DE19647878A1 - Laser- und Verstärkersystem zur Erzeugung von Laserstrahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Laser- und Verstärkersystem.

Für viele Anwendungen, insbesondere in der Laser-Display-Technik, sind Laser erforderlich, welche im Bereich der drei Grundfarben rot, grün und blau emittieren (RGB). Diese Laser müssen typisch Leistungen im Bereich von 1 W oder mehr emittieren. Weiter müssen die Laser miniaturisiert und effizient sein, um eine spätere Massenanwendung zu ermöglichen.

Anfangs wurden Gaslaser und damit gepumpte Farbstofflaser verwendet, die jedoch durch diodengepumpte Festkörperlaser abgelöst werden. Diese wiesen bei deutlich reduzierter Baugröße eine um mehrere Größenordnungen bessere Effizienz auf. Solche Festkörperlaser basieren in der Regel auf der optischen Anregung von Lasermaterialien aus Kristallen oder Glas, welche mit Seltenerd- Ionen oder Ionen der Übergangsmetalle dotiert sind. Es werden hier entweder gepulste, vornehmlich modengekoppelte Laser verwendet, welche aufgrund hoher Impulsleistungen eine effiziente Frequenzkonversion ermöglichen, oder kontinuierlich emittierende (cw) Laser.

Gepulste Laser verfügen über die geforderten Ausgangsleistungen in allen drei Farben, sind jedoch immer noch relativ groß. Im kontinuierlichen Betrieb (cw)- arbeitende Laser sind deutlich kleiner. Ein typischer Laser zur Erzeugung der grünen Wellenlänge im Wattbereich etwa - z. B. ein diodengepumpter Nd:YAG-Laser mit resonatorinterner Frequenzverdopplung, gepumpt mit einer fasergekoppelten 10W-Diode - nimmt ein Volumen von typisch 0.5-2 Liter in Anspruch und weist bei einer Ausgangsleistung von 2 W (cw) eine Effizienz von typisch < 3% elektrischer zu optischer Leistung auf.

Zwar sind diese Laser gegenüber den modengekoppelten Lasern bereits wesentlich kleiner und effizienter, doch ist hiermit eine echte Massenanwendung in großer Breite noch schwer realisierbar. Hierzu müßten die Laser eine Effizienz von deutlich größer 10% aufweisen und ein Volumen von etwa 1/20 Liter, um einerseits auch in kleinen, handlichen Systemen Platz zu finden, und andererseits entsprechend kostengünstig herstellbar zu sein.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfaches, effizientes und miniaturisiertes Lasersystem aufzuzeigen, welches die Erzeugung vornehmlich kontinuierlicher sichtbarer Laserstrahlung im Wattbereich ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele erörtert sind. Es zeigen:

Es zeigen

Fig. 1 das grundlegende Schema einer erfindungsgemäßen Anordnung eines diodengepumptem Festkörperlasers geringer Leistung und eines Halbleiter-Verstärkers,

Fig. 2 einen Multipath-Festkörperverstärker nach dem Stande der Technik mit einer Verstärkung von 52 dB (entnommen aus Kane et. al., SPIE Vol. 2381, S. 273 ff),

Fig. 3 ein Schema zur Zuordnung der geeigneten Halbleiter-Materialien für die jeweiligen Wellenlängenbereiche diodengepumpter Festkörperlaser,

Fig. 4 ein typisches Verstärkungsprofil eines InGaAs-Halbleiterverstärkers nach dem Stande der Technik, hier mit Verstärkungsschwerpunkt um 960 nm (entnommen aus Ebeling/Unger, Zusammenfassung zum 2. Zwischenbericht F+E-Förderkennzeichen 13 N 6374/3, Universität Ulm),

Fig. 5 eine typische Verstärkungskurve eines Halbleiterverstärkers nach dem Stande der Technik (entnommen ebenda),

Fig. 6 eine typische Schichtenfolge einer InGaAs-Verstärkerstruktur (entnommen ebenda),

Fig. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit von spektraler Verstärkungsmitte und Ladungsträgerdichte im Quantenfilm (entnommen ebenda),

Fig. 8 eine erfindungsgemäße Anordnung von Festkörperlaser und Halbleiterverstärker mit nachgeschalteter Anordnung zur resonanten Frequenzvervielfachung,

Fig. 9 eine erfindungsgemäße Anordnung eines Modulators zwischen Festkörperlaser und Halbleiterverstärker zur Abstimmung der Festkörperlaserstrahlung auf den externen Resonator oder zur Amplitudenmodulation,

Fig. 10a eine erfindungsgemäße Anordnung eines Festkörperlasers, dessen Laserstrahlung zunächst resonant frequenzvervielfacht wird und anschließend in einen Halbleiterverstärker eingekoppelt wird, und

Fig. 10b eine erfindungsgemäße Anordnung eines Festkörperlasers mit resonatorinterner (intra-cavity) Frequenzvervielfachung und anschließende Verstärkung in einem Halbleiterelement.

Ideale miniaturisierte und effiziente Lasersysteme würden beispielsweise elektrisch gepumpte Halbleiter-Laserdioden der drei Farben rot, grün und blau darstellen, welche analog zu den Halbleiterlaserdioden im nahen Infrarot Effizienzen von bis zu 50% erreichen könnten.

