DE1439246A1 - Halbleiter-Laseranordnung mit hoher Leistung und/oder starker Buendelung - Google Patents

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mit Ιιυΐιοι- Leiotung. und/oder

Di-3 phyrjil:::Ii^choii GrundIa^on, Jio aar Yerctürkung bsw. 3rjcujluIo von Llikro'.vcllon oder licht Strahlung nach dem Macer- \j's:i. Lasorprinaip führen, oind an sich bekannt. Ss sind beiseiteeine Reihe von Laser- bzw. Maseranordnungen mit gas-

BAD ORlGSNAL

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förmigen, flüssigen und festen maser- bzw. laseraktiven Materialien realisiert worden, die nach dem genannten Prinzip ■ arbeiten. Die dabei erzeugte bzw. verstärkte Strahlungsleistung war jedoch bisher verhältnismäßig gering. Dies hat prinzipielle Gründe, so zum Beispiel, daß in dem normalerweise verdünnten Gas eines Gaslasers nur eine geringe Dichte der Atome herrscht, die in Zuständen angeregt sind, die zu laseraktiven Übergängen führen oder daß beispielsweise die .für einen Rubin-Iaser erforderliche Pumpstrahlung bei Verwendung der bekannten Pumplichtquellen vor allem wegen ihres geringen, in einem Rubin-Laser für den Pumpprozeß effektiv wirksamen Energieanteils so hoch iät, daß z.B. ein Gas- oder Rubinlaser mit wesentlich mehr als 1 Watt Dauerleistung:praktisch noch nicht realisierbar ist. -.:■"".;-

Es sind zwar Lasoranordnungen bekannt geworden, die über einen

—6 —7 kurzen Zeitraum, z.B. von 10" und 10"* See, bis zu MWatt lei-,sten, diese Leistung aber nur in dagegen großen Zeitabständen abgeben können. Die dabei beispielsweise während einer Sekunde abgegebene Energie liegt daher in der Größenordnung von z.B. 10-2 I)J₁₃ ι Wattsec. Die Erfindung bezieht sich dagegen auf eine Anordnung zur Erzeugung oder Verstärkung von Laserstrahlung, die.u.a. eine dagegen höhere Leistung abzugeben in der Lage ist. Unter dem Begriff Leistung im Zusammenhang mit Abgabe von Leiflturig bei einem Lager ist im Sinne tfieser Erfindung die Abgabe

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von Energie pro Zeiteinheit zu verstehen, die sich umgerechnet auf einen längeren Zeitraum der Energieabgabe größer als etwa 1 see insbesondere timgerechnet auf Dauerbetrieb des Lasers ergibt. * .:

Bezüglich hoher Energieabgabe bei einem Maser bzw. Laser bieten sogenannte als Halbleiter oder Diodenlaser bezeichnete Anordnungen Vorteile gegenüber Anordnungen mit Rubin und ähnlichen laseraktiven Stoffen, deren elektrische Leitfähigkeit bei den Temperaturen, die für den Laserbetrieb einzuhalten sind, nur gering bzw. vernachlässigbar klein ist. Aufgrund der Leitfähigkeit des halbleitenden Materials ist es bei diesen Halbleiteranordnungen möglich, durch Trägerinjektion beispielsweise in einer pn-Übergangsschicht bestimmter ausgewählter Halbleitermaterialien" mit bestimmter Dotierung den Pumpprozeß, d.h. die Energiezufuhr zur Erreichung der Umsetzung mit,.einem bisher für die Lasertechnik ungewöhnlich hohen Wirkungsgrad durchzuführen. Zu fordern ist natürlich, daß diese ausgewählten Halbleitermaterialien wenigstens gebietsweise auch laseraktiv sind, d.h. Gebiete haben, in denen sie durch den Pumpprozeß laser- . aktiv gemacht v/erden können. Solche Stoffe sind z.B. Galliumarsenid, GalliumarsenidphoBphid, Indiumantimonid, Indiumarsenid und andere. , > ,

Anstelle der genannten pn-Übergangsschicht kann der erwähnte Pumpprozeß auch in der. Übergangsschicht zwischen Gebieten ver-

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' schieden hoher, gleichsinniger Dotierung und/oder auch in diesen Übergangsschichten benachbartem Gebiet durchgeführt werden. Es sind.auch lasoralctive Halbleiterkörper vorgeschlagen worden, bei denen zwischen dem p- und dem n-Bereich^:eine oder mehrere Schichten mit gegenüber dem benachbarten Bereich geringerer Dotierung vorgesehen sind. Insbesondere kann sich ein

eigenleitender Bereich zwischen dem p-und dem h-Bereich be- . finden. Diese Anordnungen sind vorzugsweise in dem schwach . dotierten Bereich laseraktiv» . ^; . . ■ ^:

Für die Abgabe hoher Laserstrahlungsleistung ist es bei derartigen Halbieitcr-Iasern im allgemeinen kein wesentliches Problem," die zur Umbesetzüng erforderliche hohe Irägerinjektion - zu erzeugen. Schwierigkeiten bereitet es dagegen, zu verhindern, ' daß die für-den. Lasofbotriob maximal·zulässige Temperatur in ^: der lasoraktüven Zone des Halbleiters nicht überschritten v/ird. Die auftretende Erwärmung wird in erster Linie durch Joul'sche * Verluste, aber auch durch die Verluste, die durch,strahlungs_s lose Übergänge im Halbleiter auftreten, hervorgerufen.

'.- Obwohl in den bereits bekannten Dioden-Iaseranordnungen"-bereits

. _:v;z.B. gegenüber Rubinlaoorn außerordentlich hohe Energiedibhten . erreicht werden, liegt deren Leistungsabgabe derzeit nicht höher als etwa 1 Watt» Der Grund hierfür ist» daß dio eigentlich laser-

Λ; ^aktive Zone in, einem Diodenlßsei⁴ nur sehr klein ist. Ihre maxiiaaie Dicke wird im wesentlichen durch die Diffusionslänge der

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Ladungsträger, im Halbleitermaterial bestimmt. Die Diffuoionslänge hängt zwar von der Dotierung und der eingeprägten Stromdichte ab, es sinä aber kaum Dicken von mehr als 10vU für die Zone zu erreichen. Bei den bisher bekannt gewordenen Anordnungen begrenzt die Dicke der laseraktiven Zone aber nicht nur die Strahlungsleistung eines derartigen Lasere, sondern auch die Austrittsöffnung der Strahlung des Laser3 und damit die maximal erreichbare Parallelität der Bündelung der Strahlung. Eine wesentliche Verbreiterung der laseraktiven Zone bei einem nach den Laserprinzip arbeitenden Strahlungserzeuger erscheint bei den derzeit bekannten Anordnungen nicht sehr vorteilhaft, da bei einem sehr breiten Strahl zu viele Moden entstehen und keine ausreichende Sicherheit für Kohärenz der im ganzen Querschnitt erzeugten bzw, verstärkten Strahlung gewährleistet ja;.

Eine Erhöhung der Strahlleistung bei gleichbleibender oder gar verringerter Energiedichtc der Pumpleistung bzw. Strahlung im Laser und/oder eino gute Bündelung läßt sich erreichen bei Verwendung einer Einrichtung ₂ur Aueoendung von insbesondere kohärenter Mikrowellen- oder Lichtstrahlung, vorzugsweise mit . einer Leistung von etwa" 1 \T oder mehr und/oder scharfer Bündelung eines von der Einrichtung ausgesandten Strahles mit einer Divergenz von etwa 4° oder weniger, in wenigstens einer der beiden Koordinatenrichtungen senkrecht zur Strahlrichtung, in der die Strahlung nach dem Prinzip deo Diodenlasero erzeugt

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bzw, verstärkt wird, und die erfindungsgeinäß dadurch gekennzeichnet iot, daß sie aus einen Halbleiterkörper besteht, der zwei oder mehr Übergangsschichten (4, 4',' 4"» 4^I:I) besitzt, die parallel zueinander angeordnet sind und in denen Strahlung nach den Diodenlascrprinzip erzeugt oder verstärkt wird, so daß aus den Übergangsschichten ein Strahl in paralleler oder nahezu paralleler Richtung aus den Halbleiterkörper austritt.

V/oitero Einzelheiten gehen aus den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung hervor. .

