DE112009000285T5

DE112009000285T5 - Monolitisch gefalteter F-P-Hohlraum und Halbleiterlaser, der den F-P-Hohlraum verwendet

Info

Publication number: DE112009000285T5
Application number: DE112009000285T
Authority: DE
Inventors: Erjun Zang; Jianping Cao; Ye Li; Zhanjun Fang
Original assignee: National Institute of Metrology
Current assignee: National Institute of Metrology
Priority date: 2008-02-04
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2011-03-10
Also published as: US8107509B2; US20110032961A1; WO2009097740A1

Abstract

Monolithischer gefalteter F-P-Hohlraum, der für einen Halbleiterlaser geeignet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der monolithische gefaltete F-P-Hohlraum gebildet ist aus einem monolithischen optischen Element, das aus einem Material besteht, das einen niedrigen Transmissionsverlust mit Bezug auf einen bestimmten Spektralbereich aufweist, und
das monolithische optische Element so gebildet ist, dass Licht, das durch eine Eingangs/Ausgangskoppelfläche des monolithischen optischen Elements eintritt, mehrmals zwischen der Eingangs/Ausgangskoppelfläche und zumindest zwei Hochreflexionsflächen in dem monolithischen optischen Element reflektiert wird und dann zumindest ein Teil des Lichts aus der Eingangs/Ausgangskoppelfläche gestrahlt wird entlang einem Pfad kollinear und in entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung zu dem einfallenden Licht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Halbleiterlasertechniken und insbesondere auf einen Fabry-Perot-Resonanzhohlraum (F-P), der aus einem monolithischen optischen Element aufgebaut ist, sowie auf einen Halbleiterlaser, der einen solchen F-P-Resonanzhohlraum verwendet.
HINTERGRUND
Halbleiterlaser einschließlich Distributed-Feedback-Halbleiterlaser (DFB, Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung) und External-Cavity-Halbleiterlaser (Halbleiterlaser mit externem Hohlraum) sind wichtige Laserquellen, die in wissenschaftlicher Forschung und Industrie verwendet werden.
Herkömmliche External-Cavity-Halbleiterlaser werden normalerweise in einem Littrow-Aufbau und im Littman-Aufbau oder Grazing-Incidence-Aufbau (Aufbau mit streifendem Einfall) verwirklicht, die jeweils in 1 und 2 gezeigt sind.
1 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines External-Cavity-Halbleiterlasers mit Littrow-Aufbau zeigt, wobei von der Halbleiterlaserdiode 1 ausgesendete Laserstrahlen zu parallelen Strahlen konvergiert werden, nachdem sie durch einen asphärischen Kollimator 3 hinduchgetreten sind, und dann mit einem Einfallswinkel θi auf ein Gitter 12 auftreffen. Nach einer Beugung erster Ordnung daran wird das resultierende gebeugte Licht entlang einem Pfad, der kollinear zu dem auftreffenden Licht und in dessen entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung ist, zu der Laserdiode 1 zurückgeführt, während das spiegelreflektierte Licht von dem Gitter 12 als Ausgabe des Lasers übertragen wird. Mit einem solchen Aufbau ist der Winkel θi des einfallenden Lichts auf das Gitter 12 gleich dem Beugungswinkel θd.
2 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines External-Cavity-Halbleiterlasers mit Littman-Aufbau zeigt. In gleicher Weise werden die von der Halbleiterlaserdiode 1 abgestrahlten Laserstrahlen durch den asphärischen Kollimator 3 in parallele Strahlen konvergiert und treffen dann mit einem streifenden Einfallwinkel θi auf das Gitter 12 auf. Das resultierende Licht nach einer Beugung erster Ordnung an dem Gitter 12 wird von einem Reflektor 201 reflektiert und strahlt dann als Rückführung entlang einem Pfad, der kollinear zu dem einfallenden Licht und in seiner entgegengesetzten Übertragungsrichtung ist, zurück auf das Gitter 12. Nach Beugung an dem Gitter 12 kehrt das Licht in die Laserdiode 1 zurück, während das spiegelreflektierte Licht an dem Gitter 12 als Ausgabe des Lasers übertragen wird. Wie in dieser Figur gezeigt, ist ein Einfallwinkel θi des Lichts auf das Gitter 12 größer als der Beugungswinkel θd des Lichts von dem Gitter 12. Auch wenn er eine geringere Leistung hat, erlaubt der Littman-Aufbau ein schmaleres Spektrum als der Littrow-Aufbau. Bei einem unbeweglichen Gitter 12 kann die Wellenlänge des Laserausgangs moduliert werden durch Einstellen des Winkels des Reflektors 201.
Für gewöhnlich haben die oben genannten External-Cavity-Halbleiterlaser eine Ausgangsspektrumslinienbreite von bis zu mehreren hundert kHz oder auch bis zum mehreren MHz, und DFB-Halbleiterlaser liefern sogar größere Linienbreiten, was für viele Anwendungssituationen unerwünscht ist.
Nun werden für gewöhnlich zwei Verfahren zum Gewinnen von Lasern mit einer Ausgabe geringer Linienbreite verwendet. Eines ist das Optical-Electronic-Feedback-Verfahren (Verfahren optisch-elektronischer Rückkopplung), bei dem ein Teil des Lichts, das von dem Laserstrahl mit der hohen Linienbreite abgezweigt wird, in einen separaten F-P-Hohlraum gestrahlt wird, das Lasersignal, das von dem F-P-Hohlraum reflektiert oder übertragen wird, empfangen und in ein elektronisches Rückkoppelsystem gespeist wird, das die Laserfrequenz auf eine bestimmte Resonanzspitze des F-P-Hohlraums verriegelt und somit die Linienbreite des Lasers verringert. Ein anderes Verfahren ist ein optisches Rückkoppelverfahren, bei dem ein konfokaler F-P-Hohlraum außerhalb des Lasers angeordnet ist, um Rückkoppellicht zu erzeugen zum Verringern der Linienbreite unter Verwendung einer Lichtrückkopplung mit schmalem Spektrum bei der Resonanzspitze des F-P-Hohlraums, z. B. den Resonanzrückkoppelhalbleiterlaser, der von B. Dahmani, L. Hollberg und R. Drullinger vorgeschlagen wurde.
Ein F-P-Hohlraum ist ein wichtiges Element in optischer oder Laser-Forschung. Ein gefalteter F-P-Hohlraum, bei dem das reflektierte Licht in einer Richtung entgegengesetzt zu dem einfallenden Licht an gefalteten Positionen einen Spektrumsaufbau hat, der von dem geraden F-P-Hohlraum verschieden ist, kann eine optische Rückkopplung mit niedriger Linienbreite liefern. Derzeit erhältliche gefaltete F-P-Hohlräume sind alle aus diskreten Komponenten aufgebaut. 3 zeigt beispielsweise einen gefalteten F-P-Hohlraum, der aus diskreten Komponenten aufgebaut ist und der durch K. Döringshoff, I. Ernsting, R.-H. Rinkleff, S. Schiller und A. Wicht vorgeschlagen wurde. Ein solcher gefalteter F-P-Hohlraum (CAV) ist aufgebaut aus einem Koppler 101 und zwei Reflektoren 102 und 103, wobei der Koppler 101 ebenfalls als gefalteter Reflektor dient. Licht von den Kupplern 101 tritt in gefalteten F-P-Hohlraum ein. Nach einer Reflexion von den Reflektoren 102 und 103 und dem Koppler 101 in dem Hohlraum werden zwei reflektierte Strahlen erzeugt, d. h. ein reflektierter Strahl, der sich in derselben Richtung und kollinear zu dem spiegelreflektierten Licht des einfallenden Lichts ausbreitet, und ein anderes reflektiertes Licht, das sich in der entgegengesetzten Richtung und kollinear zu dem einfallenden Licht ausbreitet, wobei das letztere von dem F-P-Hohlraum als Licht mit der Zusatzfunktion der Frequenzauswahl ausgegeben werden kann.