Derartige Halbleiterlaser befinden sich derzeit noch im Forschungsstadium, jedoch ist in den nächsten Jahren nicht mit Halbleiterlaserdioden zumindest im grünen und blauen Wellenlängenbereich zu rechnen, welche bei annehmbarer Lebensdauer bei der geforderten Leistung und entsprechend guter Strahlqualität emittieren. Im Roten sind hier Laserdioden geringer Leistung erhältlich.

Es bleibt also zunächst die Möglichkeit, die Strahlung diodengepumpter Festkörperlaser mit Emission typisch im nahen Infrarot zwischen 800 und 1350 nm frequenzzuverdoppeln. Dies kann entweder resonatorintern geschehen, wobei hier von der höheren Leistungsdichte im Laserresonator und damit einer entsprechend besseren Frequenzverdopplungseffizienz Gebrauch gemacht wird, oder aber die Strahlung eines Festkörperlasers wird resonatorextern verdoppelt, was aufgrund der entsprechend geringeren Leistungsdichten deutlich ineffizienter ist. Die resonatorinterne Methode weist hierbei den Nachteil auf, daß aufgrund nichtlinearer Kopplungen ein starkes Amplitudenrauschen der Laserstrahlung auftreten kann (sogenanntes "green problem", vergl. T. Baer in J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 3 No 9, Sept. 1986, S. 117). Dies muß dann durch entsprechende Gegenmaßnahmen, beispielsweise durch eine elektronische Regelung, wieder ausgeglichen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den resonatorexternen Frequenzverdopplerkristall in einen eigenen Resonator zu setzen. Hier tritt wiederum eine Leistungsüberhöhung mit entsprechend gesteigerter Verdopplungseffizienz auf. Allerdings muß die Strahlung des Festkörperlasers in den externen Verdopplungsresonator eingekoppelt werden, was bedingt, daß die Festkörperlaserstrahlung einfrequent mit geringer Linienbreite ist und die exakte Laserfrequenz genau auf die Resonanzfrequenz des Verdopplungs-Reso­ nators oder umgekehrt abgestimmt werden muß.

Mit einem solchen resonanten Verfahren wurden beispielsweise Verdopplungseffizienzen von 1064 nm zu 532 nm von bis über 76% erreicht (vergl. R. Paschotta et al., Opt. Lett. (1994)).

Die Erzeugung einfrequenter Laserstrahlung noch dazu geringer Linienbreite bei Leistungen deutlich größer 1 W cw ist hierbei aber relativ ineffizient. Beispielsweise wurde in einer twisted-mode-Resonatoranordnung eine Ausgangsleistung von 1 W single-frequency bei einer optischen Pumpleistung von 3 W erreicht, was eine elektrische Eingangsleistung von typisch 9 W erfordert. Die Laserlinienbreite betrug hierbei 15 MHz (vergl. Plorin et. al., Laser in der Technik, W. Waidelich (Hrsg.), S. 103). Setzt man eine 70pro­ zentige Konversionseffizienz bei der Verdopplung voraus (was bei dieser Linienbreite fraglich ist), so beträgt die Gesamt-Effizienz elektrisch zu optisch immer noch nur kleiner 8%. Weiter beträgt das Volumen des Einfrequenzlasers typisch 1 Liter.

Eine ähnliche Effizienz wurde unter Verwendung eines etwas kleineren nichtplanaren Ringlasers erreicht: Hier wurden 910 mW bei einer Pumpleistung von 2 W (t. Kane et. al., Opt. Lett. 13 (1988) S. 970), somit elektrischer Eingangsleistung von 6 W gemessen, so daß eine Gesamteffizienz von knapp über 10% für eine hypothetische resonante Frequenzverdopplung zu erwarten sind. Allerdings ist bei beiden Lasern offen, ob hier auch einfrequente Leistungen deutlich größer als 1 W möglich sind. Demonstriert wurden diese bisher nur mit diskret aufgebauten Ringlasern, die jedoch alleine durch ihre Baugröße die geforderten Spezifikationen nicht erfüllen.

Verstärkeranordnungen zur Verstärkung von Laserstrahlung geringer Leistung sind seit vielen Jahren bekannt und werden in unterschiedlichen Anordnungen ausgeführt.

Die Verstärkung von Festkörperlaserstrahlung allerdings ist nach dem Stande der Technik relativ aufwendig. Bei einfachen Verstärkeranordnungen mit nur einem oder zwei Durchgängen durch das gepumpte, verstärkende Medium werden hier Verstärkungsfaktoren von typisch 1.5-2 (W. Seelert et al. OSA Proc. on Advanced Solid-State Lasers (Hilton Head, 1991), Bd. 10 (1991) 261) erreicht, wesentlich höhere Verstärkungen von bis über 50 dB konnten dagegen nur mit Multipath-Verstärkeranordnungen erreicht werden (vergl. T. J. Kane et. al., SPIE Vol. 2381, S. 273). Diese Anordnungen sind relativ aufwendig und unterliegen aufgrund der komplizierten Strahlführung starken thermischen Fluktuationen. Auch ist die Energiebilanz: für solche Verstärkeranordnungen relativ schlecht (hier ∼ 9.4 W elektrischer Eingangsleistung + 30 mW Oszillatorleistung führte zu 835 mW Ausgangsleistung, elektrisch zu optische Verstärkereffizienz von kleiner 9%W). Diese Anordnungen lassen sich weiter auch nicht wesentlich miniaturisieren.

