DE19909497C1 - Elektrooptisch gesteuerter Laserresonator ohne mechanisch bewegliche Teile, insbesondere für spektral abstimmbare Laser und für räumlich steuerbaren Ausgangsstrahl, sowie Verwendungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur rein elektronischen spektralen Abstimmung eines Lasers und zur rein elektronisch gesteuerten Strahlenablenkung für Scanner- und Projektionsanwendungen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen spektral abstimmbaren Laser zu entwickeln, der ohne mechanisch bewegliche Teile funktioniert und darin, eine Anordnung zur Ablenkung eines Laserstrahles völlig ohne mechanisch bewegliche Teile zu entwickeln. Die Lösung obengenannter Aufgaben ergibt sich dadurch, daß in einen Laserresonator aus Lasermedium, Kollimatoroptik, dispersivem Element und Resonatorendspiegel in den Bereich der räumlichen Aufspaltung der einzelnen Spektralkomponenten eine elektronisch steuerbare Apertur eingebracht wird, die die einzelnen Spektralkomponenten unabhängig voneinander ein- und ausschalten kann. DOLLAR A Ein wesentlicher Vorteil des entwickelten Konzeptes ist, daß die spektrale Abstimmung rein elektrisch, d. h. gänzlich ohne mechanisch bewegliche Teile realisisiert wird. Neben einer grundsätzlichen Vereinfachung des Betriebes entfällt dadurch insbesondere die für Anwendungen störende inhärente Instabilität mechanisch beweglicher Teile.

Description

Die Erfindung betrifft eine neuartige Anordnung eines Laserresonators, die eine rein elektronische spektrale Ab­ stimmung und eine rein elektronische Strahlablenkung eines Lasers erlaubt.

Stand der Technik

Spektral abstimmbare Laser sind für zahlreiche Anwendungen erforderlich. Insbesondere spektral abstimmbare Halbleiterla­ ser sind wichtige kompakte und preisgünstige Lichtquellen für Spektroskopie und Meßtechnik. Solche Systeme sind zur Zeit nur mit externen Resonatoren realisierbar. Da die Abstimmung über die Temperatur des Lasers zu unkontrolliert erfolgt und zudem keinen weiten Abstimmbereich ermöglicht und da ver­ schiedenste Ansätze für abstimmbare Mehrsegmentlaserdioden zu komplex waren, konnten sich diese nicht durchsetzen. Halblei­ terlaser mit externem Resonator, bei denen die Abstimmung über Verkippung eines Gitters oder eines Spiegels mechanisch erfolgt, sind Stand der Technik /1/ und kommerziell erhält­ lich. Ebenso bekannt sind Systeme, die durch eine spezielle Resonatoranordnung Laserbetrieb auf zwei oder mehr Emissions­ wellenlängen erlauben und wo eine spektrale Einschränkung bzw. Abstimmung über mechanisch verschiebbare Aperturen erfolgt /2-5/. Das Erfordernis von beweglichen Elementen, das in den zur Zeit verfügbaren Systemen besteht, beinhaltet aber wesentliche Probleme: Erstens führen bewegliche Teile zu einer inhärenten mechanischen Instabilität (d. h. Anfälligkeit für Wackeln, Resonanzen, Schwebungen etc.) des Systems, die sich nachteilig auf die für Anwendungen wichtige Robustheit und Langzeitstabilität auswirkt. Zweitens unterliegen mecha­ nisch bewegliche Teile einer Abnutzung, die die Lebensdauer der jeweiligen Systeme beschränkt. Drittens ist die Geschwin­ digkeit der schnellstmöglichen spektralen Durchstimmung bzw. schnellen Schaltens zwischen zwei Wellenlängen aufgrund der mechanisch beweglichen Teile prinzipiell auf Frequenzen im kHz-Bereich limitiert.

Aufgabe der Erfindung

Unserer Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur rein elektronischen Abstimmung eines Lasers, insbesondere eines Halbleiterlasers, über einen weiten Spektralbereich zu entwickeln, die den oben genannten Problemen nicht unter­ liegt.

Das Verstärkungsspektrum eines Lasermediums hat eine vom Medium und dessen Anregungsbedingungen abhängige spektrale Breite, innerhalb derer Laseremission möglich ist. Diese erfolgt an der spektralen Position, an der die Differenz aus Verstärkung und Verlusten am höchsten ist. Somit kann prinzi­ piell eine spektrale Abstimmung des Lasers durch Steuerung der Verluste der einzelnen Spektralkomponenten erzielt wer­ den. Diese Steuerung läßt sich durch Einbringen dispersiver Elemente erzielen, die zu einer räumlichen Aufspaltung ver­ schiedener Spektralkomponenten führt, so daß man durch räum­ liche Filterung Rückkopplung nur für bestimmte Wellenlängen zulassen kann.