Aufgrund der Schwierigkeit des exakten Drehens diskreter Komponenten sind existierende gefaltete F-P-Hohlräume, die aus diskreten Komponenten aufgebaut sind, empfindlich gegenüber Störungen von außen, die durch Schall, mechanische Vibration und Temperatureinfluss bewirkt werden. Weiterhin hat ein solcher F-P-Hohlraum für gewöhnlich ein relativ großes Volumen und eine geringe Systemzuverlässigkeit.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um die oben genannten Probleme in existierenden gefalteten F-P-Hohlräumen zu lösen, die aus diskreten Komponenten aufgebaut sind, wie z. B. unzureichende Zuverlässigkeit, Empfindlichkeit gegenüber Störung von außen, massiver und komplizierter Aufbau, wird ein neuer monolithisch gefalteter F-P-Hohlraum bereitgestellt, der für einen Halbleiterlaser geeignet ist und leicht hergestellt werden kann. Statt dass er aus getrennten Komponenten zusammengesetzt ist, ist der F-P-Hohlraum gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein monolithisches optisches Element gebildet, das aus einem Material besteht, das einen niedrigen Transmissionsverlust mit Bezug auf einen bestimmten Spektralbereich aufweist. Das monolithische optische Element ist so gebildet, dass der Lichtstrahl, der durch eine Eingangs/Ausgangskoppelfläche des monolithischen optischen Elements eintritt, mehrmals zwischen der Eingangs/Ausgangskoppelfläche und zumindest zwei Hochreflexionsflächen in dem monolithischen optischen Element reflektiert wird und dann zumindest ein Teil des Lichts aus der Eingangs/Ausgangskoppelfläche gestrahlt wird entlang einem Pfad, der kollinear zu dem einfallenden Licht ist, aber in einer entgegengesetzten Richtung dazu. So kann dieselbe Funktion wie bei einem herkömmlichen F-P-Hohlraum erzielt werden, der aus diskreten Komponenten aufgebaut ist.
Für ein Laserstrahlungsspektrum im sichtbaren Licht kann das monolithische optische Element, das den gefalteten F-P-Hohlraum bildet, aus einem optischen Material bestehen, das für die Strahlung in dem betroffenen Spektralbereich transparent ist, wie z. B. optisches Kristall oder optisches Glas, insbesondere Quarzglas.
Die Hochreflexionsflächen des monolithischen optischen Elements haben vorzugsweise einen relativ hohen Reflexionsgrad, und der Reflexionsgrad der Eingangs/Ausgangskoppelfläche kann geringfügig niedriger sein als bei den Hochreflexionsflächen. Beispielsweise kann eine Beschichtung mit einem Reflexionsgrad von 0,9 bis 0,99 auf die Eingangs/Ausgangskoppelfläche aufgebracht sein, und eine Beschichtung mit einer Absorption von weniger als 50 ppm und einem Reflexionsgrad von mehr als 0,999 kann auf die Hochreflexionsflächen aufgebracht sein. Die vorliegende Erfindung sollte jedoch auf keine Weise auf die veranschaulichenden Beschichtungen mit dem oben genannten Reflexionsgrad und Absorption eingeschränkt sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es für die Hochreflexionsflächen auch möglich, eine Pfadfaltung mittels Totalreflexion ohne spezielle Beschichtung zu verwirklichen. Demzufolge können die Kosten zum Herstellen des monolithischen optischen Elements beträchtlich verringert sein. Zu diesem Zweck kann gemäß dieser Ausführungsform das monolithische optische Element mit einer Eingangs/Ausgangskoppelfläche und zwei Hochreflexionsflächen versehen sein, wobei die Eingangs/Ausgangskoppelfläche, die einer ersten Hochreflexionsfläche schräg gegenüberliegt, senkrecht zu einer zweiten Hochreflexionsfläche ist, die Totalreflexion ermöglicht, so dass der Lichtstrahl, der durch die Eingangs/Ausgangskoppelfläche eintritt, senkrecht auf die erste Hochreflexionsfläche trifft und dann zu der Eingangs/Ausgangskoppelfläche zurückreflektiert wird, wo ein Teil von ihm dann nach außen abgestrahlt wird, während der andere Teil in dem Eintrittspunkt reflektiert wird und auf die zweite Hochreflexionsfläche trifft. Da die Eingangs/Ausgangskoppefläche senkrecht zu der zweiten Hochreflexionsfläche ist, fällt der Lichtstrahl, der von der zweiten Hochreflexionsfläche reflektiert wird, wieder senkrecht auf die erste Hochreflexionsfläche, kehrt dann nach der Reflexion an der ersten Hochreflexionsfläche wieder zu der zweiten Hochreflexionsfläche zurück, kehrt dann nach der Reflexion an der zweiten Hochreflexionsfläche wieder zu der Eingangs/Ausgangskoppelfläche zurück und wird schließlich an der Eintrittsstelle teils nach außen abgestrahlt.
Vorzugsweise ist das monolithische optische Element ein Prisma mit einem Querschnitt einer rechtwinkligen Trapezform, wobei die Seite, an der der rechtwinklige Schenkel des rechtwinkligen Trapezes angeordnet ist, die Eingangs/Ausgangskoppelfläche bildet, die Seite, an der die Hypotenuse des rechtwinkligen Trapezes angeordnet ist, die erste Hochreflexionsfläche bildet, und die Seite, an der die Grundkante angeordnet ist, die zweite Hochreflexionsfläche bildet, die Totalreflexion ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung hat das monolithische optische Element eine Eingangs/Ausgangskoppelfläche und zwei Hochreflexionsflächen, die denselben Winkel gegenüber der Koppelfläche haben. Zumindest ein Teil des Lichtstrahls, der durch die Eingangs/Ausgangskoppelfläche eintritt, trifft senkrecht auf eine der Hochreflexionsflächen und wird dann zu der Koppelfläche zurückreflektiert, wo ein Teil von ihm nach außen übertragen wird. Der andere Teil wird von der Eingangs/Ausgangskoppelfläche in dem Eintrittspunkt reflektiert. Der reflektierte Teil fällt nach der Reflexion an der Koppelfläche senkrecht auf die andere Hochreflexionsfläche, wird dann zu der Koppelfläche zurückreflektiert und dann in dem Eintrittspunkt teils nach außen übertragen.
Da bei dem in der Erfindung vorgeschlagenen monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum der Reflektor (die Reflektoren) und der Koppler des F-P-Hohlraums direkt durch ein einziges optisches Element gebildet sind, hat der gefaltete F-P-Hohlraum eine beträchtlich verbesserte Zuverlässigkeit, und er hat Vorteile wie z. B. Unempfindlichkeit gegenüber Störungen von außen, kompaktes Volumen, einfacher Aufbau, leichte Verwendung, usw.
Es wird auch ein Halbleiterlaser bereitgestellt, der den oben genannten monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum verwendet. Der Halbleiterlaser gemäß der Erfindung enthält eine Halbleiterlaserdiode, einen Kollimator, ein Gitter und einen gefalteten F-P-Hohlraum, wobei der Lichtstrahl, der von der Halbleiterlaserdiode abgestrahlt wird und von dem Kollimator kollimiert wird, auf das Gitter auftrifft, und nach der Beugung an dem Gitter tritt ein Beugungslicht in den gefalteten F-P-Hohlraum ein, von dem zumindest ein Teil den Hohlraum entlang einem Pfad verlässt, der kollinear zu dem einfallenden Licht und in einer entgegengesetzten Richtung ist, und nach einer erneuten Beugung an dem Gitter in die Halbleiterlaserdiode zurückkehrt, wobei der gefaltete F-P-Hohlraum ein monolithischer gefalteter F-P-Hohlraum ist, der wie oben beschrieben durch ein einziges optisches Element gebildet ist.
Alternativ können Halbleiterlaser, die den monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum verwenden, mit einem Littman-Aufbau mit streifendem Einfall verwirklicht werden, d. h. der Einfallwinkel gegen das Gitter ist größer als der Beugungswinkel des Beugungslichts. Vorzugsweise kann der Halbleiterlaser auch mit einem Aufbau einer ”streifenden Beugung am Gitter” versehen sein, d. h. der Einfallswinkel gegen das Gitter ist kleiner als der Beugungswinkel des Beugungslichts gegen das Gitter. Mittels eines hier vorgeschlagenen solchen Aufbaus mit ”streifender Beugung am Gitter” ist das Rotationszentrum des F-P-Hohlraums einfacher einstellbar. Weiter ist es aufgrund der schmaleren Strahlbreite des Beugungslichts besser geeignet zum Anwenden eines monolithischen gefalteten F-P-Hohlraums mit kompaktem Aufbau.