Besonders einfach sind hingegen Halbleiter-Laserverstärker, die ähnlich wie Halbleiter-Laserdioden aus einer epitaktischen Schichtfolge von beispielsweise GaAs, GaAlAs, InGaAs oder InGaAsP aufgebaut sind. Gegenüber Laserdioden verfügen solche Halbleiterverstärker auf beiden Endflächen über Antireflex-Beschichtungen, so daß das Halbleiterelement weit unter der für Laserbetrieb als Oszillator erforderlichen Schwellenleistung betrieben wird. Koppelt man nun auf einer Seite des Halbleiterelementes Laserstrahlung ein, so wird diese im elektrisch gepumpten Halbleitermaterial verstärkt. Solche Anordnungen sind ebenfalls seit vielen Jahren bekannt und beispielsweise in R. Waarts et. al., Electron. Lett. 26 (1990) 1926 beschrieben. Zur Erzeugung von Strahlung hoher Strahlqualität sind besondere Strukturierungen des Halbleiterverstärkers üblich, beispielsweise Breitstreifen- oder Trapezstrukturen, vergl. J. N. Walpole et. al., SPIE Bd. 1850, Laser Diode Technology and Applications V (1993) 51.

Üblicherweise werden als Laseroszillatoren, deren Strahlung verstärkt werden soll, ebenfalls Halbleiterlaserdioden aus gleichem Material eingesetzt. Solche Oszillator-Verstärker-Strukturen (MOPA von Master-Oscillator-Power Amplifier) sind vorzugsweise auf demselben epitaktischen Substrat aufgebaut und durch entsprechende Strukturierung in ihrer Funktion getrennt. Derartige Bauteile sind beispielsweise in R. Parke, CLEO 93, Tech. Digest, Beitrag CTuI4 (1993) 108 beschrieben und werden kommerziell angeboten.

Die Frequenzvervielfachung von Halbleiterlaserdioden ist allerdings aufgrund zweier grundlegender Probleme außerordentlich ineffizient, und zwar aus folgenden Gründen:

• - Mit Halbleiterlaserdioden kann aufgrund der Absorption sichtbarer Strahlung im Halbleiterelement selbst keine Frequenzverdopplung im Laserresonator erfolgen. Dieses Frequenzvervielfachungsschema wird bei Festkörperlasern angewandt, um die hohe Leistungsdichte im Laserresonator dadurch auszunutzen, daß die Frequenzverdopplungseffizienz mit steigender Leistungsdichte im nichtlinearen Medium ebenfalls steigt.
• - Eine resonante externe Frequenzvervielfachung, bei der das nichtlineare Medium in einem eigenen Resonator eingebracht ist, welcher mit der Strahlung des Infrarot-Lasers gespeist wird, ist mit Halbleiterlaserdioden ebenfalls nur unzureichend möglich, da sowohl die Strahlqualität als auch die Laser-Linienbreite nicht ausreicht, eine gute Modenanpassung einerseits wie auch eine deutliche Leistungsüberhöhung durch Abstimmung der Laserdiode auf einen externen, schmalbandigen (Vervielfachungs-)Reso­ nator (oder Abstimmung eines schmalbandigen Resonators auf die Laserdiode) zu erreichen. Bei den bei Laserdioden üblichen Linienbreiten müßte der externe Resonator spektral entsprechend breit dimensioniert werden, was eine geringe Güte und somit eine nur geringe Leistungsüberhöhung zur Folge hat.

Aufgrund dieser Anforderungen sind Halbleiter-Laserdioden für diese Anwendungen meist nicht geeignet. Verwendet werden sollen erfindungsgemäß hier hingegen Festkörperlaser, z. B. diodengepumpte Nd:YAG-Laser, welche über Linienbreiten bis weit unter den 1 kHz-Bereich verfügen können und die zudem über ein sehr geringes Frequenzrauschen (Jitter) verfügen. Dies erklärt sich - neben anderen Effekten wie sehr hoher Resonatorgüte - nicht zuletzt aufgrund des bei Festkörperlasern um etwa zwei Größenordnungen geringeren Koeffizienten für die Änderung der optischen Resonatorlange und damit der Frequenz der Laserstrahlung mit der Temperatur. Dieser Koeffizient beträgt bei Halbleiter-Laserdioden beispielsweise typisch 0,3 nm/°C, entsprechend bei 830 nm von 130 GHz/°C gegenüber typisch 3,5 GHz/°C bei Nd:YAG-Lasern.

Besonders einfache diodengepumpte Festkörperlaser stellen dabei Mikrokristall-Laser dar, welche aufgrund ihrer geringen Resonatorlänge inhärent einfrequent emittieren (vergl. z. B. Demtröder, Laser Spectroscopy, Springer-Verlag 1982, S. 286, oder N. Schmitt, Abstimmbare Mikrokristall- Laser, Shaker-Verlag 1995). Die Ausgangsleistung solcher Laser liegt typisch bei 30-50 mW. Diese Leistungen sind aber nicht ausreichend für die Anwendungen in Laser-Displays. Leistungsstärkere Einfrequenz- Festkörperlaser hingegen weisen ein stärkeres Frequenzrauschen auf und sind wie oben beschrieben wesentlich ineffizienter und zudem meist komplex, was einer starken Mimaturisierung zugegen läuft.