Unsere Erfindung beruht darin, in einen Resonator mit disper­ sivem Element (z. B. Beugungsgitter, Prisma) im Bereich der räumlichen Aufspaltung der Spektralkomponenten ein rein elektronisch bzw. elektrooptisch steuerbares Element einzu­ bringen, das deren Verluste unabhängig voneinander kontrol­ liert. Dieses Element wird im folgenden als Apertur bezeich­ net. Deren Transmission kann elektronisch an jedem Ort zwi­ schen hoch (nahe 100%) und niedrig (nahe 0%) variiert werden. Prinzipiell als elektronisch steuerbare Aperturen geeignet sind einfache Flüssigkristallmodule, die zudem kommerziell preisgünstig erhältlich sind. Folglich ist im Falle einer Realisierung mit Flüssigkristallmodulen von einem Herstellungspreis der Erfindung auszugehen, der deutlich unter dem schon erhältlicher, mechanisch kontrollierter Systeme liegt, da alle sonst verwendeten Komponenten Stan­ dardkomponenten sind und auch in mechanisch kontrollierten Systemen verwendet werden, während auf die zur Abstimmung benötigten Verkippungstische und Piezoelemente verzichtet werden kann. Ein weiterer wesentlicher Vorteil unseres Kon­ zeptes ist die Möglichkeit, sehr schnell spektral abstimmen zu können. Die Schnelligkeit (d. h. die maximale Schaltfre­ quenz zwischen zwei Wellenlängen) konventioneller Systeme mit mechanisch beweglichen Teilen ist grundsätzlich auf den kHz- Frequenzbereich begrenzt. Bereits einfache, kommerziell preisgünstige verfügbare Flüssigkristallmodule sind im kHz- Bereich schaltbar. Die damit im elektronisch abstimmbaren Lasersystem erzielbaren spektralen Schaltzeiten liegen be­ reits im Bereich von mechanisch abstimmbaren Systemen. Für Anwendungen, die hohe Schaltraten erfordern, lassen sich mit anderen Konzepten, wie z. B. elektrooptischen Schaltern auf Basis modernster Flüssigkristalle, um Größenordnungen schnellere Schaltraten realisieren. Eine weitere Möglichkeit sind Module aus Halbleiter-Elektroabsorptionsmodulatoren, die schnelleres Schaltverhalten bis in den GHz-Bereich erlauben. Bei Verwendung solcher Bauelemente sind also Schaltfrequenzen bis an die durch die Dynamik des Lasers bedingte grundsätzli­ che Grenze von etwa 10 MHz möglich. Dies ist um einen Faktor von 10000 schneller als in mechanisch kontrollierten Syste­ men.

Im folgenden erläutern wir unsere Erfindung anhand von zwei Ausführungsformen für elektronisch spektral abstimmbare Halbleiterlaser. Die Anordnungen sind direkt auf andere Lasersysteme wie z. B. Titan-Saphir oder Farbstofflaser über­ tragbar, die generell eine für spektrale Abstimmung ausrei­ chende Verstärkungsbandbreite besitzen. Grundsätzlich besteht keine weitere Einschränkung bezüglich des verwendbaren Laser­ mediums bzw. des zugänglichen Spektralbereichs. Die am Markt etablierten, mechanisch abstimmbaren Halbleiter­ lasersysteme beruhen auf Resonatoranordnungen nach Littman und Littrow und sind für rein elektronische Abstimmung unge­ eignet, da spektrale Abstimmung nur durch Verdrehen oder Verkippen von Elementen (Spiegel bzw. Beugungsgitter) erziel­ bar ist, weil nicht alle vom Lasermedium unterstützten Spekt­ ralkomponenten gleichzeitig im Resonator rückgekoppelt wer­ den. Dies führt unter anderem auch dazu, daß der Laser nicht auf mehreren beliebigen Wellenlängen gleichzeitig betrieben werden kann. Unsere Erfindung hingegen setzt eine Resonator­ geometrie voraus, in der ohne weitere Eingriffe für alle gewünschten Spektralkomponenten simultan Rückkopplung be­ steht.