Alternativ ist es für den Halbleiterlaser mit Gitter auch möglich, eine Wellenplatte wie z. B. eine Halbwellenplatte zwischen den Kollimator und das Gitter einzusetzen. Durch Drehen der Wellenplatte kann die Polarisation des Lichts, das auf das Gitter und den F-P-Hohlraum auftritt, verändert werden, um die Rückkoppelintensität und dadurch die Menge der Rückkopplung zu steuern, was demzufolge die Auswahl einer optischen Rückkoppelintensität ermöglicht. In einem solchen Fall wird Laserlicht, dass von der Halbleiterlaserdiode abgestrahlt wird, durch den Kollimator kollimiert und trifft dann durch die Wellenplatte auf das Gitter. Nach der Gitterbeugung tritt ein durch das Gitter gebeugtes Licht in den monolithisch gefalteten F-P-Hohlraum ein, und zumindest ein Teil davon verlässt den monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum entlang einem Pfad, der kollinear zu dem einfallenden Licht und in einer entgegengesetzten Richtung ist, und nach erneuter Beugung an dem Gitter kehrt es durch die Wellenplatte in den Halbleiterlaser zurück.
Alternativ ist es für den Halbleiterlaser mit Gitter auch möglich, eine Blende zwischen das Gitter und den gefalteten F-P-Hohlraum einzusetzen, um das auf das Gitter und den Hohlraum einfallende Licht weiter zu filtern, was eine Wellenlängenmodulation und eine Laserverriegelung erleichtert. In einem solchen Fall wird das von dem Halbleiterlaser abgestrahlte Licht durch den Kollimator kollimiert und trifft dann auf das Gitter. Nach der Gitterbeugung tritt das an dem Gitter gebeugte Licht in den monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum ein, indem es durch die Blende hindurchtritt, und zumindest ein Teil davon verlässt dann den monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum entlang einem Pfad, der kollinear zu dem einfallenden Licht und in einer entgegengesetzten Richtung ist, und kehrt dann nach einer Blendenfilterung und einer nochmaligen Gitterbeugung in die Halbleiterlaserdiode zurück.
Es ist natürlich auch möglich, sowohl die Wellenplatte als auch die Blenden, die oben erwähnt wurden, in einem Halbleiterlaser mit Gitter zu verwenden, d. h. die Polarisation von Licht, das auf das Gitter und den gefalteten F-P-Hohlraum auftritt, mittels der Wellenplatte zu ändern, während das Licht mittels der Blende gefiltert wird. Zu diesem Zweck wird der von der Halbleiterlaserdiode abgestrahlte Lichtstrahl durch den Kollimator kollimiert und fällt auf das Gitter, wobei es durch die Wellenplatte hindurchtritt. Nach der Gitterbeugung tritt das an dem Gitter gebeugte Licht in den monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum ein, wobei es einer Blendenfilterung unterliegt, und zumindest ein Teil dieses Lichts verlässt dann den monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum entlang einem Pfad, der kollinear zu dem einfallenden Licht und in einer entgegengesetzten Richtung ist, und kehrt dann nach Blendenfilterung und erneuter Gitterbeugung zu der Halbleiterlaserdiode zurück.
Alternativ kann das Gitter ein Reflexionsbeugungsgitter oder ein Transmissionsbeugungsgitter sein.
In einer alternativen Ausführungsform dieser Erfindung kann das Gitter durch einen Teiler in dem Halbleiterlaser ersetzt sein, wobei Licht, das von der Halbleiterlaserdiode abgestrahlt wird, von dem Kollimator kollimiert wird und dann auf den Teiler trifft. Von dem Teiler geteiltes Licht tritt in den monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum ein, und ein Teil davon verlässt den Hohlraum entlang einem Pfad, der kollinear zu dem einfallenden Licht und in der entgegengesetzten Richtung ist, und kehrt dann wieder durch den Teiler zu der Halbleiterlaserdiode zurück.
Alternativ kann bei dem Halbleiterlaser mit Teiler ein Wellenlängen- oder Frequenzselektionselement wie z. B. ein Interferenzfilter, ein Schleifenfilter oder ein Etalon, usw. zwischen dem Kollimator und dem Teiler eingesetzt sein. In diesem Fall wird der von der Halbleiterlaserdiode abgestrahlte Lichtstrahl von dem Kollimator kollimiert und trifft dann auf den Teiler, indem es durch das Wellenlängen- oder Frequenzselektionselement hindurchtritt. Ein von dem Teiler geteiltes Licht tritt in den monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum ein, und ein Teil davon verlässt den Hohlraum entlang einem Pfad, der kollinear zu dem einfallenden Licht und in der entgegengesetzten Richtung ist und kehrt dann zu der Halbleiterlaserdiode zurück, indem es wieder durch den Teiler und dann durch das Wellenlängen- oder Frequenzselektionselement hindurchtritt.
Alternativ kann eines oder mehrere aus einem F-P-Hohlraum-Resonanzfrequenzeinstellsystem, einem Laseroszillations-Frequenzeinstell- oder Verfolgungssystem, einem Halbleiterlaserdiodenausgangsfrequenzeinstellsystem ebenfalls in dem Halbleiterlaser bereitgestellt sein, um die Laserausgabe in verschiedener Weise einzustellen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird im Detail beschrieben über bevorzugte Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine schematische Darstellung ist, die den Aufbau eines External-Cavity-Halbleiterlasers mit Littrow-Aufbau zeigt;
2 eine schematische Darstellung ist, die den Aufbau eines External-Cavity-Halbleiterlasers mit Littman-Aufbau zeigt;
3 schematisch den Aufbau eines gefalteten F-P-Hohlraums des Stands der Technik zeigt, der aus diskreten Komponenten zusammengesetzt ist;
4 schematisch den Aufbau eines monolithischen gefalteten F-P-Hohlraums gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
5 schematisch den Aufbau eines monolithischen gefalteten F-P-Hohlraums gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
6 eine schematische Darstellung eines Halbleiterlasers mit Grazing-Incidence-Littman-Aufbau ist, der den monolithisch gefalteten F-P-Hohlraum gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung verwendet;
7 eine schematische Darstellung eines Halbleiterlasers mit Grating-Grazing-Diffraction-Aufbau gemäß dieser Erfindung ist, der mit dem in 4 gezeigten monolithisch gefalteten F-P-Hohlraum versehen ist;
8 eine schematische Darstellung eines Halbleiterlasers ähnlich dem von 7 ist, außer dass das Gitter durch einen Splitter ersetzt ist; und
9 eine schematische Darstellung ist, die einen Halbleiterlaser mit den Einstellsystemen gemäß dieser Erfindung zeigt.
DETAILIIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
4 zeigt den Aufbau eines monolithischen gefalteten F-P-Hohlraums gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform ist das monolithische optische Element, das den F-P-Hohlraum bildet, ein Prisma mit einem Querschnitt einer rechtwinkligen Trapezform, das aus einem monolithischen Material gemacht ist, das einen geringen Übertragungsverlust für den resultierenden Laserstrahlungsspektralbereich aufweist, wie z. B. Quarzglas mit niedrigem Übertragungsverlust oder anderes optisches Glas (4 zeigt den Querschnitt des Hohlraums, alle Seitenkanten des Prismas sind senkrecht zu diesem Querschnitt). Als Beispiel ist das Prisma so gebildet, dass sein trapezförmiger Querschnitt eine Grundseitenlänge von 15 mm und eine Höhe von 13 mm hat und die Länge der Seitenkanten des Prismas (die Dicke des Monolithen) 6 mm beträgt. Fachleute verstehen, dass die oben genannten Abmessungen nur zur Veranschaulichung dienen und dass andere Formen und/oder Größen ebenfalls für das monolithische Element des gefalteten F-P-Hohlraums möglich sind.