Es wird daher vorgeschlagen, die Strahlung eines leistungsschwachen Festkörperlasers, vorzüglich eines schmalbandigen kontinuierlich emittierenden Festkörperlasers wie etwa Mikrokristall-Laser (oder auch monolithischer Ringlaser), geeignet zu verstärken.

Eine Ausführungsform der Erfindung beruht auf der Verstärkung der Laserstrahlung eines schmalbandigen, diodengepumpten Festkörperlasers, beispielsweise eines Mikrokristall-Lasers vorzugsweise aus Seltenerd- oder Übergangsmetall-dotierten Kristall- oder Glasmaterialien bestehend, durch ein Halbleiter-Verstärkerelement, welches durch die Wahl des Epitaxiemateriales wie auch dessen Strukturierung auf die Emissionswellenlänge des Festkörperlasers angepaßt ist. So eignen sich beispielsweise für Festkörperlaser, welche im Bereich zwischen 900 und 1100 nm emittieren, insbesondere Materialkombinationen aus GaAlAs, GaAlAs, InGaAs und/oder GaAsP. Fig. 3 veranschaulicht, welches Materialsystem hierbei für welchen Wellenlängenbereich besonders geeignet ist: Die (dicken) Verbindungslinien zwischen den III-V-Materialverbindungen (binäre Verbindungen der Elemente der Gruppe III und V des Periodensystemes) bezeichnen hier die sogenannten tertiären Verbindungen (also Verbindungen aus zwei Elementen der Gruppe III und einem Element der Gruppe V, Beispiel InAs + GaAs =< InGaAs), die Punkte kennzeichnen die binären Verbindungen, entlang der Linie ändert sich die Wellenlänge und die Gitterkonstante der tertiären Verbindung entsprechend dem jeweiligen prozentualen Anteil der beiden binären Verbindungen. Die Bereiche zwischen diesen Linien kennzeichnen die quaternären Verbindungen (also zwei Elemente der Gruppe III plus zwei Verbindungen der Gruppe V, Beispiel InGaAsP). Die waagerechten Linien kennzeichnen hier die Verbindungen mit gleicher Gitterkonstante, bei den nicht waagerechten Linien sind die Gifte der Komposition verspannt (strained-layer). Die dünnen Verbindungslinien beispielsweise zwischen GaP und AlP und AlP und AlAs kennzeichnen indirekte Halbleiterübergänge. Zur Verstärkung von Laserstrahlung beispielsweise im Wellenlängenbereich von 750-900 nm werden so vorzugsweise GaAlAs oder InGaAsP-Strukturen verwendet, über 900 nm bis ca. 1120 nm InAsP, InGaAs oder InGaAsP-Materialien. GaAsP ist besonders auch zur Verstärkung im Wellenlängenbereich um 630 nm geeignet. Die Auswahl der Halbleiter-Verstärkermaterialien richtet sich nach dem konkreten Wellenlängenbereich der zu erzeugenden Laserfarbe bzw. der hierfür erforderlichen frequenzzuvervielfachenden Grundwellenlänge. Die jeweilige Auswahl ist im weiteren anhand der konkreten Beispiele für rote, grüne und blaue Laserfarben dargestellt. Interessant sind hier sowohl Materialkombinationen der ternären Verbindungen (also entlang der Linien) wie auch quarternärer Verbindungen (also im Zwischenbereich zwischen den Linien). Im Diagramm sind die besonders interessanten Bereich hierfür punktiert unterlegt und gekennzeichnet mit A für den Bereich jener Laserstrahlung, die verstärkt werden soll zur Erzeugung von roter Laserstrahlung, B für die Erzeugung grüner Laserstrahlung und C zur Erzeugung blauer Laserstrahlung mittels auf die Verstärkung folgender Frequenzverdopplung. Der Bereich D bezeichnet Materialkombinationen, welche, wie weiter unten ausgeführt, insbesondere zur Verstärkung roter Laserstrahlung geeignet sind, welche durch Frequenzverdopplung vor der Verstärkung erzeugt wurde.

Die Verstärkungskurve solcher Halbleiterverstärker ist typisch 50-60 nm breit (Fig. 4, entnommen aus Ebeling/Unger, Zusammenfassung zum 2. Zwischenbericht F+E-Förderkennzeichen 13 N 6374/3, Universität Ulm), ihr Schwerpunkt kann durch Wahl der Dicke der Epitaxieschicht (Breite des Quantenfilms QW) und Dotierung der Materialien entsprechend eingestellt werden. Fig. 5 (entnommen ebenda) zeigt eine typische Schichtenfolge für einen InGaAs-Verstärker. Durch die Breite des Quantenfilms QW wird insbesondere auch auf die Trägerdichte (Carrier Concentration) Einfluß genommen, welche den Verstärkungschwerpunkt beeinflußt (Fig. 6, entnommen ebenda). Die Verstärkung solcher Halbleiterstrukturen, welche vorzugsweise elektrisch durch Ladungsträger-Injektion gepumpt werden, ist im allgemeinen ausgesprochen effizient und beträgt typisch 50%, die erforderliche Sättigungsintensität zur Erzeugung von Laserstrahlung im Wattbereich typisch 5-10 mW (Fig. 7, entnommen ebenda).