Beispiele

Unsere Erfindung zur elektronisch gesteuerten spektralen Abstimmung eines Halbleiterlasers beruht auf einer Resonator­ geometrie, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Sie besteht aus einer einseitg entspiegelten Laserdiode (1), einem Kollimator (2), einem Beugungsgitter (3), einer Linse (5) und einem hochreflektierenden Spiegel, dem Resonatorendspiegel (6). Die genannten Elemente bilden einen Halbleiterlaser mit externem Resonator. Der eine Resonatorendspiegel ist dabei die nicht entspiegelte Kristallfacette 1a. Die Laserdiode benötigt auf der anderen Seite aufgrund der Antireflexionsbeschichtung externe Rückkopplung durch den externen Resonator, der wie im folgenden beschrieben aus den anderen Komponenten gebildet wird. Die Laserdiode wird mit Injektionsströmen größer als dem ursprünglichen Schwellstrom vor der Entspiegelung betrie­ ben. Ohne Rückkopplung stellt sich dennoch kein Laserbetrieb ein und die Laserdiode operiert als spektral breitbandige Lumineszenzdiode. Diese Lumineszenz wird durch den Kollimator kollimiert und auf das Beugungsgitter gerichtet. Dieses befindet sich in der Brennebene der Linse, die in der Rich­ tung des in die erste Beugungsrichtung abgebeugten Strahles mit ihrer Hauptebene senkrecht zu diesem steht. In der ande­ ren Brennebene der Linse befindet sich der hochreflektierende Spiegel, so daß die einzelnen Spektralkomponenten der Lumi­ neszenz auf unterschiedliche Stellen des Spiegels abgebildet werden. Der Spiegel wird mit Justierschrauben exakt senkrecht ausgerichtet, so daß das auf ihn treffende Licht in sich zurück in die Laserdiode reflektiert wird. Somit erhält man optische Rückkopplung für alle Spektralkomponenten durch den aus Kollimationsoptik, Beugungsgitter, Linse und hochreflek­ tierenden Spiegel gebildeten externen Resonator. Um einzelne Spektralkomponenten herauszufiltern, darf diese Rückkopplung nur für einen sehr schmalen Spektralbereich erfolgen. Dies läßt sich mit einer Apertur realisieren, die zwischen Linse und hochreflektierendem Spiegel bis auf den gewünschten alle anderen Spektralbereiche abschattet. Im einfachsten Fall besitzt diese Apertur einen schmalen transparenten Streifen mit nichttransparenter Umgebung, so daß Rückkopplung nur durch diesen schmalen Streifen und damit genau bestimmter spektraler Position erfolgt. Eine ähnliche Anordnung mit mechanischen Blenden wurde z. B. erfolgreich zur Erzeugung paralleler Pikosekunden-Impulszüge in mehreren Wellenlängen­ kanälen eingesetzt /5/.

Unsere Erfindung ist das Einbringen einer elektronisch steuerbaren Apertur (4) in den Bereich der räumlichen Tren­ nung der einzelnen Spektralkomponenten, d. h. z. B. am güns­ tigsten vor dem Resonatorendspiegel (6) in die in Fig. 1 skizzierte Anordnung. Unter elektronisch steuerbarer Apertur verstehen wir eine Anordnung, deren optische Transmission allein durch Anlegen einer Spannung bzw. durch Stromfluß, d. h. insbesondere ohne mechanische Bewegung, gesteuert werden kann, wobei verschiedene Bereiche der Apertur unabhängig voneinander rein elektronisch möglichst fein zwischen trans­ parent und lichtundurchlässig eingestellt werden können. Im folgenden wird solch eine Anordnung elektronisch steuerbare Apertur bzw. nur Apertur genannt. Die elektronisch steuerbare Apertur (4) hat eine Fläche, die gleich oder größer als die des Resonatorendspiegels ist. Sie wird direkt vor diesem so plaziert, daß er komplett abgedeckt wird. Solche elektrisch steuerbaren Aperturen können zum Beispiel durch Flüssigkris­ tallmodule (LCD-Module) oder Module aus separat elektrisch kontaktierten Halbleiter-Elektroabsorptionsmodulatoren reali­ siert werden.

Die optische Transmission der Apertur (4) kann an jeder beliebigen Stelle elektronisch zwischen transparent und lichtunundurchlässig eingestellt werden und damit zum einen aus dem auf den Endspiegel fallenden Lumineszenzlicht nur die gewünschten Spektralanteile durchlassen, so daß nur in diesen Bereichen Laseremission erfolgen kann und zum anderen die Verluste bei den einzelnen Spektralkomponenten gezielt vari­ ieren. Spektrale Abstimmung kann rein elektronisch erfolgen, indem ein transparenter Streifen in der Apertur in der ge­ wünschten Weise über das spektral aufgefächerte Lumineszenz­ licht bewegt wird. Die Auskopplung des Laserlichtes aus dem Resonator erfolgt über die 0.te Ordnung des Beugungsgitters (3) und ist dabei auch bei spektraler Abstimmung richtungs­ stabil.