Die Seite, an der der rechte Schenkel des rechtwinkligen Trapezes angeordnet ist, bildet eine Eingangs/Ausgangskoppelfläche, auf die eine Reflexionsbeschichtung mit einem geeigneten Reflexionsgrad Rc (z. B. 0,9–0,99) beispielsweise in einem optischen Beschichtungsprozess aufgebracht werden kann. Die Seite, an der die Hypotenuse des Trapezes angeordnet ist, bildet eine erste Hochreflexionsfläche, die der Eingangs/Ausgangskoppelfläche schräg gegenüberliegt, in diesem Fall beispielsweise in einem Winkel von 30° zu der Koppelfläche. Andere verschiedene Winkel sind jedoch ebenfalls möglich abhängig von dem Einfallswinkel des Lichts, dem Reflexionsgrad des Materials des monolithischen Elements und speziellen Entwurfsanforderungen. Eine Beschichtung mit geringer Absorption und hohem Reflexionsgrad wie z. B. einer Absorption von weniger als 50 ppm und einem Reflexionsgrad von mehr als 0,999 kann auf der erste Hochreflexionsfläche aufgebracht sein. Die Seite, an der die Grundkante des Trapezes angeordnet ist, die senkrecht auf dem rechtwinkligen Schenkel steht, bildet eine zweite Hochreflexionsfläche, was ein Falten des optischen Pfads durch Totalreflexion ermöglicht ohne irgendeine Schicht zum Zweck der Einfachheit des Prozesses und eine Kosteneffizienz. Wenn der Winkel zwischen der Eingangs/Ausgangskoppelfläche und der zweiten Hochreflexionsfläche genau 90° beträgt, ist das reflektierte Licht der dihedralen Ecke, die durch diese zwei Seiten gebildet wird, exakt 180° umgekehrt. Daher ist es erwünscht, den Winkelfehler zwischen den zwei rechtwinkligen Kanten (der Eingangs/Ausgangskoppelfläche und der zweiten Hochreflexionsfläche) und den Pyramidenfehler des Prismas während der Produktion des monolithischen optischen Elements zu garantieren, beispielsweise sowohl den Rechtwinkelfehler als auch den Pyramidenfehler innerhalb 6'' einzuschränken. Für die Winkel zwischen der ersten Reflexionsfläche und den zwei rechtwinkligen Kanten ist eine solche strenge Winkelfehlerbeschränkung nicht erforderlich. Die obigen Produktionsdaten dienen nur der Veranschaulichung, und andere Daten für geringere Präzision oder Reflexionsgrad sind auch vorstellbar zum Zweck der Verringerung von Kosten und der Behandlungskomplexität.
In dieser Ausführungsform dienen die Eingangs/Ausgangskoppelfläche und die zweite Hochreflexionsfläche als Faltflächen, die bewirken, dass ein Teil des Lichtes, das in dem F-P-Hohlraum zweimal gefaltet wurde, entlang dem Pfad existiert, der kollinear zu dem einfallenden Licht ist, aber in der entgegengesetzten Ausbreitungsrichtung, und dass der andere Teil entlang der Reflexionsrichtung der Eingangs/Ausgangskoppelfläche ist und mit dem reflektierten Licht kombiniert wird.
Es sei angenommen, dass Licht mit einer Wellenlänge von 689 nm in den F-P-Hohlraum eintritt und in dem Punkt C auf der Eingangs/Ausgangskoppelfläche in einem Winkel von 46,7° einfällt. Ein Teil des Lichtstrahls wird im Punkt C reflektiert, und der andere Teil tritt in den F-P-Hohlraum ein und trifft dann nach Brechung senkrecht auf den Punkt B an der ersten Hochreflexionsfläche mit einer Reflexionsbeschichtung auf und wird dann entlang seinem ursprünglichen Pfad zu dem Punkt C reflektiert, wo sowohl Transmission als auch Reflexion auftreten, d. h. ein Teil des Lichts verlässt den F-P-Hohlraum entlang des Pfads, der kollinear zu dem einfallenden Licht ist, aber in der entgegengesetzten Ausbreitungsrichtung, und ein anderer Teil trifft nach der Reflexion im Punkt C auf den Punkt D auf der zweiten Hochreflexionsoberfläche in einem Winkel auf, der größer ist als der Totalreflexionswinkel. Der an dem Punkt D ankommende Lichtstrahl wird mittels interner Totalreflexion zu der ersten Hochreflexionsfläche hin gefaltet und trifft dann senkrecht auf Punkt A auf, wo er entlang dem ursprünglichen Pfad zurück zu Punkt D reflektiert wird und dann mittels Totalreflexion zu Punkt C auf der Koppelfläche zurückkehrt, wobei wieder sowohl Transmission als auch Reflexion auftreten, d. h. ein Teil des Lichts verlässt den F-P-Hohlraum, und ein anderer Teil wird zu dem Punkt B an der ersten Hochreflexionsfläche von Punkt C zurückreflektiert. Von dem Licht, das von dem Punkt C aus übertragen wird, ist der Teil, der kollinear zu aber in entgegensetzter Ausbreitungsrichtung von dem einfallenden Licht ist, retro-incidence-reflektiertes Licht, das durch eine entgegengesetzte Verteilung zu einem normalen ungefalteten F-P-Hohlraum gekennzeichnet ist, d. h. dass es die höchste Intensität bei der Resonanzfrequenz und eine schmalere Spektrumsverteilung hat; andererseits wird der Teil, der entlang der Spiegelreflexionsrichtung des einfallenden Lichts übertragen wird, kohärent mit dem äußeren Spiegelreflexionslicht übertragen, woraus sich ein Licht ergibt, das in der Spiegelreflexionsrichtung übertragen wird und das eine minimale Intensität bei der Resonanzfrequenz hat. Das heißt, dass das Licht bei der Resonanzfrequenz des F-P-Hohlraums, das den F-P-Hohlraum entlang eines Pfads verlässt, der kollinear zu und in der entgegengesetzten Ausbreitungsrichtung von dem einfallenden Licht ist, die höchste Leistung und ein schmales Spektrum hat.
In der ersten Ausführungsform bildet die erste Hochreflexionsfläche, an der die Punkte A und B angeordnet sind, einen äquivalenten Zweiendreflektor des F-P-Hohlraums; die Fläche, an der der Punkt C angeordnet ist, dient nicht nur als Eingangs/Ausgangskoppelfläche der monolithisch gefalteten F-P-Hohlraums, sondern auch als Faltfläche, die den optischen Pfad faltet; die zweite Reflexionsfläche oder Totalreflexionsfläche, an der der Punkt D angeordnet ist, wird als weitere Faltfläche verwendet, so dass in dem F-P-Hohlraum eine zweifache optische Pfadfaltung erzielt wird. Der Winkel zwischen den zwei Faltflächen ist 90°, was eine Parallelität zwischen dem auf die Faltflächen einfallenden Licht und dem von den Faltflächen reflektierten Licht sicherstellt. All diese optischen Funktionsflächen (die Koppelfläche und die zwei Hochreflexionsflächen) können ebene oder gekrümmte Flächen (mikro-konvexe oder mikro-konkave Flächen) sein.
5 zeigt schematisch den Aufbau eines monolithischen gefalteten F-P-Hohlraums gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung. In 5 stellt Punkt C die Stelle dar, an der Licht auf eine Koppelfläche auffällt, und die Punkte A und B stellen die entsprechenden Reflexionspositionen der zwei Hochreflexionsflächen des monolithischen optischen Elements 5 dar, wobei nur eine Pfadfaltung an der Koppelfläche innerhalb des monolithischen optischen Elements 5 auftritt.