Fig. 1 zeigt eine solches Ausführungsbeispiel eines diodengepumpten Festkörperlasers, bestehend aus Pumplaserdiode (1), deren Strahlung gegebenenfalls über eine Lichtleitfaser (3) übertragen wird und Festkörper- Lasermaterial (4), in diesem Beispiel als monolithisch mit den erforderlichen Spiegelschichten bedampfter Mikrokristall ausgeführt, dessen Strahlung in eine Halbleiter-Verstärkereinheit (5) eingekoppelt wird. Die für die jeweilige Ankopplung verwendeten optischen Elemente (Linsen) 2a-c sind ebenfalls eingezeichnet. Die eingezeichnete Lichtleitfaser zur Übertragung des Pumplichts zum Mikrokristall-Laser wie auch alle Linsen sind hier optional und können gegebenenfalls weggelassen werden. Der Halbleiterverstärker (5) wird vorzugsweise elektrisch über eine entsprechende Zuleitung (7) gepumpt durch Injektion von Ladungsträgern in die pn-Grenzschicht. Die räumliche Struktur (6) des Verstärkers kann vorzugsweise entweder quaderförmig (Breitstreifen) oder wie in der Figur beispielhaft eingezeichnet trapezförmig sein, letzteres mit dem Vorteil einer besseren Strahlqualität am Verstärkerausgang. Zur Fokussierung können hier Linsen oder andere Elemente mit linsenähnlichen Eigenschaften (Hologramme, Stablinsen etc.) verwendet werden. Als Festkörperlaser werden vorzugsweise miniaturisierte diodengepumpte Festkörperlaser wie Mikrokristall-Laser, monolithische Ringlaser oder generell longitudinal gepumpte Laser verwendet. Da das Halbleiterelement nur als Verstärker, also nicht in Resonanz betrieben wird, bleibt die Schmalbandigkeit der Laserlinie in erster Ordnung erhalten. Somit wird durch die Kombination der guten Lasereigenschaften von Festkörperlasern mit der hohen und effizienten Verstärkung elektrisch gepumpter Halbleiterelemente ein miniaturisiertes, effizientes Lasersystem geschaffen, das Ausgangsleistungen im Wattbereich bei ausgesprochen geringer Laserlinienbreite erzeugt.

Der Mikrokristall-Laser als Oszillator stellt hierbei eine besonders bevorzugte erfindungsgemäße Ausführung dar, da er neben ausgezeichneten Lasereigenschaften, wie sie gerade für die externe Frequenzverdopplung erforderlich sind (schmale Linienbreite bis zu 40 Hz, ausgezeichnetes Strahlprofil M² typisch < 1.2, vergl. Schmitt), insbesonders auch bereits stark miniaturisiert ist. Typische Abmesungen des gesamten Mikrokristall-Lasers ohne Pumpdiode und Ankopplungsoptik, welcher beispielsweise aus einem monolithisch bedampften Kristallstück besteht, betragen 2-3 mm Durchmesser und typisch 200-700 µm Dicke. Der Durchmesser kann weiter auf 1 mm reduziert werden. Damit ist der Mikrokristall-Laser in der Größenordnung der Halbleiter-Verstärkerstrukturen (typisch einige 100 µm in zwei lateralen Dimensionen und 50-100 µm in der Dicke) und kann so leicht mit diesem in ein gemeinsames Gehäuse gebracht werden, was sowohl der Kostenreduktion bei der Herstellung als auch der Miniaturisierung des Lasersystems entgegenkommt. Die Pumplaserdiode, die typisch ebenfalls einige 100 µm in jeder Dimension sowie 50-100 µm in der Dicke mißt, sowie die Koppeloptiken können entweder ebenfalls in das Gehäuse eingebracht werden oder aber die Puimlaserdiode wird über eine Lichtleitfaser gekoppelt in einem separaten und Gehäuse angeordnet sein, wobei letzteres die Austauschbarkeit verbessert. Der Mikrokristall-Laser wie auch die Koppeloptiken können seitlich metallisiert sein und somit ebenso wie der Halbleiter-Verstärker sowie gegebenenfalls die Pumplaserdiode in ein Hybridgehäuse gelötet werden.

In besonderen Ausführungen können auch Mikrokristall-Laser und Halbleiterverstärker beispielsweise auf dieselbe Wärmesenke montiert werden, was eine wesentliche Erhöhung der mechanischen Stabilität ermöglicht.

Anstatt des Mikrokristall-Lasers, dessen Funktionsprinzip darin besteht, daß der Resonator der Länge L hinreichend kurz ist, so daß nur eine einzige longitudinale Resonatormode im Verstärkungsbereich δν des Lasermateriales liegt liegt, geschrieben als L ≦ c/(.n.δν) (n ist der Brechungsindex des resonatorinternen Mediums; vergl. N. Schmitt, Abstimmbare Festkörperlaser), können aber prinzipiell auch andere miniaturisierte, frequenzstabile Einfrequenzlaser verwendet werden. Dies können beispielsweise diodengepumpte Laser mit hochdotierten Materialien sein, welche in der Nähe des eines Spiegels angebracht sind, womit das räumliche "Lochbrennen" vermieden wird (vergl. G. J. Kintz et. al, IEEE J. Quant. Electron. 26 (1990) 1457). Weiter können es auch monolithische Ringlaser sein, wie etwa in T. J. Kane, Opt. Lett. 10 (1985) 65, beschrieben.

