DE2414209A1 - Laseranordnung fuer hochdotierte optische verstaerkerelemente, insbesondere aus ultraphosphatbasis - Google Patents

Description

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Fat ε ν TANVA LT ε Dipl.-Ing. r. Vv EiCK ivi am ν,

"Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipi.-Ing. F. A.Weιckmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT ZUR FÖRDERUNG DER WISSENSCHAFTEN e.V., 34 Göttingen, Bunsenstraße 10

Laseranordnung für hochdotierte optische Verstärkerelemente, insbesondere auf Ultraphosphatbasis

In den Patentanmeldungen P 23 42 182.1 und P 24 00 911.8 sind Herstellungsverfahren und Vorzüge von neuen Materialien auf Ultraphosphätbasis vorgeschlagen, die auch zum Offenbarungsgehalt vorliegender Anmeldung gehören sollen. Hervorzuheben ist hierbei die hohe optische Verstärkung einiger Vertreter der Ultraphosphate - z.B. NdP₁-O,,/ -, sowie deren hohes Absorptionsvermögen für Pumplicht, das. es im Prinzip ermöglicht, auch optische Verstärkerelemente in Form von dünnen Schichten und Fasern aus diesen Materialien so anzuregen (zu"pumpen"), daß sie eine hohe optische Verstärkung liefern.

Als Pumplichtquellen für optische Verstärkerelemente solcher Art wurden bisher Laser benützt, deren Strahl parallel zum

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Strahl aus dem optischen Verstärkerelement'auf das optische Verstärkerelemont mittels einer Linse fokussfert v/urde, so daß sich ein Brennfleck mit einem Durchmesser von etwa 20 Mikrometer ergab. In einer solchen "longitudinalen" Pumponordnung muß der Pumpstrahl auf eine so kleine Fläche fokussiert werden, um die volle Verstärkungsmöglichkeit ausschöpfen zu können. Ist die Konzentration der aktiven Ionen im optischen Verstärkerelement sehr hoch (z.B. ist sie in Pentaphosphaton bis zu 30 mal größer als in dotierten Lasermaterialien wie Nd:YAG), so muß überdies das Pumplicht von vorn herein intensiver sein als bei herkömmlichen Lasermaterialien.

Die Notwendigkeit, so stark zu fokussieren, bedeutet, daß bei den bisher bekannten Anordnungen bereits zur optischen Anregung der Laserstrahlung ein Laser benützt werden muß. Dies ist ein beträchtlicher Nachteil,da Pumplaser teuer sind, und - von einigen Halbleiterlasern abgesehen - sehr viel Platz und Energie verbrauchen. Die Vorteile sehr hoch dotierter optischer Verstärkerelemente, insbesondere auf Ultraphosphatbasis - billig, klein und sparsam können daher nicht voll genützt werden.

Aufgabe der Erfindung ist aus diesem Grunde, Pumpanordnungen und kombinierte optische Bauelemente anzugeben, die an hoch dotierte optische Verstärkerelemente, insbesondere auf Ultraphosphatbasis, so angepaßt sind, daß deren Vorteile auch zur Geltung kommen.

Einen Ansatzpunkt zur Lösung dieser Aufgabe bieten die guten Absorptionseigenschoften hoch dotierter optischer Verstärkerelemente, insbesondere auf Ultraphosphatbasis. Die hohe Konzentration der aktiven Ionen bedeutet nicht nur hohe optische Verstärkung pro Längeneinheit, sondern auch hohe optische Absorption pro Längeneinheit für das Purnplicht. So ist z.B. für NdP₅O₁^ die AbsorptionslSnge bei 800 Nanometer Wellenlänge nur etwa 50 Mikrometer - d.h.,

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nach 50 Mikrometer Eindringtiefe ist 63 % der auftreffenden Pumpleistung absorbiert. Eine Schicht mit 10 Mikrometer Dicke, die auf einer Seite einen das Pumplicht gut reflektierenden metallischen oder dielektrischen Spiegel trägt, absorbiert bereits 27 % der auffallenden Pumpleistung.

'Demgemäß besteht die Erfindung grundsätzlich darin, das Pumplicht senkrecht auf die Schicht bzw. senkrecht auf die Achse der Faser einfallen zu lassen, d.h. "transversal" zu pumpen.

Hierbei kann die Ausdehnung des Pumpstrahls in Richtung der Faserachse bzw. in .der Schichtebene entlang der Schicht im Prinzip beliebig groß sein. Es muß also z.B. nicht auf einen Durchmesser von 10 Mikrometern fokussiert v/erden; vielmehr kann das Puraplicht in einem Streifen von z.B. 10 Mikrometer Breite und bis zu einigen Zentimetern Länge auf das Vers tärker element fallen. Dies ergibt eine um etwa drei Größenordnungen geringere Intensität (Leistung pro Durchtrittsfläche) des erforderlichen Pumpstrahls, also

ρ ρ

z.B. etwa 1 W/cm im Vergleich zu 1 kW/cm beim obigen Beispiel des NdPcO^^ Lasers mit 1 Milliwatt Pumpschwelle bei 10 χ 10 Mikrometer Durchtrittsfläche.