In diesem Fall tritt ein Lichtstrahl an Punkt C an der Koppelfläche in das monolithische optische Element 5 ein und trifft dann nach Brechung senkrecht auf Punkt B an der ersten Hochreflexionsfläche auf, die mit einer Beschichtung hohen Reflexionsgrads beschichtet ist, wo sie entlang des ursprünglichen Pfads zurück zu Punkt C reflektiert wird und nach einer zweiten Reflexion zu der zweiten Hochreflexionsfläche, die mit einer Beschichtung hohen Reflexionsgrad beschichtet ist, gefaltet wird und senkrecht auf deren Punkt A auftrifft, von sie entlang dem ursprünglichen Pfad zu Punkt C zurückkehrt, wo sowohl Transmission als auch Reflexion auftritt. Der in 5 gezeigte optische Pfad ist achsensymmetrisch, wobei die erste und die zweite Reflexionsfläche gegenüber der Koppelfläche denselben Winkel haben. In der in 5 gezeigten zweiten Ausführungsform sind beide Hochreflexionsflächen, an denen jeweils Punkt A und Punkt B angeordnet ist, mit einer Beschichtung hohen Reflexionsgrads beschichtet, und die Koppelfläche hat einen relativ niedrigeren Reflexionsgrad. Daher können die Produktionskosten einer solchen Ausführungsform höher sein als die der in 4 gezeigten Ausführungsform.
Gemäß der Erfindung können ein Temperatursensor und ein Halbleiterkühler angeordnet sein, um die Temperatur des monolithisch gefalteten F-P-Hohlraums zu steuern. Durch Anbringen eines piezoelektrischen Transducers und einer Temperatursteuerung kann ein schneller Feinabgleich in einem kleinen Bereich und ein langsamer Grobabgleich in einem großen Bereich jeweils erreicht werden, so dass die Resonanzfrequenz des F-P-Hohlraums 5 gut abgestimmt und gesteuert werden kann.
6 zeigt einen Halbleiterlaser mit Littman-Aufbau, bei dem der Reflektor des in 2 gezeigten External-Cavity-Littman-Halbleiterlasers durch den monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum gemäß der ersten Ausführungsform ersetzt ist, um eine Rückkoppellinienbreite zu verringern.
Die Halbleiterdiode 1 strahlt Licht ab, wobei eine Halbleiterlaserdiode (LD), ein Distributed-Feedback-Laser (DFB, Laser mit verteilter Rückkopplung) oder dergleichen als Laserquelle verwendet werden kann. Die Halbleiterlaserdiode 1 strahlt beispielsweise Licht mit einer Wellenlänge von 689 mm und einer Ausgangsleistung von 30 mW ab. Nachdem es von dem asphärischen Kollimator 3 mit einer Brennweite von 4 mm und einer numerischen Apertur von 0,6 kollimiert wurde, wird das Licht zu einem parallelen Licht konvergiert, das auf das Gitter 12 in einem Winkel θi auftritt, wo ein Beugungslicht bei einem Beugungswinkel von θd gewonnen wird. Ein solcher Aufbau wird als Grazing-incidence-Aufbau (Aufbau mit streifendem Einfall) bezeichnet, da der Einfallswinkel θi des von der Laserdiode 1 auf das Gitter 12 auftreffende Licht größer ist als der Beugungswinkel θd des Beugungslichts. Dabei kann das Gitter 12 ein holographisches Gitter sein wie z. B. ein holographisches Gitter mit einer Rillendichte von 1.800 g/mm, einer gerillten Fläche von 12,5 mm × 12,5 mm und einer Dicke von 6 mm sowie einem geeigneten Beugungswirkungsgrad. Alternativ kann das Gitter 12 ein Blaze-Beugungsgitter oder ein anderer Typ von Gitter sein. Beugungslicht nullter Ordnung des Gitters, d. h. sein Spiegelreflexionslicht, wird als Ausgabe des Lasers verwendet, und Beugungslicht erster Ordnung des Beugungsgitters tritt in den monolithisch gefalteten F-P-Hohlraum 5 ein, und nach mehrmaliger Reflexion wird das Retro-Inzidenz-Reflexionslicht des Hohlraums 5 als Rückkoppellicht entlang dem Pfad, der kollinear zu dem ursprünglichen einfallenden Licht ist und in der entgegengesetzten Ausbreitungsrichtung in die Halbleiterlaserdiode 1 zurückgefaltet. Da der Einfallswinkel bei diesem Littman-Aufbau größer ist als der Beugungswinkel, können mehr Rillen an der Beugung teilnehmen, woraus sich eine bessere Wellenlängen- oder Frequenzselektion ergibt als bei dem traditionellen Littrow-Aufbau. Ähnlich wie bei der in 4 gezeigten ersten Ausführungsform ist der dabei verwendete monolithische gefaltete F-P-Hohlraum 5 ein Prisma mit einem rechtwinkligen trapezförmigen Querschnitt. Es ist jedoch auch möglich, die Funktion des gefalteten F-P-Hohlraums zu erzielen unter Verwendung des in 5 gezeigten monolithischen optischen Elements der zweiten Ausführungsform oder anderer Formen von monolithischen optischen Elementen.
Alternativ kann das Reflexionsgitter 12 von 6 durch ein Transmissionsgitter ersetzt sein, um einen Halbleiterlaser mit Transmissions-Littman-Aufbau zu erzielen. In diesem Fall wird das Transmissionslicht von dem Gitter 12 als Ausgabe des Lasers verwendet.
Da der in 6 gezeigte Littman-Aufbau Beugungslicht erster Ordnung aufweist, das eine höhere Größe in der Meridianrichtung hat, ist ein F-P-Hohlraum größerer Größe erforderlich. Weiter sind zum synchronen Abstimmen des Gitters und des Resonanzhohlraums der F-P-Hohlraum 5 und das Drehzentrum P der SYN-Abstimmung auf zwei verschiedenen Seiten des Lichts angeordnet, das von der Laserdiode 1 abgestrahlt wird, was nachteilig für den mechanischen Entwurf der synchronen Abstimmung ist. Um die Spotgröße des Beugungslichts erster Ordnung in der Meridianrichtung zu verringern und somit den mechanischen Entwurf der SYN-Abstimmung zu erleichtern, schlägt die vorliegende Erfindung weiter einen in 7 gezeigten neuen Halbleiterlaseraufbau vor, der für einen monolithischen gefalteten Hohlraum kleinerer Größe geeigneter ist.
Die streifende Beugung durch den in 7 gezeigten Gitteraufbau wird als Verbesserung angesehen, die auf der Basis des Littman-Aufbaus von 6 durchgeführt wurde, die auch aus der Halbleiterlaserdiode 1, dem Kollimator 3, dem Gitter 12 und dem monolithischen gefalteten Hohlraum 5 zusammengesetzt ist. Mit einem solchen Aufbau wird das von der Laserdiode 1 abgestrahlte Licht durch den Kollimator 3 zu einem parallelen Licht konvergiert, das in einem Winkel θi auf das Gitter 12 auftrifft, wobei Diffusionslicht erster Ordnung in einem Beugungswinkel θd gewonnen wird. Das Beugungslicht tritt in dem monolithischen gefalteten Hohlraum 5 ein, und nach mehrmaliger Reflexion innerhalb dieses Hohlraums kehrt ein Retro-Inzidenz-Reflexionslicht des Hohlraums 5 als Rückkoppellicht entlang dem Pfad, der kollinear zu dem einfallenden Licht ist, aber in der entgegengesetzten Ausbreitungsrichtung in die Halbleiterlaserdiode 1 zurück, während das Spiegelreflexionslicht des Gitters 12 nach außen ausgegeben wird. Verglichen mit dem in 6 gezeigten Aufbau ist der Einfallswinkel θi des von der Laserdiode 1 abgestrahlten Lichts auf das Gitter 12 kleiner als der Beugungswinkel θd des Beugungslichts, beispielsweise fällt das Licht in einem Einfallswinkel θi von 21,2° auf das Gitter 12 ein, während das Beugungslicht erster Ordnung an dem Gitter 12 beispielsweise einen Beugungswinkel θd von 63,5° aufweist. Wie in 7 gezeigt, sind der F-P-Hohlraum und das Drehzentrum P der SYN-Abstimmung auf derselben Seite des von der Laserdiode 1 abgestrahlten Lichts angeordnet, so dass eine SYN-Abstimmung mit einem vereinfachten mechanischen Entwurf erzielt werden kann. Da der Beugungsspot weiter in der Meridianrichtung zusammengezogen ist, ist es möglich, einen monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum geringerer Größe zu verwenden, um einen kompakten Aufbau der Ausrüstung zu erzielen.