In. Fig. 1 i3t 1 ein Halbleiterkörper, der aus Schichten besteht, die hier in diesem Beispiel abwechselnd Elektronen- und Löcherleitungstypus haben« '

Eb seien 2,2.» und 2" die η-leitenden und 3,3» die p-leitenden Schichten. Die zwischen diesen Schichten liegenden Bereiche 4_S4⁸ ₃ 4» und 4'^s stollen iie in der Erfindung bereits erwähnten laseraktiven Zonen dar. Mit den Stromzuführungen 10 und 11 v/erden die von der Stromquelle 12 ausgehenden, der Trägerinjektion dienenden Ströme den Sclzbhten 2,2', 2" sowie 3 und V zugeführt. 13 ist eine Einrichtung^ mit der dieser Strom zur Modulation der Ausgangsleistung mofiMliert werden kann, 13 kann z_eB. ein Mikrofon sein. Dio in den Körper 1 eintretende parallele Strahlung 5s iio In den SeMslitsa"4f .4⁵^ :4" und 4^S:5 verstärkt v/irä_s tritt als Strahiiwig -6 .wieäer-vMs' dels ■ Körper -1 äüo». Der .aus

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einer der einzelnen Schichten 4, 4*, 4" oder 4'" Von 1 austretende Anteil der Strahlung 6 hat aufgruhd der Verstärkung nach den Lasorprinzip feste Phasenbeziehung zu dem in die betreffcndo Schicht eintretenden Anteil der Strahlung, 5_f d.h. er. ist kohärent zu dem besagten Anteil von 5. Die Strahlung 5 kann beispielsweise eine bereite in sich kohärente Strahlung sein, d.h. eine Strahlung" sein* bei der'die in die Schichten 4, 4·, 4», 4·" eintretenden Anteile von 5 feste yhasenbeziehung zueinander haben. In diesem-Fall sind die.aus den einzelnen Schichten 4, 4^f._f 4% 4"'insgesamt als Strahlung 6 austretenden Anteile der verstärkten Strahlung ebenfalls kohärent, d.h. haben feste Phasenbeziehung zueinander. Aus 1 tritt damit aufgrund der Interferenz der aus den einzelnen Schichten 4, 4'» 4", 4"' austretenden Strahlung, abgesehen von den auftretenden Nebonmaximä, die von dem Hauptmaximum z.B. durch eine Blende leicht abgetrennt werden können, ein Strahl aus» der besonders gut parallel gerichtet ist. Die Blende kann dabei ohne weite- · res so groß gewah.lt werden, daß sie auf die Strahlung des Ilauptmaximums nicht beugend wirkt. Tritt 5 als in sich kohärente Strahlung in 1 ein, so ist aufgrund der Verstärkung durch induzierte Emission die austretende Strahlung wegen der möglichen Größe der beugenden Öffnung in Richtung der Schicht-. breite (senkrecht zur Strahlung in der Schichtebene) besonders

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gut gebündelt* 6 hat im allgemeinen höhere Energie als 5·

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Die Anordnung, bestehend aus den Teilen 1 bis 4 und 10 bip 13, kenn evtl. unter Hinzufügung bekannter, für die Strahlung . nichtreziproker Glieder, beispielsweise als eine Art selektiver, in eine Übertragungsstrecko eingeschalteter Verstärker hoher 'Ausgangsleistung und/cder guter Bündelung verwendet werden. Die intensitätsschwacho Strahlung 5 tritt in den Halb-? leiterkörper ein und tritt verstärkt und kohärent zur Strahlung ■ 5 als Strahlung 6 mit hoher Leistung; und/oder guter Bündelung wieder aus ihm aus.- . . λ v^ . ■ '.. ^r\

Zur Erzeugung von insbesondere kohärenter Strahlung hoher ■ .Leistung und/oder guter Bündelung dienen die weiter in'der Figur angegebenen Einzelteile.Die in den Halbleiterkörper 1 eintretende Strahlung 5 wird,in diosom Falle in einer Hilfs-Lasoranordnurig 7 .eraeugt. Diese Hilfs-Laseranofdnung ist insbesondere ein Diodonlasor, der aus den beiden !Peilen 8 und 8^f, 'die SiB. entgegengesetzten Leitungstypus haben* besteht. In der Übergangszone 9 wird in an sich bekannter V/oise kohärente Strahlung erzeugt, die dann durch die Sammellinse 14 gebündelt als kohärente Strahlung 5 in den Körper 1 eintritt. Für die ^ Teile 8 und 8^f der Anordnung 7 werden im allgemeinen Äts_rGründen ;der Frequenzübereinstiismung dieselben Materialien verwendet, wie.;sie für/Schichten 2 -und .3 vorgesehen sind. 1^ imd ^6 dienen/ wie 10 und 11,_tals Strömsuführungen für den Trägerinjektionsstrom, der die Umbesöt2ung bewirkt und der von einer Strom-

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quelle 17 ausgeht. Der Strom kann gegebenenfalls durch eine Einrichtung 18, die z.B. der Einrichtung 13 entsprechen kann, im Bedarfsfalle moduliert werden. ^; ·

Mit dieser Anordnung der Figur 1 wird unter anderem die Aussondung eines Strahles besonders gut parallel gebündelter kohärenter Strahlung hoher Energie erreicht, wie sie 2.B. mit den derzeit bekannten Diodenlasern, z.B..der Hilfs-Laseranordnung der Pig. 1 allein nicht zu erreichen ist. Wie oben bereits erwähnt, ist die Bündelung vor allem in Richtung der Schichtdicke besonders groß.

