf der Austrittsfläche 5 der
von dem Reflexionsmittel 3 und/oder dem Reflexionsmittel 9 auf
die Austrittsfläche 5 zurückreflektierten
Teilstrahlen 6, 7 im wesentlichen der Größe der Austrittsfläche 5 des
als Breitstreifenemitters ausgebildeten Halbleiterlaserelements 1 entspricht.
Die Austrittsfläche 5 dient
somit als Apertur, durch die hindurch die zurückreflektierten Teilstrahlen 6, 7 in
das Halbleiterlaserelement 1 eintreten können bzw.
eingekoppelt werden.
-
Wie im vorgenannten ausgeführt, besteht
die Möglichkeit,
die Reflexionsmittel 3, 9 als sphärische Konkavspiegel
auszubilden. Bei einer derartigen Ausbildung der Reflexionsmittel 3, 9 sollte
das als Fast-Axis-Kollimationslinse dienende Linsenmittel 2 derart
dimensioniert werden, dass die Divergenz der einer transversalen
Mode entsprechenden Teilstrahlen 6, 7 ausgehend
von der Austrittsfläche 5 nach Hindurchtritt
durch das Linsenmittel 2 in Y-Richtung eine Divergenz aufweisen, die
im wesentlichen der Divergenz in X-Richtung entspricht, so dass
beispielsweise im Bereich der Reflexionsmittel 3, 9 vergleichsweise ähnliche
Strahldivergenzen und Strahlquerschnitte der Teilstrahlen 6, 7 in
Richtung der Slow-Axis und in Richtung der Fast-Axis und mithin etwa
in X-Richtung bzw. in Y-Richtung auftreten. Eine derartige Ausführungsform
ist in 1a und 1b schematisch angedeutet.
-
Falls ein Linsenmittel 2 verwendet
wird, das anders gestaltet ist, insbesondere die Teilstrahlen 6, 7 beinahe
vollständig
oder vollständig
kollimiert, können
als Reflexionsmittel 3, 9 konkave Zylinderlinsenspiegel
verwendet werden, die eine deutliche Krümmung mit Zylinderachsen in
Y-Richtung aufweisen und gar keine oder eine wesentlich weniger
deutliche Krümmung
mit Zylinderachse in einer dazu senkrechten Richtung aufweisen.
Eine derartige Ausführungsform
ist in 1a und 1b nicht abgebildet.
-
Durch die im Zusammenhang mit den
Ausführungsformen
gemäß 1a und 1b beschriebene Rückreflektionen einzelner Teilstrahlen 6, 7,
die Anteile einer bestimmten ausgewählten Mode sind, wird genau
Licht dieser ausgewählten
transversalen Mode in das Halbleiterlaserelement 1 zurückgekoppelt,
so dass diese ausgewählte
transversale Mode mehr oder weniger gut selektiert wird, d. h. dass
das Halbleiterlaserelement 1 im wesentlichen nur diese
Mode emittiert. Ohne den erfindungsgemäßen externen Resonator aus
Reflexionsmittel 3 und gegebenenfalls Reflexionsmittel 10 sowie
Austrittsfläche 5 emittiert
ein als Breitstreifenemitter ausgebildetes Halbleiterlaserelement 1 Laserlicht
mit einer ganzen Reihe von transversalen sowie mit einer ganzen
Reihe von longitudinalen Moden. Durch die im vorgenannten beschriebene
Rückkopplung
einer ausgewählten
transversalen Mode in das Halbleiterlaserelement 1 kann
mehr oder weniger gut erreicht werden, dass das emittierte Laserlicht
im wesentlichen nur diese eine transversale Mode umfasst.
-
Um auch zu erreichen, dass das Laserlicht im
wesentlichen aus einer Wellenlänge
und damit aus einer longitudinalen Mode besteht, kann in den externen
Resonator ein zusätzliches
wellenlängenselektives
Element 12 eingebracht werden, das beispielsweise als Etalon
ausgeführt
ist. Dieses wellenlängenselektive
Element 12 ist in 1a (nicht
jedoch in 1b ) gestrichelt
zwischen dem Reflexionsmittel 3 und dem Linsenmittel 2 angeordnet.
Alternativ besteht die Möglichkeit,
das wellenlängenselektive
Elemente 12 mit dem Reflexionsmittel 3 zu kombinieren,
insbesondere in dieses zu integrieren.
-
Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit,
das Reflexionsmittel 9, das zur besseren Verdeutlichung
in 1b nicht abgebildet
ist, teilreflektierend auszugestalten, so dass das Reflexionsmittel 9 gleichzeitig
als Auskoppler wirkt. Alternativ dazu kann das Reflexionsmittel 9 auch
eine vergleichsweise total reflektierende konkave Fläche 10 aufweisen. In
diesem Fall kann die zu der Austrittsfläche 5 parallele, auf
der von dem externen Resonator abgewandten Seite des Halbleiterlaserelements 1 angeordnete Austrittsfläche 13 als
lediglich teilreflektierende Fläche
ausgebildet sein, so dass die Austrittsfläche 13 als Auskoppler
dient. In 1a und 1b sind zur Verdeutlichung
einer derartigen Ausführungsform
auf der linken Seite des Halbleiterlaserelementes 1 Strahlen 14 eingezeichnet,
die das aus der Austrittsfläche 13 in
negativer Z-Richtung
austretende Laserlicht schematisch andeuten sollen.
-
Bei der in 2a und 2b abgebildeten Ausführungsform
sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1a und 1b. Im Unterschied zu der in 1a und 1b abgebildeten Ausführungsform ist bei der in 2a und 2b abgebildeten Ausführungsform zwischen dem Linsenmittel 2 und
dem Reflexionsmittel 3 ein Prismenelement 15 angeordnet.