In einem typischen Anwendungsbeispiel (Fig. 8a) wird als Laseroszillator beispielsweise zur Erzeugung blauer Laserstrahlung ein diodengepumpter Einfrequenz-Festkörperlaser (vorzugsweise Mikrokristall-Laser) (4) verwendet, welcher im Bereich zwischen 920 nm und 950 nm emittiert (beispielsweise durch Verwendung der quasi-Drei-Niveau-Übergänge Nd­ dotierter Kristall- oder Glasmaterialien, vergl. Kaminskii, Laser Crystals, Springer-Verlag), dessen Strahlung sodann im Halbleiterelement (5) verstärkt wird und dann in einen schmalbandigen externen Resonator (bestehend aus den Spiegeln 8a und 8b) eingekoppelt wird, welcher ein geeignetes nichtlineares Element (9) (beispielsweise in LBO- oder BBO-Kristall oder ähnliches) zur Frequenzverdopplung enthält. Dieser wandelt die nahe infrarote Strahlung in blaue Laserstrahlung um. Zur Frequenzabstimmung kann entweder der Laser auf die Frequenz des externen Verdopplungs-Resonators abgestimmt werden, oder der externe Verdopplungs-Resonator wird auf die Frequenz des Lasers abgestimmt. Zur Frequenzabstimmung kommen sowohl thermische Abstimmung als auch (oder in Kombination) Abstimmung unter Verwendung von bewegbaren Spiegeln o. ä. in Frage (vergl. Schmitt, Abstimmbare Mikrokristall-Laser). Alternativ oder ergänzend kann auch zwischen Festkörperlaser und Verstärker ein Modulator (10), beispielsweise als integriert-optischer Wellenleiter-Modulator ausgeführt, bestehend aus einem elektrooptischen Substrat, in welches ein Wellenleiter (11) strukturiert und mit Elektroden (12a, 12b) versehen ist, zur Frequenz- oder Phasenmodulation eingesetzt werden, über welchen die Ankopplung ("locken") der Resonatorfrequenzen erfolgt (Fig. 9) und ggf. die Ausgangsleistung der frequenzvervielfachten Strahlung moduliert werden kann. Alternativ kann auch über eine Modulation der Strahlung der Pumplaserdiode (1) eine Frequenzmodulation der Festkörperlaserstrahlung erfolgen.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist hier zudem den wesentlichen Vorteil auf, daß lediglich die geringe Leistung des Festkörperlasers vor der Verstärkung moduliert werden muß, was sehr viel einfacher geschehen kann als die Modulation hoher Leistungen (beispielsweise durch integriert-optische Wellenleiterstrukturen, Fasermodulatoren o. ä.).

Bei dem Modulator (10) kann es sich aber auch um einen Amplitudenmodulator handeln. Dieser ermöglicht die schnelle Modulation auch des frequenzvervielfachten Laserlichtes, wie es beispielsweise in der Displaytechnik erforderlich ist. Diese Anordnung des Modulators im Bereich relativ niedriger Laserleistung bei Modulation der gesamten Ausgangsleistung stellt weiter ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung dar.

Eine alternative Form der Amplitudenmodulation ist auch die Frequenzmodulation des Festkörperlasers oder des externen Vervielfachungs- Resonators, was zu einer Frequenz-Fehlanpassung führt und so eine effiziente Frequenzverdopplung für den Moment der Modulation verhindert. Durch Ein- und Ausschalten dieser Störung kann ebenfalls die Amplitude des sichtbaren Laserstrahles moduliert werden.

Ein weiteres alternatives Verfahren besteht in der Modulation des Strom zum Pumpen des Halbleiterverstärkers. Alle Verfahren, sowohl Frequenz- oder Amplitudenmodulation vor dem Verstärker wie auch Frequenzverstimmung von Festkörperlaser oder externem Resonator sowie die Modulation des Pumpstromes des Halbleiterverstärkers, erlauben eine ausgesprochen hohe Dynamik der Amplitudenmodulation im Vergleich zur herkömmlichen Modulation der leistungsstarken sichtbaren Laserstrahlung selbst, da hier ihre Wirkungsweise nichtlinear in die Erzeugung der sichtbaren Laserstrahlung eingeht. Weiter erlauben alle diese Verfahren auch die Kombination untereinander.

Zur Erzeugung grüner Laserstrahlung wird ebenfalls eine Anordnung nach Fig. 1 verwendet, wobei hier der Festkörperlaser so gestaltet ist, daß er Laserstrahlung im Bereich von etwa 1045-1080 nm emittiert. Hier liegen beispielsweise sehr viele Laserübergänge Nd-dotierter Kristall- oder Glasmaterialien (vergl wiederum Kaminskii, Laser Crystals).

