DE1589967A1 - Diodenlaser - Google Patents

Description

PATINTANWÄLT ~

8000 MÖNCHEN U
25. Juli 1967/EB/ap wiowmaywh.^ "Diodenlaser"

Institut für angewandte Physik der Universität Bern, Sidler'strasse 5, 3003 Bern (Schweiz)

Diodenlaser

Die Erfindung betrifft einen Diodenlaser, dessen Körper eine p-Zone und eine η-Zone aufweist» die durch einen p-n-Uebergang voneinander getrennt sind und der mit zwei spiegelnden Flächen versehen ist, von denen mindestens eine nicht vollständig spiegelt, welche Flächen ein Strahlenbündel in der Ebene des Uebergangs hin und her reflektieren, welches in demselben unter der Einwirkung eines von der p-Zone zur n-Zone fliessenden Gleichstromes entsteht und verstärkt wird. Bekannte Diodenlaeer dieser Art haben den Nachteil, dass im Fernfeld ihres Nutzstrahles oder ihrer Nutzstrahlen Interferenzen auftreten. Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil

zu beheben. Dies gelingt dadurch, dass mindestens auf einer Seite der Linie, längs welcher ein Nutzstrahlenbündel aus der nicht vollständig spiegelnden Fläche austritt, ein Teil dieser Fläche, welcher nahezu aber nicht ganz bis zur genannten Linie.reicht, aufgerauht oder abgedeckt ist.

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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel de9 Erfindungsgegenstandes schematiach dargestellt.Es zeigt:

Fig» 1 eine einen Diodenlaser enthaltende Messanordnung, und

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen in obiger Anordnung vorgesehenen zum Auffangen der Laserstrahlen dienenden Schirm.

Die dargestellte Anordnung umfasst eine Laserdiode 1, die auf einem elektrisch leitenden Montageblock 2 befestigt ist. Die untere und die obere Oberfläche des quaderförmigen Körpers der Diode i sind je mit einer flächenförmigen Elektrode 3 bzw. 4 versehen. Die Elektrode 4 ist mit einem Zuführungsleiter 5 verbunden, dem eine in Bezug auf den Montageblock 2 positive Spannung zugeführt wird, um die Diode zu speisen. Die Diode weist eine n-Zone 6 und eine p-Zone 7 auf, die durch einen zu den Elektroden 3,4 parallelen p-n - Uebergang 8 getrennt sind. Die Diode besteht z.B. aus einem Galliumarsenid-Kristallkörper, welcher in der η-Zone Tellurium- und in der p-Zone Zinkverunreinigungen enthält. Die Kanten des Diodenkörpers können z.B. Längen haben, die im Bereiche von etwa 200-300 μ liegen. Die Seitenflächen 9 und 10 können Spaltebenen des Kristallrohlings entsprechen, aus dem der Diodenkörper abgespaltet worden ist, oder poliert sein. Die Seitenfläche 9 ist vollständig verspiegelt, so dass absolut

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kein Licht aus derselben austraten kann. Die Seitenfläche 10 weist einen oberen Teil 10a auf, der nach dem Abspalten des Diodenkörpers unverändert gelassen worden ist, und einen unteren Teil IQb, der aufgerauht worden ist. Die Grenzlinie 11 der Teile 10a und 10b liegt ca. 4 /U unter der Linie 12, längs welcher der nur etwa 2 Ai dicke p-n - Uebergang 8 die Seitenfläche 10 schneidet.

Abgesehen von der Tatsache, dass der untere Teil 10b der Seitenfläche 10 aufgerauht ist, ist eine derartige Anordnung bekannt. In derselben entsteht ein LichtstrahlenbündBl, das im p-n - Uebergang verläuft, zwischen der verspiegelten Fläche 9 und dar nach innen etwa 30 % des Lichtes spiegelnden Fläche 10 hin und her reflektiert wird und nach jeder Reflexion in dem p-n - Uebergang eine Verstärkung erfährt. Ein nahezu flächenhaftes Nutzstrahlenbundel 13 tritt bei der Linie 12 aus dem Diodenlaser aus. Da das dutzstrahlenbündel 13 aber in Wirklichkeit nicht genau flächenförmig ist, gehen von der Linie 12 auch Strahlen aus, die nicht in der Ebene des p-n - Ueberganges liegen, wie durch die gestrichelt gezeichnete keulenförmige Strahlungscharakteristik 14 angedeutet- ist. Der Oeffnungswinkel der Strahlungscharakteristik 14 kann z.B. etwa 20° betragen, wobsi diese Charakteristik übrigens nicht symmetrisch sein muss, und ihr Maximum etwas unter oder über der Ebene des p-n - Ueberganges B liegen kann. Wenn man das Bündel 13

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auf einen Schirm 15 fallen lässt, dessen Abstand vom Diodenlaser 1 z.B. etwa 10 cm beträgt, so sollte man erwarten, dass die Intensität der Belichtung des Schirmes oder einer entsprechenden photographischen Platte von einer zentralen mittleren Linie grösster Intensität aus nach oben und unten allmählich auf Null abnehmen sollte. Tatsächlich ergibt sich aber bei Verwendung der bekannten Diodenlaser auf dem Schirm 15 ein Muster von Interferenzstreifen 16, wie in Fig. 2 ganz schematisch angedeutet ist.