8 zeigt einen Halbleiterlaseraufbau ähnlich dem von 7, außer dass das Beugungsgitter 12 durch einen Lichtteiler 12' ersetzt ist, der ebenfalls die Funktion der Frequenzauswahl hat. Von der Laserdiode 1 abgegebenes Licht wird durch den Kollimator 3 kollimiert und trifft dann auf den Teiler 12' auf, von dem ein Licht mit einer geeigneten Leistung abgeteilt wird, das auf den monolithischen gefalteten Hohlraum 5 auftrifft. Nach mehrmaliger Reflexion dieses auftreffenden Lichts innerhalb des monolithischen gefalteten Hohlraums 5 kehrt ein Retro-Inzidenz-Reflexionslicht als Rückkoppellicht entlang eines Pfads, der kollinear zu dem einfallenden Licht ist, aber in der entgegengesetzten Ausbreitungsrichtung zu der Halbleiterlaserdiode 1 zurück, während sein direktes Transmissionslicht als Ausgabe des Lasers verwendet wird. Gemäß dieser Erfindung kann die Laserlinienbreite auf weniger als 100 kHz eingeschränkt werden.
Die Ausgabe des Halbleiterlasers kann auf verschiedene Weise gedreht werden, die das Anordnen eines oder mehrerer der folgenden Einstellsysteme in dem Halbleiterlaser beinhalten:

1) F-P-Hohlraum-Resonanzfrequenzeinstellsystem, das die durch den monolithisch gefalteten Hohlraum 5 festgelegte Resonanzfrequenz moduliert durch Ändern der Pfadlänge innerhalb des Hohlraums 5. In diesem Fall kann die entsprechende Einstellung verwirklicht werden durch Ändern der Temperatur des Hohlraums 5 und/oder der auf den Hohlraum 5 ausgeübten mechanischen Spannung; und
2) Laseroszillationsfrequenz-Einstellsystem, sas zum Einstellen der durch die Länge des externen Hohlraums bestimmten Oszillationsfrequenz und/oder die durch das Gitter oder andere Wellenlängen- oder Frequenzselektionselemente bestimmte Oszillationsfrequenz verwendet wird. Beim Abstimmen der Laseroszillationsfrequenz, die durch die Länge des äußeren Hohlraums bestimmt ist, kann das beispielsweise verwirklicht werden durch Verändern der Pfadlänge von dem Gitter oder Teiler zu dem monolithischen gefalteten Hohlraum 5 oder durch Ändern der Pfadlänge von dem Gitter oder Teiler zu der Laserdiode 1 durch Bewegen des monolithischen gefalteten Hohlraums 5, des Gitters 12 oder des Teilers 12' und eines oder mehrerer Elemente der Laserdiode 1 entlang einer bestimmten Spur, während der Einfallswinkel des Lichts, der über das Gitter 12 oder den Teiler 12' in den Hohlraum 5 eintritt, unverändert bleibt, oder durch Verändern der Pfadlänge von dem Gitter oder Teller zu der Halbleiterlaserdiode 1. Wenn die Oszillationsfrequenz abgestimmt wird, die durch das Gitter oder alle andere Wellenlängen- oder Frequenzselektionselemente bestimmt ist, kann das alternativ oder zusätzlich erzielt werden durch Verändern des Winkels des Gitters oder Etalon, der Resonanzfrequenz des Schleifenfilters oder der Übertragungswellenlänge des Interferenzfilters. Bezüglich der synchronen Abstimmung können die zwei oben genannten Laseroszillationsfrequenzabstimmungen gleichzeitig und synchron durchgeführt werden.
3) Halbleiterlaserdiodenausgangsfrequenzbereichseinstellsystem, das den Bereich der Ausgangsfrequenz der Halbleiterlaserdiode 1 verändert durch Ändern des Eingangsstroms oder der Temperatur der Halbleiterlaserdiode 1, beispielsweise durch Ändern des Eingangsstroms der Halbleiterlaserdiode 1 und/oder Ändern der Temperatur der Halbleiterlaserdiode 1.

Die Ausgangswellenlänge oder -frequenz des Halbleiterlasers kann abgestimmt werden durch eine beliebige Kombination der obigen Maßnahmen. Weiter können zum Erzielen des besten Ausgabeeffekts verschiedene Einstellungsmaßnahmen während der Modulation kombiniert werden, um eine Spitze zu erzielen, die das gewonnene Laserspektrum überlagert.
9 zeigt schematisch den Aufbau eines Halbleiterlasers mit einem Einstellsystem gemäß der Erfindung, das enthält: eine Halbleiterlaserdiode 1, einen Laserdiodenkühlkörper 2, einen asphärischen Kollimator 3, eine einstellbare Halterung 4 des asphärischen Kollimators, einen monolithischen gefalteten F(P-Hohlraum 5, einen Kühlkörper 6 des monolithischen gefalteten F-P-Hohlraums zur langsamen Frequenzeinstellung in einem großen Bereich, einen beweglichen Einstellabschnitt 7, einen unbeweglichen Einstellabschnitt 8, eine Feinschraube 9 für die ganze Einstellung des monolithischen gefalteten F-P-Hohlraums 5, einen piezoelektrischen Einstelltransducer 10 zum ganzen Abgleichen des monolithischen gefalteten F-P-Hohlraums 5, einen piezoelektrischen Transducer 11, der an dem monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum 5 befestigt ist, zur schnellen Frequenzeinstellung des gefalteten Hohlraums, ein Gitter 12, einen Gitterhalter 13 und eine Basisplatte 14. Weiter zeigt 9 auch Beugungslicht nullter Ordnung des Gitters als Eingangslicht und Spiegelreflexionslicht an dem Gitter 12 des von dem monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum zurückgeführten Lichts.
Das F-P-Hohlraum-Resonanzfrequenzeinstellsystem besteht aus dem Kühlkörper 6 des monolithischen gefalteten F-P-Hohlraums und dem piezoelektrischen Transducer 11, der an dem monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum 5 befestigt ist; das Laseroszillationsfrequenzeinstellsystem besteht aus dem beweglichen Einstellabschnitt 7, dem unbeweglichen Einstellabschnitt 8, der Feinschraube 9 und dem piezoelektrischen Einstelltransducer 10, was verwendet wird, um die durch die Länge des externen Hohlraums bestimmte Oszillationsfrequenz und die durch das Gitter 12 bestimmte Laseroszillationsfrequenz einzustellen; und das Laserausgangsfrequenzbereichseinstellsystem besteht aus dem Laserdiodenkühlkörper 2.
Wenn eine elektrische Spannung verändert wird, ändert sich eine Verstellung des piezoelektrischen Einstelltransducers 10 in seiner Dickerichtung, was zu einer Drehung des beweglichen Einstellabschnitts 7 führt und wiederum den monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum 5 dreht und somit die Richtung des zu dem Gitter 12 zurückkehrenden Beugungslicht erster Ordnung sowie die Pfadlänge ändert, wodurch schließlich die Einstellung der Ausgangslaserfrequenz erzielt wird. Auch wenn in dieser Ausführungsform ein piezoelektrischer Einstelltransducer 10 verwendet wird, wissen Fachleute, dass es auch möglich ist, zwei oder mehr piezoelektrische Einstelltransducer an verschiedenen Stellen des beweglichen Einstellabschnitts 7 anzuordnen, um die Bewegung des beweglichen Einstellabschnitts 7 zu steuern.
In diesem Beispiel hat der an dem monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum 5 befestigte piezoelektrische Transducer 11 eine Blattform, die auch als Kreis, Rechteck oder ein beliebiges anderes Polygon ausgeführt sein kann. Wenn sich die an den piezoelektrischen Transducer 11 angelegte Spannung ändert, ändert sich die Fläche des piezoelektrischen Transducers 11 entsprechend, was zu einer Änderung der Form des monolithischen gefalteten F-P-Hohlraums 5 führt und somit die Resonanzfrequenz des F-P-Hohlraums ändert, wodurch schließlich die Einstellung der Ausgangslaserfrequenz erzielt wird. Verglichen mit der Einstellung des piezoelektrischen Einstelltransducers 10 kann der piezoelektrische Transducer 11 die Frequenzabstimmung sorgfältiger oder genauer durchführen.