Weiterhin im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1a und 1b ist das Reflexionsmittel 3 rotationssymmetrisch
zur Normalen 8 bzw. zur Mittelsenkrechten auf der Austrittsfläche 5 angeordnet.
Das Prismenelement 15 dient dazu, die unter einem Winkel ± a aus
der Austrittsfläche 5 austretenden
Teilstrahlen 6, 7 zur Normalen 8 bzw. zur
durch die Normalen 8 gebildeten optischen Achse umzulenken.
Zu diesem Zweck weist das Prismenelement 15 eine Hypotenusenfläche 16 auf,
die sich in einer X-Y-Ebene erstreckt. Diese Hypotenusenfläche 16 ist
auf der dem Reflexionsmittel 3 zugewandten Seite des Prismenelementes 15 angeordnet.
Auf der der Austrittsfläche 5 bzw.
dem Linsenmittel 2 zugewandten Seite des Prismenelementes 15 sind
zwei Kathetenflächen 17 vorgesehen,
die jeweils einen Winkel β mit
der Hypotenusenfläche 16 einschließen, der
entsprechend dem Winkel a gewählt
ist. Beispielsweise kann β etwa
zweimal so groß sein
wie α. Die
Kathetenflächen 17 schließen nicht
nur einen Winkel β mit
der Hypotenusenfläche 16 sondern
auch mit der X-Y-Ebene ein, so dass die Teilstrahlen 6, 7 an
den Kathetenflächen 17 und
daran anschließend an
der Hypotenusenfläche 16 (in
den schematischen 2a und 2b nicht eingezeichnet)
gebrochen werden.
-
Die Krümmung der reflektierenden Fläche 4 des
Reflexionsmittels 3 kann erfindungsgemäß vorzugsweise derart gewählt werden,
dass die unter gleichem Winkel a nach oben bzw. nach unten und in positiver
Z-Richtung aus der Austrittsfläche 5 austretenden
Teilstrahlen 6, 7 durch die reflektierende Fläche 4 jeweils
in etwa ineinander überführt werden.
In 2a ist dies durch
drei herausgegriffene Teilstrahlen 6 verdeutlicht, die
an der reflektierenden Fläche 4 in
drei Teilstrahlen 7 übergehen.
-
Auch bei der in 2a und 2b abgebildeten Ausführungsform
kann der optische Abstand D zwischen der reflektierenden Fläche 4 und
der Austrittsfläche 5 derart
gewählt
werden, dass D = R/2 = F der reflektierenden Fläche 4 ist. Weiterhin
kann durch geeignete Wahl des Abstandes D bzw. der Brennweite des
Reflexionsmittels 3 ebenfalls die Strahltaille der durch
die reflektierende Fläche 4 zurückreflektierten Teilstrahlen 6, 7 auf
der Austrittsfläche 5 erfindungsgemäß derart
gewählt
werden, dass sie etwa der durch die Austrittsfläche 5 gegebenen Apertur
entspricht.
-
Bei der Ausführungsform gemäß 1a und 1b kann die Selektion einzelner Moden
dadurch erfolgen, dass das Reflexionsmittel 3 bzw. die
Reflexionsmittel 3, 9 derart gedreht werden, dass
von der Austrittsfläche 5 ausgehende
und auf die Reflexionsmittel 3, 9 auftreffende
Teilstrahlen in sich zurück überführt werden.
Durch Verdrehung der reflektierenden Flächen 4, 10 wird
somit zwischen Moden ausgewählt,
die einen unterschiedlichen Winkel a mit der Normalen 8 einschließen.
-
Die Modenselektion bei der Ausführungsform
gemäß 2a und 2b kann durch Veränderung des Winkels β des Prismenelementes 15 und durch
Verschiebung des Prismenelements 15 entlang der Z-Richtung erzielt
werden. Je nach Größe des Winkels ß werden
Moden, die einen entsprechenden Winkel a mit der Normalen 8 und
damit mit der Z-Richtung einschließen, ausgewählt, deren aus der Austrittsfläche nach
oben bzw. nach unten und in positiver Z-Richtung austretende Teilstrahlen
durch das Prismenelement 15 im Bereich der reflektierenden
Fläche 4 im
wesentlichen exakt überlagern.
-
Erfindungsgemäß sind bei der Ausführungsform
gemäß 2a und 2b zwei Auskopplungsmöglichkeiten denkbar. Zum einen
kann das Reflexionsmittel 3 als nur teilweise reflektierendes
Reflexionsmittel ausgebildet sein. Dadurch kann ein Teil des Laserlichts
nach rechts in 2a und
somit in Z-Richtung durch das Reflexionsmittel 3 hindurchtreten.
Alternativ dazu kann das Reflexionsmittel 3 als im wesentlichen
total reflektierendes Reflexionsmittel ausgebildet sein, wohingegen
dann die in 2a linke
Austrittsfläche 13 des
Halbleiterlaserelements 1 teilreflektierend ausgebildet
wird, so dass in negativer Z-Richtung Laserlicht entsprechend den
eingezeichneten Strahlen 14 austreten kann. In beiden Fällen sollte
die in 2a rechte Austrittsfläche 5 des Halbleiterlaserelementes 1 vergleichsweise
gut entspiegelt sein, so dass die Rückkopplung der Teilstrahlen 6, 7 in
das Halbleiterlaserelement 1 möglichst effektiv erfolgen und
gleichzeitig die Rückkopplung
des internen Resonators verringert wird.
-
Auch in den externen Resonator gemäß 2a und 2b kann ein wellenlängenselektives Element 12 eingebracht
werden.