Zur Erklärung des Auftretens dieses sog. "Fernfeld"-InterferBnzmusters der bekannten Diodenlaser wurde bisher angenommen, dasa von der Linie 12 ausgehende Strahlen auf Montageteile, z.B. auf einen relativ sehr grossen Montageblock, fallen , und von diesen Montegeteilen auf den Schirm 15 reflektiert werden. Obwohl ein solcher Effekt sicherlich bei gewissen Messanordnungen auftreten kann, hat es sich doch gezeigt, dass allein durch Verbesserung der Montage, insbesondere Verkleinerung des Montageblockes 2, der unerwünschte Interferenzeffekt nicht beseitigt werden kann.

Bei dem dargestellten Diodenlaser 1 ist nun das Auftreten des Interferenzmusters 16 vermieden, bis auf ganz geringfügige Schwankungen der Beleuchtungsintensität, die von einem zentral'en Maximum aus nach oben und unten gema'ss nahezu glatten Kurven abnimmt. Diese Wirkung lässt sich

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wie folgt erklären:

An der Linie 17, längs welcher der p-n - Uebergang die Spiegelfläche 9 berührt, wird bereits ein Teil der Strahlen gestreut, so dass reflektierte Strahlen IB unterhalb des p-n - Ueberganges 8 die Fleche 10 längs einer Linie 19 treffen, wobei die gezeichneten Strahlen 18 natürlich lediglich einen willkürlich herausgegriffenen Bereich der gestreuten Strahlen darstellen. Bei den bekannten Lasern treten diese Strahlen 18 ebenfalls gemäss einer keulenförmigen Charakteristik 14' aus der Fläche 10 aus, und die austretenden Strahlen 20 interferieren mit dem Nutzstrahlenbündel 13,

Bei dem dargestellten Diodenlaser 1 treffen die Strahlen 18 nun auf den aufgerauhten Teil 10b der Fläche 10, wo die austretende Strahlung diffus gestreut wird, damit ihre Kohärenz verliert und nicht mehr fähig ist, im Fernfeld des Nutzstrahlenbündsls 13 wirksam mit demselben zu interferieren.

Der aufgerauhte Teil 10b der Fläche 10 darf sich nicht ganz bis zur Linie 12 erstrecken,- weil sich sonst in der Nähe des p-n - Ueberganges Störungen ergeben können, insbesondere Beugungserscheinungen der das Strahlenbündel 13 selbst bildenden Strehlen« Der angegebene Abstand von

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ca. 4uhat sich als sehr zwsckmässig ergeben, wenn man das Aufrauhen des Flächenteiles 10b mittele einer "Drahtsäge" d.h. eines hin und her bewegten Drahtes von es. 100 /U Durchmesser unter Anwendung von Diamantpulver bewirkt, wobei der Draht etwa 20 μ tief in den Körper eindringt.

Ein Aufrauhen des oberen Teiles 10a der Fläche 10 hätte bei dem beschriebenen Diodenlaser 1 keinen Zweck, weil die Lichtstrahlen in dessen p-Zone 7 sehr stark absorbiert werden, im Gegensatz zur n-Zone 6 und zum p-n Uebergang 6. Es ist aber denkbar, dass bei einem aus anderen Materialien bestehenden Diodenlaser sowohl die p-Zone als auch die η-Zone gut lichtdurchlässig sein können, in welchem Falle die ganze Fläche 10 mit Ausnahme zweier schmaler Streifen über und unter der Linie 12 aufzurauhen wären.

Wenn man die Seitenfläche 9 nicht verspiegelt, wie dies bei bekannten Lasern häufig der Fall ist, so dass auch bei der Linie 17 ein Nutzstrahlenbündel austritt, so wird man natürlich vorteilhaft auch den unteren Teil dieser Seitenfläche 10 aufrauhen. Statt den Flächenteil 10b aufzurauhen, kann man denselben auch'abdecken, z.B. verspiegeln, mit einem undurchsichtigen Belag überziehen oder in einem kleinen Abstand von demselben eine Abschirmung vorsehen. Das Aufrauhen ist bei den experimentellen Untersuchungen bevorzugt worden, da es ohne komplizierte ** Apparaturen leicht ausführbar ist.

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Es sei noch erwähnt, dass im allgemeinen auch beim beschriebenen wie bei den bekannten Diodenlaoern die Intensität der daa Strahlenbündel 13 bildenden Strahlen
längs der Austrittslinie 12 nicht konstant ist, sondern mehr oder weniger örtlich konzentriert ist. Es ergeben sich daher gewisse Interferenzen auch auf beiden Seiten des in Fig.- 2 gezeigten Interferenzmusters. Dieser Interferenzeffekt, der durch die Erfindung nicht behoben wird, ist aber bei guten Diodenlasern klein.

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Claims (2)

Patentansprüche

1. Diodenlaser, dessen Körper eine p—Zone und eine η-Zone aufweist, die durch einen p-n-Uebergang voneinander getrennt sind und der mit zwei spiegelnden Flächen versehen ist, von denen mindestens eine nicht vollständig spiegelt, welche Flächen ein Strahlenbündel in der Ebene des Uebergangs hin und her reflektieren, welches in demselben unter der Einwirkung eines von der p-Zone zur η-Zone fliessenden Gleichstromes entsteht und verstärkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens auf einer Seite der Linie (12), längs welcher ein Nutzstrahlenbündel (13) aus der nicht vollständig spiegelnden Fläche (10) austritt, ein Teil (10b) dieser Fläche (10), welcher nahezu aber nicht ganz bis zur genannten Linie (12) reicht, aufgerauht oder abgedeckt ist.

2. Diodenlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgerauhte oder abgedeckte Teil (!Ob) der teilweise spiegelnden Fläche (10) von der Austrittslinie (12) einen Abstand von etwa 4μ hat.

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