Eine von uns realisierte konkrete Ausführung unserer Erfin­ dung ist in Fig. 2 skizziert. Sie besteht aus einer einseitig entspiegelten, kommerziell erhältlichen Laserdiode (1) (Mo­ dell Hitachi HL 6714G), deren nicht entspiegelte Facette (1a) als ein Resonatorendspiegel wirkt, mit Kollimationsoptik (2), einem Beugungsgitter (3)(2000 Striche/mm), einer Linse (5) (f = 17,5 cm), einem Standard-LCD-Modul (4)(Modell Electro­ nic Assembly EA P120-5NLED) als elektronisch variabler Aper­ tur und einem hochreflektierenden Resonatorendspiegel (6).

Eine zweite mögliche Ausführungsform mit einem anderen dis­ persiven Element ist in Fig. 3 dargestellt. Hier besteht das dispersive Element aus einer Anordnung aus zwei 60° Prismen 3a und 3b, deren Spitzen bei parallelen Basisflächen zueinan­ der zeigen. Eine solche Prismenanordnung wird z. B. in Kurz­ puls-Lasersystemen zur Dispersionskompensation eingesetzt und führt zu einer räumlichen Trennung der Spektralkomponenten ten vor dem Resonatorendspiegel (6). In den Bereich zwischen Resonatorendspiegel und zweitem Prisma wird die elektronisch kontrollierte Apertur (4) eingebracht und erlaubt ebenfalls eine rein elektronisch gesteuerte spektrale Abstimmung.

Eine weitere interessante Ausführungsform unserer Erfindung ist die Möglichkeit, in kleinen Frequenzbereichen moden­ sprungfrei spektral verstimmen zu können. Dieses ist eine wichtige Anforderung bei spektral abstimmbaren Halbleiterla­ sern, die kontinuierlich betrieben werden. Das bedeutet, daß die Ordnung der Emissionsmode bei der spektralen Abstimmung über diesen Bereich erhalten bleiben muß. Das ist nur dann zu erreichen, wenn mit der eigentlichen spektralen Abstimmung die optische Länge des externen Resonators entsprechend geändert wird. Für eine dahingehende Erweiterung der Erfin­ dung stellt sich die Aufgabe, auch die optische Länge des externen Resonators rein elektronisch zu kontrollieren. Eine spezielle Ausgestaltung der Erfindung, die auch dies durch rein elektronische Regelung ermöglicht, besteht darin, in den Strahlengang zwischen Lasermedium und dispersivem Element einen variablen, optischen Weglängenveränderer einzu­ bringen. Ein solcher optischer Weglängenveränderer kann z. B. durch einen photorefraktiven Kristall realisiert werden, dessen Brechungsindex durch ein angelegtes elektrisches Feld verändert wird. Damit kann durch die angelegte Spannung am photorefraktiven Kristall die erforderliche Änderung der optischen Länge des Resonators bei der spektralen Abstimmung realisiert werden.

Eine Ausführungsform auf Basis des in Fig. 2 gezeigten Aufbaus ist in Fig. 4 gezeigt. In den Strahlengang im Resonator wird zwischen Kollimatorlinse (2) und Beugungsgitter (3) ein photorefraktiver Kristall als variabler, optischer Weglängen­ veränderer (7) eingebracht, der mit einer Spannung angesteu­ ert wird, die auf die elektronische Regelung der Apertur abgestimmt ist.

Neben der spektralen Abstimmung im Betrieb mit einer Emissi­ onswellenlänge kann der Laser sowohl im kontinuierlichen als auch im gepulsten Betrieb auch auf verschiedenen Wellenlängen simultan betrieben werden. Die einzelnen Wellenlängen- Kanäle können dabei unabhängig voneinander moduliert und geschaltet werden.