Die Energiebilanz, zu vergleichen mit der eingangs beschriebenen Bilanz zur Erzeugung grüner Laserstrahlung, rechnet sich hier etwa wie folgt: Bei einer elektrischen Eingangsleistung von 0.75 W (optische Pumpleistung 250 mW) kann aus einem Mikrokristall-Laser eine einfrequente Ausgangsleistung von ca. 50 mW gewonnen werden. Diese wird im Halbleiterverstärker mit einer Effizienz von 50% auf 1-3 W verstärkt (elektrische Eingangsleistung 2-6 W) und anschließend resonant wie oben beschrieben frequenzverdoppelt (unter Verwendung von KTP, KTA, LBO o. ä.). Hierzu wird wie oben von einer Verdopplungseffizienz von 70% ausgegangen, wobei diese hier realistischer zu erreichen ist, da der Mikrokristall-Laser über eine extrem geringe Linienbreite verfügt, was es erlaubt, den Verdopplungsresonator entsprechend schmalbandig auszulegen bei hoher Resonatorgüte und daraus folgend entsprechend großer Leistungsüberhöhung am Ort des Verdopplerkristalles. Insgesamt kann so eine Effizienz elektrisch zu optisch von 1/2.75 bis 3/6.75, also 36-44% erreicht werden.

Zur Erzeugung roter Laserstrahlung kann entweder nach gleichem Schema ein Festkörperlaser im Bereich zwischen 1200 und 1350 nm verwendet werden. Spezielle Anwendungen erfordern jedoch hier Wellenlängen der roten Laserstrahlung um 630 µm. Im Wellenlängenbereich um 1200-1300 µm gibt es einige wenige bekannte Laserkristalle mit relevanten Laserübergängen, insbesondere aber auch breitbandig abstimmbare mit Übergangs-Metallen dotierte Kristalle wie etwa Forsterit. Schwierig ist es jedoch, auch ein Halbleitermaterial zu finden, welches in diesem Wellenlängenbereich verstärkt: es müßte dann im Bereich "A" nach Fig. 3 liegen. .

Ein alternatives Schema und damit weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gedankens besteht nun darin, den Festkörperlaser im Bereich zwischen 1200 und 1350 nm zunächst zu verdoppeln (oder einen Laser noch größerer Wellenlänge entsprechend zu vervielfachen), und sodann die hiermit erzeugte rote Strahlung geringer Leistung nach der Verdopplung zu verstärken. Hier werden die bekannten Halbleitermaterialien aus obiger Aufstellung (bzw. eine Auswahl hieraus) gut verwendet werden, so daß auch hier sichtbare Laserstrahlung hoher Leistung unter Verwendung eines (diodengepumpten) Festkörperlasers geringer Leistung sowie eines Halbleiter- Verstärkerelementes erzeugt wird. Die Frequenzvervielfachung des Festkörperlasers kann hier entweder wiederum resonant erfolgen (Fig. 10a), oder aber, da vor der Verstärkung stattfindend, im Resonator (bestehend aus dem Spiegel (8b) sowie einem auf den Mikrokristall aufgedampften Spiegel) des Festkörperlasers (intra-cavity) (Fig. 10b). Im letzteren Falle wird wiederum von der hohen Leistungsdichte im Laseroszillator selbst Gebrauch gemacht; der Laser muß in diesem Falle nicht einfrequent emittieren. Für den Fall der resonatorinternen Frequenzverdopplung vor der Verstärkung ist es nicht unbedingt erforderlich, daß der Festkörperlaser einfrequent und schmalbandig emittiert. Hier können auch auf mehreren longitudinalen Moden emittierende Laser verwendet werden, wobei dann allerdings wiederum, wie eingangs beschrieben, Vorkehrungen zur Reduktion des Amplitudenrauschens vorzusehen sind.

Alternativ zu den hier beschriebenen Frequenzverdopplungsverfahren (intern oder resonant extern), welche im allgemeinen auf der Verwendung nichtlinearer Kristalle wie KTP, LBO, BBO, LiNbO₃, LiTaO₃, CBO, KTA oder ähnlichen beruhen, können auch qasi-phasenangepaßte Materialien verwendet werden, beispielsweise periodisch gepoltes LiNbO₃, KTP, RTA oder ähnliches. Diese weisen auch bei einfachem Durchgang eine hohe nichtlineare Frequenzverdopplungseffizienz auf, so daß hier die Anforderung der Leistungsüberhöhung in einem Resonator entfällt und somit auch die Forderung nach zwingend einfrequenter Laserstrahlung.

Eine besonders miniaturisierte, mechanisch stabile und kostengünstig zu fertigende Lösung erhält man, indem zumindest der (Mikrokristall-)Laser (4), gegebenenfalls der Modulator (10) und der Halbleiterverstärker (5), eventuell auch die Laserdiode (1) auf einer gemeinsamen Basis, beispielsweise auf einer Montageplatte oder in einem Gehäuse untergebracht sind. In besonderen Ausführungen können Mikrokristall-Laser (4) und Halbleiterverstärker (5) sogar auf dieselbe Wärmesenke montiert werden, welche dann durch ein gemeinsames Temperierelement, beispielsweise ein Peltierelement, gemeinsam temperiert wird und was eine wesentliche Erhöhung der mechanischen Stabilität ermöglicht. Sollte der Mikrokristall jedoch durch thermische Abstimmung frequenzstabilisiert oder -abgestimmt werden, so ist dieser thermisch isoliert gegen das Halbleiter-Verstärkerelement anzuordnen und mit einem eigenen Temperierelement zu versehen.

Insgesamt kann ein erfindungsgemäßer Laser zur Erzeugung von roter, grüner oder blauer Laserfarbe Abmessungen von etwa 3-5 cm³ für die Grundwellenlänge plus ca. 5-10 cm³ für die Frequenzverdopplung, insgesamt also etwa kleiner 15 cm³ aufweisen.