Bei der Erzeugung von kohärenter laserstrahlung mit einer. Anordnung, wie sie in Pig. 1 dargestellt ist, ist darauf zu achten, daß in den Schichten 4, 4'> und 4" und 4^f" - im Gegensatz zur Schicht 9 - keine Selbsterregung der Laserstrahlung eintritt. Dies ist allgemein durch Begrenzung"des durch die Anordnung fließenden elektrischen Stromes zu erreichen.

Um die Selbsterregung in der Schicht 9, z.B. auch bei relativ, geringen Strömen, zu erreichen, empfiehlt e3 sich, Reflexionsflächen 19 und 19' einzuführen. Diese Reflexionsflachen sind auf beiden Seiten von.der Anordnung 7 so anzuordnen, daß die in der Schicht 9 erzeugte Strahlung 20 und 20· in sich zurückgeworfen wird, so daß sie mehrmals - der Güte dieser Anordnung entsprechend - in der Schicht 9 verläuft. In diesem'Pail läßt

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man dann nur einen Teil der auf die Reflexionsfläche 19 auftroffenden Strahlung 20 als Strahlung.5 aus der Resonatoranordnung 7, 19, 19' austreten. Die abgetrennt von 7 dargestellten Reflexionsflächen 19 und 19' v/erden im allgemeinen auf den Flächen von 7 angebracht, durch die die Strahlung 20, 20' in der Pig. 1 aus 7 heraustritt. Verwendet werden hierfür im allgemeinen reflektierend wirkende dielektrische Schichten. Unter Umständen wirken sogar bereits die besagten Flächen in polierten Zustand wegen der hohen Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials für die Selbsterregung genügend stark reflektierend* · -"..-' - _/ .

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Ergänzend sei erwähnt, daß es in vielen Fällen günstig ist, den Flächen des Halbleiterkörpers, die die Schichten schneiden, durch die aber keine Laserstrahlung ein- oder austreten soll, einen Winkel zu den Schichten zu geben₉ daß von ihnen keine in den Schichten verlaufende Strahlung in sich zurückgeworfen wird. Un Strahlungsverluste zu vermeiden, empfiehlt es sich, auch.· diese schräg gestellten Flächen reflektierend zu machen.

Der Halbleiterkörper 1, der die Schichten 2 bis 4 enthalt;, kann zusammen mit. den Teilen 10 bis 12' und gegebenenfalls 13 auch allein als Strahlungserzeuger verwendet werden, wenn dafür gesorgt wird, daß Selbsterregung der Strahlung in. 1 bzw* 4, 4^{, 4", 4'". eintritt« In.bekennter Weise ist dies» wie oben bereits für

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7 beschrieben, zu erreichen, wenn wan dafür sorgt, daß die Strahlung in den Schichten 4, 4', 4", 4™ mehrfach zwischen einander parallelen reflektierenden Flächen hin-.und. herläuft. In der Pig. 1 wären dies z.B. die Flächen, durch die die Strah-■ lung 5 bzw. 6 in den Körper 1 ein- bzw. austritt.. - " - ,

Bei entsprechender Änderung der in der Pig.'1 angegebenen elektrischen Stromzuführungen läßt sich die erfindungsgemäße · Anordnung auch mit Wechselstrom betreiben. Pigur 2 zeigt als Beispiel eine hierfür vorzusehende Anordnung der Stromzuführungen. 1 ist ein Halbleiterkörper, der wie in Fig. 1 aufgebaut ist; auf ,den Seiten 22, 22¹ ist er mit Elektroden versehen, an die die Stromzufiihrungen 23, 23V angeschlossen sind. 24 ist ein Wechselstromgenerator und 13 eine zur eventuellen Modulation der auszusendenden Strahlung vorgesehene Einrichtung, wie in Fig. 1. Die in dem Körper 1 aufeinanderfolgenden Halbleiterübergänge zwischen Materialien entgegengesetzten Leitungs-

, typus sind für eine angenommene Stromrichtung des Wechselstromes nacheinander abwechselnd in Fluß- und Sperrichtung gepoltj ^; der jeweils in Flußrichtung gepolte Übergang wirkt wie oben