Der Laserdiodekühlkörper 2 wird verwendet, um die Temperatur der Laserdiode 1 zu steuern, und der Kühlkörper des monolithischen gefalteten F-P-Hohlraums 6 wird verwendet, um die Temperatur des monolithischen gefalteten F-P-Hohlraums 5 zu steuern, um somit seine Resonanzfrequenz durch Temperaturänderung zu steuern, wodurch schließlich die Laserausgangsfrequenz eingestellt wird. Auch wenn dies langsamer ist als die Steuerung des piezoelektrischen Transducers 11, hat es einen weiteren Abstimmbereich.
Sicherlich kann das obige Resonanzfrequenzeinstellsystem auch nur mit dem Kühlkörper des monolithischen gefalteten F-P-Hohlraums oder dem monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum 5 befestigten piezoelektrischen Transducer 11 versehen sein, und es sind auch andere Verfahren möglich, um die optische Pfadlänge zu dem monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum 5 einzustellen.
Das Laseroszillationsfrequenzeinstellsystem kann so aufgebaut sein, dass der monolithische gefaltete F-P-Hohlraum 5 unbeweglich ist und der Gitterhalter 13 drehbar ist, beispielsweise durch Anordnung eines unbeweglichen Teils, einer Feinabstimmschraube, die an dem unbeweglichen Teil angebracht ist, und eines piezoelektrischen Wandlers, der an dem Gitterhalter befestigt ist. Somit kann der Gitterhalter 13 zum Ändern der Orientierung des Gitters 12 gedreht werden mittels der Feinabstimmschraube oder durch Verändern der an den piezoelektrischen Transducer angelegten elektrischen Spannung, was die Richtung des einfallenden Lichts und des Beugungslichts an dem Gitter 12 sowie die Länge des externen Hohlraums ändert, um so den Zweck der Frequenzverfolgung und synchronen Abstimmung des Ausgangslasers zu erzielen. Es ist auch möglich, das Laserfrequenzeinstellsystem nur mit der Feinabstimmschraube oder dem piezoelektrischen Transducer zu versehen oder den Beugungswinkel des auf den monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum 5 auftreffenden Lichts auf andere Weise zu ändern. Es kann auch ein anderes Laseroszillationsfrequenzeinstellsystem verwendet werden, das den monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum 5 und das Gitter 12 entweder einzeln oder beide simultan bewegt, um den Abstand von dem Gitter 12 zu dem Hohlraum 5 zu ändern. Optional kann auch der Stromeingang der Halbleiterlaserdiode 1 gesteuert werden, um den Ausgangsfrequenzbereich der Halbleiterlaserdiode zu ändern.
Der in 9 gezeigte Aufbau dient nur der Veranschaulichung, und es ist naheliegend, diese Abstimmungsarten mit dem in 8 gezeigten Halbleiterlaser mit Teiler zu kombinieren.
In der verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen kann der monolithische gefaltete F-P-Hohlraum auch andere Formen verschieden von der in 4 gezeigten annehmen, solang er die Bedingungen eines Resonanzhohlraums erfüllt. Der monolithische gefaltete F-P-Hohlraum ist gemacht aus optischem Hochqualitätsglas mit Ultrareinheit und Gleichförmigkeit, geringeren Blasen und niedriger Absorption, optischem Quarzglas oder anderen optischen Materialien, die für die Strahlung in den entsprechenden Frequenzbereichen durchlässig sind, die extrem niedrige Übertragungsverluste haben und die es ermöglichen, dass ihre drei Reflexionsflächen als mikro-konvexe Flächen verarbeitet werden, um die Zuverlässigkeit des Resonanzhohlraums zu garantieren. Die Reflexionsfläche auf jeder optischen Oberfläche wird schließlich verarbeitet gemäß einem optischen Supersmooth-Prozess, was vorzugsweise zu einer Rauhigkeit von weniger als 0,5 nm führt, in einigen Fällen jedoch von mehr als 0,5 nm.
Es können auch andere Materialien verwendet werden, um den monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum zu verwirklichen, und die Reflexionsflächen können ebene Flächen, mikro-konvexe Flächen, mikro-konkave Flächen und eine beliebige Kombination daraus sein. Eine oder mehrere Reflexionsflächen können beispielsweise als mikro-konvexe Fläche gebildet sein, die benötigt wird, um gestreute Strahlen zu korrigieren, oder eine oder mehrere von ihnen können als mikro-konkave Fläche gebildet sein, um konvergierende Strahlen zu korrigieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf einen monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum, der für einen Halbleiterlaser verwendet wird und der aus einem monolithischen optischen Element gebildet ist. Das monolithischen optischen Element besteht aus einem Material, das einen niedrigen Ausbreitungsverlust für einen bestimmten Spektralbereich aufweist. Licht, das durch eine Eingangs/Ausgangskoppelfläche des monolithischen optischen Elements eintritt, wird mehrmals zwischen der Eingangs/Ausgangskoppelfläche und zumindest zwei Hochreflexionsflächen in dem monolithischen optischen Element reflektiert und dann tritt zumindest ein Teil des Lichts durch die Eingangs/Ausgangskoppelfläche aus entlang einem Pfad, der kollinear zu dem einfallenden Licht ist, aber in einer entgegengesetzten Richtung. Durch Integrieren reflektierender und koppelnder Teile des gefalteten F-P-Hohlraums in einem einzigen monolithischen optischen Material verbessert diese Erfindung die Zuverlässigkeit des F-P-Hohlraums beträchtlich und hat andere Vorteile wie z. B. Unempfindlichkeit gegenüber Störungen von außen, geringere Größe, einfacherer Aufbau und leichte Verwendung. Ein Halbleiterlaser, der den monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum verwendet, wird ebenfalls bereitgestellt.

Claims

Monolithischer gefalteter F-P-Hohlraum, der für einen Halbleiterlaser geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der monolithische gefaltete F-P-Hohlraum gebildet ist aus einem monolithischen optischen Element, das aus einem Material besteht, das einen niedrigen Transmissionsverlust mit Bezug auf einen bestimmten Spektralbereich aufweist, und das monolithische optische Element so gebildet ist, dass Licht, das durch eine Eingangs/Ausgangskoppelfläche des monolithischen optischen Elements eintritt, mehrmals zwischen der Eingangs/Ausgangskoppelfläche und zumindest zwei Hochreflexionsflächen in dem monolithischen optischen Element reflektiert wird und dann zumindest ein Teil des Lichts aus der Eingangs/Ausgangskoppelfläche gestrahlt wird entlang einem Pfad kollinear und in entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung zu dem einfallenden Licht.
Monolithischer gefalteter F-P-Hohlraum gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das monolithische optische Element im Fall eines Laserstrahlungsspektrums sichtbaren Lichts aus optischem Kristall oder optischem Glas gebildet ist, insbesondere aus Quarzglas.
Monolithischer gefalteter F-P-Hohlraum gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangs/Ausgangskoppelfläche des monolithischen optischen Elements und die Hochreflexionsflächen des monolithischen optischen Elements eine Rauhigkeit von weniger als 0,5 nm haben.
Monolithischer gefalteter F-P-Hohlraum gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangs/Ausgangskoppelfläche des monolithischen optischen Elements mit einer Beschichtung versehen ist, die einen Reflexionsgrad von 0,9 bis 0,99 hat.
Monolithischer gefalteter F-P-Hohlraum gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochreflexionsflächen des monolithischen optischen Elements mit einer Beschichtung versehen sind, die eine Absorption von weniger als 50 ppm einen Reflexionsgrad von mehr als 0,999 hat.
Monolithischer gefalteter F-P-Hohlraum gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das monolithische optische Element eine Eingangs/Ausgangskoppelfläche und zwei Hochreflexionsflächen hat, wobei die Eingangs/Ausgangskoppelfläche einer ersten Hochreflexionsfläche schräg gegenüberliegt und senkrecht zu einer zweiten Hochreflexionsfläche ist, die Totalreflexion ermöglicht, so dass Licht, das durch die Eingangs/Ausgangskoppelfläche eintritt, senkrecht auf die erste Hochreflexionsfläche trifft und dann zu der Eingangs/Ausgangskoppelfläche zurückreflektiert wird, wo ein Teil von ihm dann in dem Eintrittspunkt ausgekoppelt wird und der andere Teil reflektiert wird und auf die zweite Hochreflexionsfläche trifft und dann von der zweiten Hochreflexionsfläche noch einmal reflektiert wird und senkrecht auf die erste Hochreflexionsfläche trifft, dann durch die Reflexion der ersten Hochreflexionsfläche zu der zweiten Hochreflexionsfläche zurückkehrt und dann durch die Reflexion der zweiten Hochreflexionsfläche zu der Eingangs/Ausgangskoppelfläche zurückkehrt und schließlich in dem Eintrittspunkt teils nach außen abstrahlt.