Zusammenfassend wird vorgeschlagen, die Strahlung eines leistungsschwachen Festkörperlasers, vorzüglich eines schmalbandigen kontinuierlich emittierenden Festkörperlasers wie etwa Mikrokristall-Laser, geeignet zu verstärken, wobei das Halbleitermaterial zur Verstärkung entsprechend dem jeweiligen Wellenlängenbereich in Zusammensetzung und Struktur auszuwählen und zu gestalten ist, wobei die Verstärkung entweder vor der Frequenzumwandlung stattfindet oder aber zunächst eine Frequenzumwandlung vorgenommen wird und dieses nunmehr sichtbare Laserlicht anschließend verstärkt wird. Welches Schema jeweils anzuwenden ist, ergibt sich, wie weiter oben gezeigt, aus dem Spektralbereich der möglichen Verstärkungsmaterialien.

Claims (20)

1. Laser- und Verstärker-System, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung eines diodengepumpten Festkörperlasers geringer Leistung, vorzugsweise aus Seltenerd- oder Übergangsmetall-dotierten Kristall- oder Glasmaterialien bestehend, eingekoppelt wird in einen Halbleiter-Verstärker- Chip, welcher vorzugsweise aus GaAs, GaAlAs, InGaAs oder InGaAsP besteht, und welcher durch Wahl des Materialsystems sowie der epitaktischen Strukturierung auf die Emissionswellenlänge des Festkörperlasers angepaßt die Strahlung des Festkörperlasers verstärkt und somit einen gegenüber der eingekoppelten Laserstrahlung verstärkten Ausgangsstrahl erzeugt.

2. Laser- und Verstärkersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterverstärker elektrisch gepumpt ist.

3. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterverstärker eine quaderförmige verstärkende Struktur aufweist.

4. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterverstärker eine trapezförmige verstärkende Struktur aufweist.

5. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung des Festkörperlasers im transversalen Grundmode (TEM_oo) erfolgt.

6. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung des Festkörperlasers einfrequent ist und vorzugsweise ein Mikrokristall-Laser oder aber ein monolithischer Ringlaser zu deren Erzeugung verwendet wird.

7. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Halbleiterverstärker eine Anordnung zur Frequenzvervielfachung der verstärkten Laserstrahlung erfolgt.

8. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzvervielfachung resonant in einem hierzu eigens geformten Resonator erfolgt.

9. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur resonanten Frequenzverdopplung entweder der externe Resonatoren zur Frequenzverdopplung auf die Frequenz des Festkörperlasers abgestimmt wird oder die Frequenz des Festkörperlasers auf die Resonanz des Verdoppler- Resonators abgestimmt wird.

10. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Festkörperlaser und Halbleiterverstärker ein Modulator eingebracht wird, welcher eine Frequenzabstimmung der Festkörperlaserstrahlung auf die Resonanzfrequenz des Verdopplerresonators erlaubt.

11. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung des Festkörperlasers geringer Leistung zunächst frequenzvervielfacht wird und dann die frequenzvervielfachte Strahlung in einen Halbleiterverstärker eingekoppelt wird, welcher durch Wahl des Materialsystems sowie der epitaktischen Strukturierung auf die Emissionswellenlänge der frequenzvervielfachten Festkörperlaserstrahlung angepaßt ist und so die frequenzvervielfachte Strahlung des Festkörperlasers verstärkt und somit einen gegenüber der eingekoppelten Laserstrahlung verstärkten Ausgangsstrahl erzeugt.

12. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Festkörperlaser und Halbleiterlaser ein Modulator eingebracht ist, welcher die Phase, Frequenz oder Amplitude der Festkörperlaserstrahlung moduliert.

13. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser gegen die Resonanzfrequenz des externen Frequenzvervielfachungsresonators oder der externe Frequenzvervielfachungsresonator gegen die Laserfrequenz derart verstimmt (frequenzmoduliert) wird, daß durch eine entsprechende Fehlanpassung der Resonatoren eine Amplitudenmodulation der frequenzvervielfachten Laserstrahlung resultiert.

14. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung des Laserstrahles in den Modulator und/oder den Halbleiterchip Linsen oder ähnliche Elemente zur Fokussierung angeordnet sind.

15. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Phasen-, Frequenz oder Amplitudenmodulation des Festkörperlasersystemes durch eine Strommodulation der Pumpdiode erzeugt wird.

16. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Modulation der verstärkten Laserstrahlung durch eine Strommodulation des Halbleiterverstärkers erzeugt wird.

17. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser fest mit dem Halbleiterverstärker kontaktiert ist.

18. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaserkristall und der Halbleiterverstärker auf derselben Wärmesenke angebracht sind.

19. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser auf einer vom Halbleiterverstärker getrennten Wärmesenke angebracht ist und am Festkörperlaser und Wärmesenke ein Heiz- und/oder Kühlelement angebracht ist, welches eine thermisch induzierte Frequenzabstimmung der Festkörperlaserstrahlung erlaubt.

20. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser, gegebenenfalls die Pumplaserdiode, insbesondere jedoch auch der Halbleiterverstärker und optional ein zwischen Festkörperlaser und Halbleiterverstärker angeordneter Phasen-, Frequenz- oder Amplitudenmodulator in einem einzigen Gehäuse angeordnet sind.