Ein wichtiger Spezialfall hiervon ist der Betrieb auf zwei unterschiedlichen Wellenlängen, die gegeneinander verschoben werden können. Die Schwebungsfrequenz der beiden Emissionsmo­ den liegt im THz-Frequenzbereich, der für viele Anwendungen interessant ist. Mit Hilfe einer THz-Antenne kann somit direkt THz-Strahlung variabler Frequenz generiert werden. Dieses Konzept zur Erzeugung von THz-Strahlung wird üblicher­ weise mit zwei unabhängigen Laserdioden realisiert /6/, mit unserer Erfindung kann es ganz wesentlich vereinfacht werden. Als THz-Antenne kann dabei eine Halbleiterprobe mit niedriger Ladungsträger-Lebensdauer und einem aufgebrachten, unterbro­ chenen Metallstreifen verwendet werden, indem zwischen den beiden Enden des Metallstreifens eine Spannung angelegt wird (sogenannter Low-Temperature GaAs-Photomixer, /6/). Sobald der Spalt in dem Metallstreifen belichtet wird, werden durch Absorption in dem Halbleiter Ladungsträger erzeugt, und es kommt zu einem Stromfluß. Aufgrund der niedrigen Ladungsträ­ ger-Lebensdauer folgt der zeitliche Verlauf des Stromes der Modulation des eingestrahlten Lichtes. Die im Halbleiter bewegten Ladungen strahlen dabei das THz-Signal ab /6/. Unser Konzept ist besonders geeignet für den Einsatz in Kurzpuls-Halbleiterlasersystemen (modengekoppelte Halbleiter­ laser). Die spektrale Breite und damit über die Fourier- Beziehung zwischen Spektrum und zeitlicher Form eines Signals auch die zeitliche. Länge der emittierten Impulse kann gezielt durch die elektrische Abstimmung der Breite der variablen Apertur eingestellt werden.

Im gepulsten Betrieb des Lasers (Modenkopplung) kann mit dieser Anordnung den Impulsen gezielt ein spektrales Profil und damit gemäß der Fourier-Beziehung zwischen zeitlicher Form der Impulse und ihres Spektrums ein genau bestimmter zeitlicher Verlauf gegeben werden. Im einfachsten Fall läßt sich durch Wahl der Aperturbreite die zeitliche Breite der emittierten Impulse variieren.

Eine weitere Anwendung unserer Erfindung ist die gleichzeiti­ ge spektrale Abstimmung mehrerer gekoppelter Laserdioden mit gleichem oder unterschiedlichem spektralen Emissionsbereich in einem System, indem die Abstimmung aller Laserdioden mit einer elektronisch gesteuerten Apertur erfolgt. Eine mögliche Ausführungsform ist in Fig. 5 skizziert. Der Aufbau enthält zwei oder mehr einseitig entspiegelte Laserdioden 1, 9, 10, deren nichtentspiegelte Kristallfacetten 1a, 9b, 10c jeweils als Resonatorendspiegel wirken, mit unterschiedlichen spekt­ ralen Emissionsbereichen. Deren Lumineszenz wird jeweils mit einem Kollimator (2a, 2b, 2c) kollimiert und die Strahlen werden über dichroische Spiegel (8b, 8c) in einen Strahl kollinear zusammengeführt. Dieser Strahl wird wie oben be­ schrieben auf das dispersive Element (3) gerichtet und durch die elektronisch steuerbare Apertur (4) kontrolliert. Disper­ sives Element, Linse, Endspiegel und die elektronisch ab­ stimmbare Apertur müssen so dimensioniert sein, daß der Resonator Rückkopplung für alle Spektralkomponenten aller im Aufbau vorhandenen Lasermedien liefert. Bei dieser Anordnung ist die spektrale Auflösung, d. h. die Feinheit der Abstimmung vergleichsweise gering. Wesentlicher Vorteil ist aber, daß Laser mit stark unterschiedlichen spektralen Emissionsberei­ chen(z. B. Rot, Grün und Blau für Full-Color Projektionen) unabhängig voneinander simultan kontrolliert und durchge­ stimmt werden können und, daß alle Emissionswellenlängen in einem Strahl ausgekoppelt werden können.

Eine weitere mögliche Ausführungsform, die für Laser mit unterschiedlichen spektralen Emissionsbereichen jeweils elektronisch kontrollierte spektrale Abstimmung mit hoher spektraler Auflösung erlaubt, ist in Fig. 6 skizziert. In die in Fig. 2 skizzierte Anordnung wird eine weitere Laserdiode (9), deren eine Kristallfacette 9b als Resonatorendspiegel wirkt, mit anderem Emissionsspektrum über das Beugungsgitter (3) angekoppelt. Die Emission dieser weiteren Laserdiode wird dabei unter einem anderen Winkel auf das Beugungsgitter (3) eingestrahlt als die der bereits vorhandenen Laserdiode (1), und zwar genau unter dem Winkel, unter dem die erste Beu­ gungsordnung der Lumineszenz ebenfalls auf den Resonato­ rendspiegel (6) fällt und ihre Rückkopplung somit auch von der elektronisch gesteuerten Apertur (4) kontrolliert werden kann. Damit erreicht man einen wesentlich vergrößerten spek­ tralen Abstimmbereich, der nicht mehr durch die Verstärkungs­ spektren einzelner Laserdioden bestimmt ist. Die Strahlaus­ kopplung von verschiedenen Laserdioden erfolgt in diesem Fall in unterschiedlichen Richtungen, so daß die Teilstrahlen für Anwendungen, in denen eine räumliche Trennung verschiedener Spektralbereiche erforderlich ist, nicht erst durch aufwendi­ ge optische Komponenten separiert werden müssen.