• beschrieben als laser, während der in Sperrichtung gepolte Übergang einen für den Wechselstrom kapazitiven Widerstand darstellt/ Bei einem Wechselstrom wirken demgemäß die in dem Körper 1. Übereinander angeordneten Schichten hintereinandergeschaltet abwechselnd je nach der Phase des Wechselstromes als laseraktivor Bereich oder als Kapazität* '-','■

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Pur die Herstellung derartiger Halbleiterkörper, bestehend aus mehreren Schichten mit unterschiedlich hoher Dotierung und/oder unterschiedlichem Leitfähigkeitstypus eignet sich besonders das Verfahren der epitaktischen Abscheidung.·

11 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims (11)

j? a t e η t a n s ρ r ü c h e

1. Einrichtung zur Auseendung von insbesondere kohärenter Mikrowellen- oder Lichtstrahlung, vorzugsweise mit einer Leistung von etwa 1 Watt oder mehr- und/oder scharfer Bündelung eines von der Einrichtung ausgesandten Strahles mit einer Divergenz von etwa 4° oder weniger, in wenigstens einer der beiden Koordinatenrichtungen senkrecht zur Strahlrichtung, in der die Strahlung nach dem Prinzip des Diodenlasers erzeugt bzw. verstärkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Halbleiterkörper besteht, der zwei oder mehr Übergangsschichten (4, 4', 4"» 4"') besitzt, die parallel zueinander angeordnet sind und in denen Strahlung nach dem Diodenlaserprinzip erzeugt oder verstärkt wird, so daß aus den Übergangsschichten ein ^strahl in paralleler oder nahezu paralleler Richtung aus dem Halbleiterkörper austritt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper Schichten besitzt, die aufeinander- . folgend abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstypus haben. . "

3. Einrichtung nach Anspruch- 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten zu-

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(Art 7 g'l A·.·:, a Mr. ι Sa⁺? 3 des Snderunasgea. BAD ORIGINAL

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sätzlich noch eine oder mehrere Schichten befinden, die gegenüber den benachbarten Schichten geringere Dotierung haben, inabesondere eigenleitend sind.

4. Einrichtung nach-einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper Schichten besitzt, die aufeinanderfolgend abwechselnd hohe-und niedrige Dotierung haben. .-.■"■"'"-■'

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, daß von den einseinen Schichten entgegengesetzten Leitungstypus jeweils die Schichten mit gleichem leitfahigkeitstypus ,parallelgesehaltetwerden und an eine Gleichspannung angeschlossen werden.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß von den einzelnen Schichten mit unterschiedlich hoher Dotierung einerseits die Schichten mit hoher Dotierung und andererseits die Schichten mit niedriger Dotierung untereinander parallelgesehaltet und an eine. Gleichspannung angelegt werden. ,

7. Einrichtung nach einen üer Aasprüehe 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen» ie Halbleiterkörper aufeinanderfolgenden Schichten entgegengesststen Leitungstypus oder

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verschieden hoher Dotierung hintereinandergeschaltetan - Wechselspannung angeschlossen werden (Fig· 2)·

8. Einrichtung nach einen der Ansprüche 1 - 7* dadurch gekennzeichnet, daß die den Halbleiterkörper bildenden einzelnen Schichten mit verschiedenem ,Leitungstypus und/öder verschieden hoher Dotierung durch epitaktisches Abscheiden entspre- ; chender Halbleitersubstanss oder Substanzen mit .entsprechender Dotierung hergestellt werden.V ?

9. Einrichtung zur Aussendung kohärenter Mikrowellen- oder Lichtstrahlung nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß in die Schichten (4, 4',4¹S 4'") des Ilalbleiterkörpers in Richtung der vosiHalblGiterkörper auszusendenden Strahlung kohärente Strahlung gleicher Frequenz wie die auszusendende Strahlung eintritt*

10· Einrichtung zur Aussendung kohärenter Mikrowellen- oder ( Lichtstrahlung nach einem der Ansprüche 1 - S₁ dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Laser vorgesehen ist, ,

dessen kohärente Strahlung parallel--oder nahezu parallel- ·-:-■■■■' ' i.'

gerichtet in die Schichten (4, 4¹, 4¹V 4^hl ) des^Halbleiter-

V körpers eintritt. ^: '. ' '·

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11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Blenden vorgesehen sind, « · ■ - . - "...

die das Hauptmaximum der aus der Einrichtung ausgesandten Strahlung (6) durchlassen und die Nebenmaxime ausblenden.

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