Monolithischer gefalteter F-P-Hohlraum gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das monolithische optische Element ein Prisma mit einem rechtwinklig-trapezförmigen Querschnitt ist, wobei die Seite, an der der rechtwinklige Schenkel des rechtwinkligen Trapezes angeordnet ist, die Eingangs/Ausgangskoppelfläche bildet, die Seite, an der die Hypotenuse des rechtwinkligen Trapezes angeordnet ist, die erste Hochreflexionsfläche bildet, und die Seite, an der die Grundkante angeordnet ist, die zweite Hochreflexionsfläche bildet, die Totalreflexion ermöglicht.
Monolithischer gefalteter F-P-Hohlraum gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hochreflexionsfläche, die Totalreflexion ermöglicht, nicht beschichtet ist.
Monolithischer gefalteter F-P-Hohlraum gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das monolithische optische Element eine Eingangs/Ausgangskoppelfläche und zwei Hochreflexionsflächen hat, die denselben Winkel gegenüber der Koppelfläche haben, wobei zumindest ein Teil des Lichts, das durch die Eingangs/Ausgangskoppelfläche eintritt, senkrecht auf eine der Hochreflexionsflächen trifft und dann zu der Eingangs/Ausgangskoppelfläche zurückreflektiert wird, wo ein Teil von ihm ausgekoppelt wird und der andere Teil des Lichts von der Eingangs/Ausgangskoppelfläche in dem Eintrittspunkt reflektiert wird und senkrecht auf die andere Hochreflexionsfläche trifft und dann zu der Eingangs/Ausgangskoppelfläche zurück reflektiert wird, wo es in dem Eintrittspunkt teils nach außen abstrahlt.
Monolithischer gefalteter F-P-Hohlraum gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Eingangs/Ausgangskoppelfläche als auch die Hochreflexionsflächen des monolithischen optischen Elements ebene Flächen sind oder anderenfalls eine oder mehrere von ihnen mikro-konvexe oder mikro-konkave Flächen sind.
Monolithischer gefalteter F-P-Hohlraum gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Rechtwinkelfehler des rechtwinkligen Trapezes als auch der Pyramidenfehler des Prismas innerhalb 6'' beschränkt sind.
Halbleiterlaser mit einer Halbleiterlaserdiode (1), einem Kollimator (3), einem Gitter (12) und einem gefalteten F-P-Hohlraum (5), wobei Licht, das von der Halbleiterlaserdiode (1) abgestrahlt wird, von dem Kollimator (3) kollimiert wird und dann auf das Gitter (12) auftrifft, Beugungslicht von dem Gitter (12) in den gefalteten F-P-Hohlraum (5) eintritt, zumindest ein Teil davon den gefalteten F-P-Hohlraum (5) entlang einem Pfad verlässt, der kollinear zu dem einfallenden Licht und in der entgegengesetzten Richtung ist, und dann nach einer erneuten Beugung an dem Gitter (12) in die Halbleiterlaserdiode (1) zurückkehrt, wobei der gefaltete F-P-Hohlraum (5) ein monolithischer gefalteter F-P-Hohlraum ist, der durch ein monolithisches optisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 gebildet ist.
Halbleiterlaser gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel θi, in dem das von der Laserdiode (1) abgestrahlte Licht auf das Gitter (12) auftrifft, größer ist als der Beugungswinkel des an dem Gitter (12) gewonnenen Beugungslichts.
Halbleiterlaser gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel θi, in dem das von der Laserdiode (1) abgestrahlte Licht auf das Gitter (12) auftrifft, kleiner ist als der Beugungswinkel des an dem Gitter (12) gebeugten Lichts.
Halbleiterlaser gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (12) ein Transmissionsbeugungsgitter ist.
Halbleiterlaser gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (12) ein Blaze-Beugungsgitter oder ein holographisches Gitter ist.
Halbleiterlaser gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wellenplatte wie z. B. eine Halbwellenplatte in den optischen Pfad zwischen dem Kollimator (3) und dem Gitter (12) eingesetzt ist.
Halbleiterlaser gemäß Anspruch 12 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Blende in den optischen Pfad zwischen dem Kollimator (3) und dem Gitter (12) eingesetzt ist.
Halbleiterlaser gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (12) durch einen Teiler (12') ersetzt ist, wobei Licht, das von der Halbleiterlaserdiode (1) abgestrahlt wird, von dem Kollimator (3) kollimiert wird und dann auf den Teiler (12') auftrifft, von dem Teiler (12') geteiltes Licht in den monolithischen gefalteten F-P-Hohlraum eintritt, ein Teil davon den Hohlraum entlang einem Pfad verlässt, der kollinear zu dem einfallenden Licht und in der entgegengesetzten Richtung ist, und dann nach nochmaligem Hindurchtreten durch den Teiler (12') zu der Halbleiterlaserdiode zurückkehrt.
Halbleiterlaser gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellenlängen- oder Frequenzselektionselement wie z. B. ein Interferenzfilter, ein Schleifenfilter oder ein Etalon in den optischen Pfad zwischen dem Kollimator (3) und dem Teiler (12') eingesetzt ist.
Halbleiterlaser gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass er weiter ein F-P-Hohlraumresonanzfrequenzeinstellsystem enthält, das verwendet wird, um die Resonanzfrequenz zu modulieren, die durch den F-P-Hohlraum (5) bestimmt wird, durch Verändern der Pfadlänge des gefalteten F-P-Hohlraums (5).
Halbleiterlaser gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das F-P-Hohlraumresonanzfrequenzeinstellsystem die Pfadlänge des gefalteten F-P-Hohlraums (5) verändert durch Ändern der Temperatur des monolithischen optischen Elements des gefalteten F-P-Hohlraums (5) und/oder der auf es aufgebrachten mechanischen Spannung.
Halbleiterlaser gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das F-P-Hohlraumresonanzfrequenzeinstellsystem einen Kühlkörper (6) des F-P-Hohlraums enthält, der verwendet wird, um die Temperatur an dem monolithischen optischen Element des gefalteten F-P-Hohlraums (5) zu steuern, um so die Resonanzfrequenz des gefalteten F-P-Hohlraums (5) durch Veränderung der Temperatur zu steuern.
Halbleiterlaser gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das F-P-Hohlraumresonanzfrequenzeinstellsystem einen piezoelektrischen Transducer (7) enthält, der an dem monolithischen optischen Element befestigt ist, der den gefalteten F-P-Hohlraum (5) bildet, wobei die Resonanzfrequenz des gefalteten F-P-Hohlraums (5) gesteuert wird durch Ändern einer dem piezoelektrischen Transducer (7) zugeführten elektrischen Spannung, um die auf das monolithische optische Element aufgebrachte mechanische Spannung zu steuern.
Halbleiterlaser gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass er weiter ein Laseroszillationsfrequenzeinstellsystem enthält, das verwendet wird, um die Laseroszillationsfrequenz, die durch die Länge eines externen Hohlraums bestimmt wird, oder die Laseroszillationsfrequenz, die durch das Gitter (12) bestimmt wird, einzustellen.
Halbleiterlaser gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass er weiter ein Laseroszillationsfrequenzeinstellsystem enthält, das verwendet wird, um die Laseroszillationsfrequenz einzustellen, die durch die Wellenlängen- oder Frequenzselektionselemente bestimmt wird.
Halbleiterlaser gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass er weiter ein Halbleiterlaserdiodenausgangsfrequenzbereichseinstellsystem enthält, das verwendet wird, um den Bereich der Ausgangsfrequenz der Halbleiterlaserdiode (1) durch Ändern des Eingangsstroms und/oder der Temperatur der Halbleiterlaserdiode (1) einzustellen.