Eine weitere wichtige Anwendung unserer Erfindung ist die Kombination mit nichtlinear optischen Verfahren zur Frequenz­ konversion (z. B. Frequenzverdopplung, Summenfrequenzbildung). Dazu können entweder extern im Ausgangsstrahl entsprechende nichtlineare Kristalle verwendet werden oder insbesondere auch in den Resonator Kristalle zur Frequenzverdopplung oder Summenfrequenzbildung eingebracht werden. Die für Anwendungen interessante Kombination von spektraler Abstimmbarkeit und Frequenzverdopplung läßt sich mit unserer Anordnung besonders elegant realisieren. Dazu wird z. B. in den in Fig. 2 gezeig­ ten Aufbau zwischen Linse (5) und Apertur (4) direkt vor die elektronisch gesteuerte Apertur eine Anordnung von nichtline­ ar optischen Kristallen eingebracht, die so präpariert sind, daß sie das an der jeweiligen Stelle durch sie hindurchtreten­ de und von der elektronisch gesteuerten Apertur kontrollierte Licht effektiv frequenzverdoppeln. Dies läßt sich auch reali­ sieren, wenn gemäß Fig. 5 mehrere Laser an einen Resonator gekoppelt sind. Ein zweites wichtiges Beispiel ist die Sum­ menfrequenzbildung von zwei jeweils spektral abstimmbaren Laserdioden. Hierzu wird z. B. in den Aufbau nach Fig. 6 eben­ falls zwischen Linse (5) und Apertur (4) direkt vor die Apertur eine Anordnung von nichtlinearen Kristallen einge­ bracht, die nun für die Summenfrequenzbildung der von den beiden Lasern jeweils an dem entsprechenden Ort eingestrahl­ ten Spektralkomponenten optimiert sind.

Viele Anwendungen, wie zum Beispiel Scanner-Systeme, erfor­ dern eine räumliche Ablenkung eines Laserstrahles, die bei am Markt etablierten Systemen durch mechanisch bewegliche Teile erfolgt. Somit unterliegen auch alle diese Systeme den in­ trinsischen Nachteilen mechanisch beweglicher Komponenten, d. h. insbesondere Verschleiß, inhärenter Instabilität und begrenzter Geschwindigkeit. Somit stellt sich als weitere Teilaufgabe, ein Lasersystem mit rein elektronisch geregelter räumlicher Strahlablenkung zu entwickeln. Unsere Erfindung erlaubt neben der spektralen Abstimmung auch diese elektro­ nisch gesteuerte räumliche Ablenkung des Laserstrahles. Dispersive Elemente, wie z. B. Beugungsgitter oder Prismen führen mit der räumlichen Trennung verschiedener Spektralkom­ ponenten auch zu einer unterschiedlichen Winkelablenkung dieser Komponenten in Teilbereichen des Laserresonators. Eine Teilauskopplung des Lichtes aus diesen Bereichen des Resona­ tors bringt mit der durch die Apertur elektronisch gesteuer­ ten spektralen Abstimmung des Lasers auch eine Änderung der Richtung des ausgekoppelten Lichtes mit sich. Dies soll an zwei Ausführungsformen basierend auf den in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Aufbauten erläutert werden.

Basierend auf der Anordnung aus Fig. 1 erfolgt in der Anord­ nung gemäß Fig. 7 bei spektraler Abstimmung automatisch eine räumliche Ablenkung des in der (1-ten) Ordnung des Beugungs­ gitters ausgekoppelten Lichtes. Der hier ausgekoppelte Strahl eignet sich damit direkt für Scanning- bzw. Mustererkennungs­ anwendungen. In der Anordnung mit Prismen (3a, 3b) aus Fig. 2 kann ein räumlich elektronisch steuerbarer Strahl gemäß Fig. 8 von einer teilreflektierenden Oberfläche des zweiten Prismas (3b) ausgekoppelt werden. Auch hier geht die durch die Aper­ tur (4) gesteuerte spektrale Abstimmung des Lasers automa­ tisch mit einer räumlichen Strahlablenkung einher.

In Zusammenhang mit der räumlichen Strahlablenkung bildet die Kopplung und Kontrolle mehrerer Laserdioden in einer Ebene oder vertikal in mehreren parallelen Ebenen eine weitere Ausführungsform, die in Fig. 9 skizziert ist. In diesem Bei­ spiel sind in einer Ebene jeweils drei Lasermedien (1, 9, 10) (z. B. Laserdioden) mit zugehörigen Resonatorendspiegeln (1a, 9b, 10c) (z. B. nichtentspiegelte Facetten von Laserdioden) mit roter, blauer und grüner Emission gemäß der in Fig. 6 skizzierten Anordnung an einen elektronisch kontrollierten Resonator aus Beugungsgitter (3), Linse (5), elektronisch gesteuerter Apertur (4) und Resonatorendspiegel (6) angekop­ pelt. Die Strahlauskopplung erfolgt in die Richtung des vom Beugungsgitter reflektierten (0te Ordnung) Anteils des vom Endspiegel (6) rückreflektierten Lichtes. Die genaue Strahl­ richtung wird durch die elektronisch gesteuerte Apertur (4) bestimmt, d. h. durch spektrale Abstimmung der Laser mit der Apertur wird die Strahlrichtung innerhalb eines gewissen Bereiches eingestellt. Das Licht aller drei Emissionsbereiche kann dabei simultan in seiner Strahlrichtung kontrolliert werden. Insbesondere können alle drei Laserstrahlen mit variabler, durch die Pumpstärke des Lasermediums (z. B. Injek­ tionsstrom bei Laserdioden) kontrollierter Intensität auf einen Punkt bzw. in eine Richtung gerichtet werden, so daß dort eine beliebige Farbe erzielt werden kann. Durch Abstim­ mung der Apertur (4) kann die Strahlrichtung innerhalb eines gewissen Bereiches variiert werden, wobei gleichzeitig die Farbe des Strahles durch Regelung der Pumpstärke kontrolliert werden kann. Somit wird ein linearer Scan des Ausgangsstrah­ les mit variabler Farbe, d. h. auch z. B. ein-dimensionales Full-Colour Display möglich. Ein zweidimensionales Display erhält man durch Anordnung mehrerer solcher Anordnungen vertikal übereinander. Ein solches System ist in Fig. 10 skizziert. Exemplarisch sind jeweils drei rote, grüne, bzw. blaue Lasermedien (1 + 1a, 9 + 9b, 10 + 10c) in drei Ebenen über­ einander angeordnet, so daß jeweils ein roter, ein grüner und ein blauer Laser in einer Ebene liegen. In allen drei paral­ lelen Ebenen werden die Laser jeweils gemäß Fig. 9 an den durch die elektronisch steuerbare Apertur (4a) kontrollierten Resonator angekoppelt, so daß drei vertikal gestapelte unab­ hängige gleiche Anordnungen entstehen. In diesem Fall wird im Resonator eine zweidimensionale Apertur (4a) verwendet, bei der nicht nur entlang einer Linie, sondern innerhalb der gesamten ausgeleuchteten Fläche jeder Punkt in seiner Trans­ mission kontrolliert werden kann.

Entsprechende Anordnungen sind als zweidimensionale Flüssig­ kristallanzeige kommerziell verfügbar. Die Strahlauskopplung erfolgt wie in Fig. 9 über die vertikal versetzten reflektier­ ten Anteile des vom Resonator rückreflektierten Lichtes in drei Ebenen. Diese Anordnung bildet ein dreizeiliges Full- Colour Display. Durch Verwendung vertikaler Zeilen von Lasern (z. B. mit oberflächenemittierenden Halbleiter-Mikroresonator bzw. Lasern) läßt sich prinzipiell eine genügend große Zahl von Zeilen erzielen, um eine 2-dimensionale mehr-farb- Projektion zu realisieren.
/1/ Lang et al., United States Patent No. 5,771,252 (1998)
/2/ M. Gabbert, Deutsches Patent DE 195 15 321 A1
/3/ C.-L. Wang und C.-L. Pan, Appl. Phys. Lett. 64, 3089-3091 (1994).
/4/ C.-L. Wang und C.-L. Pan, Optical and Quantum Electronics 28, 1239-1257 (1996)
/5/ H. Shi, J. Finlay, G. A. Alphonse, J. C. Conolly, and P. J. Delfyett, IEEE Photonics Technology Letters, 9, 1439-1441 (1997)
/6/ P. Chen, G. A. Blake, M. C. Gaidis, E. R. Brown, K. A. McIntosh, S. Y. Chou, M. I. Nathan, and F. Williamson, Appl. Phys. Lett. 71, 1601-1603 (1997)

Bezugszeichenliste

(

1

) Laserdiode
(

1

a) Zum Lasermedium

1

gehöriger Resonatorendspiegel, z. B. nichtentspiegelte Facette der Laserdiode
(

2

), (

2

a), (

2

b), (

2

c) Kollimatoren
(

3

) Dispersives Element
(

3

a), (

3

b) Prismen
(

4

) Apertur
(

5

) Linse
(

6

) Resonatorendspiegel
(

7

) Variabler, optischer Weglängenveränderer
(

8

b), (

8

c) Dichroische Spiegel
(

9

) Weiteres Lasermedium
(

9

b) zu (

9

) gehöriger Resonatorendspiegel
(

10

) Weiteres Lasermedium
(

10

c) zu (

10

) gehöriger Resonatorendspiegel

Claims (17)

1. Laserresonator bestehend aus Lasermedium (1), einem dem Lasermedium zugeordneten ersten Resonatorendspiegel (1a), Kollimatoroptik (2), dispersivem Element (3), Apertur (4) und Resonatorendspiegel (6), dadurch gekennzeichnet, daß die Apertur (4) im Resonator im Bereich, in dem die einzel­ nen Spektralkomponenten räumlich getrennt sind, angeordnet ist und die Apertur (4) so ausgebildet ist, daß mindestens ein Teilbereich der ansonsten opaken Apertur elektronisch steuerbar laserlichtdurchlässig geschaltet werden kann.

2. Laserresonator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Apertur (4) so ausgebildet ist, daß wenigstens zwei Teilbereiche der ansonsten opaken Apertur unabhängig von­ einander elektronisch steuerbar sind.

3. Laserresonator nach einem oder beiden der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, daß im gepulsten Betrieb des La­ sers (1) die Apertur (4) das Spektrum der emittierten Im­ pulse und somit gemäß der Fourier-Beziehung zwischen Spektrum und zeitlicher Form eines Signals auch die zeit­ liche Breite der emittierten Impulse kontrolliert.

4. Laserresonator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem ersten Lasermedium (1) ein oder mehrere weitere Lasermedien (9 + 9b, 10 + 10c) vorgesehen sind, deren Spektralkomponenten simultan durch die Apertur (4) durchgestimmbar und/oder schaltbar sind.

5. Laserresonator nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 3 Lasermedien vorgesehen sind (1, 9, 10), die in den Grundfarben Blau, Rot und Grün emittieren.

6. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den Resonator mindestens hin variab­ ler, optischer Weglängenveränderer eingebracht wird, durch den die optische Länge des Resonators so variiert werden kann, daß zusammen mit der elektronisch steuerbaren Aper­ tur (4) eine spektrale Abstimmung ohne Modensprünge reali­ sierbar ist.

7. Laserresonator nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß der optische Weglängenveränderer (7) ein photorefraktiver Kristall in einem variablen, elektrischen Feld ist.

8. Verfahren zur spektralen Abstimmung der Laserstrahlung eines Lasermediums (1) in einem Laserresonator, bestehend aus Lasermedium (1), einem dem Lasermedium zugeordneten ersten Resonato­ rendspiegel (1a), Kollimatoroptik (2), dispersivem Element (3), Apertur (4) und Resonatorendspiegel (6), dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Apertur (4) elektronisch laserlicht­ durchlässig schaltbar ist und im Resonator im Bereich, in dem die einzelnen Spektralkomponenten räumlich getrennt sind, angeordnet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Apertur (4) so ausgebildet ist, daß wenigstens zwei Teil­ bereiche der ansonsten opaken Apertur unabhängig voneinan­ der elektronisch laserlichtdurchlässig schaltbar sind.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, daß die elektronisch gesteuerte spektrale Abstimmung mit einer resonatorinternen oder -externen Frequenzverdopplung oder Summenfrequenzbildung mittels nichtlinear optischer Kristalle kombiniert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, daß die simultane elektronisch gesteuerte Abstimmung von zwei oder mehr Lasermedien mit einer resonatorinternen oder -externen Summenfrequenzbildung mittels nichtlinear optischer Kristalle kombiniert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, daß 2 Frequenzkomponenten mit variablem Frequenzabstand im THz-Bereich durch die elektronisch abstimmbare Apertur be­ trieben werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spektralkomponenten moduliert werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-13 dadurch gekennzeichnet, daß mittels der elektronisch steuerbaren Apertur (4) eine variable Richtungsablenkung mindestens eines ausgekoppelten Laserstrahles erzeugt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Pumpintensität der einzelnen Lasermedien variiert wird.

16. Verwendung eines Laserresonators nach einem der Ansprüche 1-7 für Scanner-, Projektions- oder Mustererkennungsanwen­ dungen.

17. Verwendung eines Laserresonators nach einem der Ansprüche 1-7 in optischen Analysesystemen, beispielsweise Gas- oder Wasseranalyse.