Einwesentlicher Punkt an dieser Verkleinerung der Pümpintensität ist, daß nun auch inkohärente Lichtquellen -also z.B. die Sonne, oder Halogenlampen, oder Lumineszenzdioden - als Pumpquellen benützt werden können, da eine Emission von etwa 1 V/cm schon mit inkohärenten Quellen möglich ist, während Emissionen von etwa 1 kW/cm meist Lasern vorbehalten sind*

Die Erfindung"wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben:

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Fig. 1 zeigt e:ine mit Sonnenlicht betreibbare Laseranordnung;

Fig. 2a-2b zeigen im Längs- und Querschnitt eine mit einer Gasentladungslampe zu betreibenden Laseranordnung;

Fig. 3a-3b zeigen Laseranordnungen, die mit aus einem p-n-Übergang stammenden Licht zu betreiben sind, Fig. 3a für den Fall, daß das optische Verstärkerelement die Form einer Faser hat, Fig 3b für den Fall, daß das Verstärkerelement die Form einer Schicht hat;

Fig. 4a~4b zeigen Laseranordnungen mit mehreren Fasern bzw. Schichten als optische Verstärkerelemente, die mit Licht zu betreiben sind, das aus p-n-Übergängen eines einheitlichen Halbleiterkörpers stammt

Fig 5a-5b zeigen in Ansicht und im Querschnitt eine Laseranordnung mit einem besonders geformten Halbleiterkörper, an dem als optisches Verstärkereleraent eine Faser bzw. eine Schicht anliegt und in dem sich als Lichtquelle ein langgestreckter p-n-Übergang befindet.

Von der Sonne strömt ein Strahlungsfluß von 8 W/cm auf die Erde. Hiervon kann für die Neodymabsorption z.B. etwa

ein tausenstel, also I_n = 10mW/cm genutzt werden. Um auf

ρ U

1 W/cm zu kommen, braucht man eine Strahlfokussierung um

einen Faktur 10 , muß also den Durchmesser der Eintrittsöffnung für das Sonnenlicht bei einer Spiegel - oder Linsenanordnung mindestens 10 mal größer machen als den Durchmesser der zu pumpenden Schicht Wenn das optische Verstärkerelement schicht- bzw. faserförmig ist, wird gemäß Fig. 1 vorteilhaft eine Kombination aus Spiegel 10 und Zylinderlinse 12 oder Zylinderspiegel verwendet. Der Spiegel 10 fokussiert auf die Länge und die Zylinderlinse 12 (bzw. der Zylinderspiegel) zusätzlich auf die Breite der Schicht 14. Ist die Schichtbreite

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0,1 mm - was immer noch sehr breit ist - kommt man bereits mit einer Zylinderlinse 12 von etwa einem Zentimeter Breite aus.

Die Funktionen von Spiegel 10 und Zylinderlinse 12 können auch von einem geeignet geformten Spiegel allein übernommen werden.

Da das laseraktive Material des optischen Verstärkerelements meist nur einen kleinen Teil des Sonnenlichtes absorbiert, kann der größte Teil des Lichts weiter zur Stromerzeugung in Solarzellen 16 dienen, die sich vorzugsweise an der Rückseite eines lichtdurchlässigen Substrats 18 für die Schicht 14 befinden. Deshalb ist die in Fig. 1 dargestellte Kombination von Fokussierungssystem 10,12, laseraktiver Schicht 14, lichtdurchlässigem Substrat 18 und Solarzelle vorteilhaft. Eine solche Kombination ist besonders für Satellitenkommunikation brauchbar. Die Solarzelle 16 kann z.B. in Quadranten unterteilt sein, die es ermöglichen, die Optik 10,12 auf die Sonne auszurichten und sie zu stabilisieren.

Diese Lichtquellen können etwa 100 W/cm an der Quelle in einen Öffnungswinkel von 90° emittieren. Da nur ein geringe'r Anteil der Gesamtstrahlung in die Pumpbanden des Materials des optischen Verstärkerelements fällt (z.B. nur 10~" in die Pumpbanden von Neodym), ist man mit diesen Lampen nahe an der Pumpschwelle. (Im Blitzbetrieb können Gasentladungslampen allerdings wesentlich höhere Leuchtdichten erzeugen, nur sind dann die Blitzraten zu langsam für die meisten brauchbaren Systeme). Wolfram-Halogenlampen können nur im Infraroten bis ins ferne Rot gut pumpen weil der Schmelzpunkt des Wolframs die erreichbare Färbtemperatür begrenzt-

Wegen ihren, relativ kleinen -Leuchtdichten müssen- für diese Lampen spezielle Anordnungen gewählt werden, in denen die emittierende Fläche möglichst klein ist, damit die Pumpstrahlung möglichst restlos auf das laseraktive Material

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fokussiert v/erden kann. Die Fig. 2a und 2b.zeigen eine solche Anordnung. In den Achsen eines innen verspiegelten elliptischen Zylinders 20 liegen eino Pumplampe 22 und das zu pumpende aktive Material 24 - vorteilhaft hier in Faserform -. Derartige Pumpenanordnungen sind seit längerem bekannt. Es kommt hier jedoch darauf an, bei den kleinen Abmessungen des aktiven Materials senkrecht zur Achse des

Laserlichts auch sehr kleine Abmessungen der Pumplampe senkrecht ihrer Achse zu haben. Es v/erden daher gemäß vorliegender Erfindung Kapillar-Gasontladungslampon oder Wolframlainpen vorgesehen, die einen einfachen geraden Draht von etwa 0,1 mm Durchmesser bzw. eine gestreckte Wendel von 0,1 mm Durchmesser aufweisen. Damit wird die erforderliche elektrische Pumpleistang der Lampen so reduziert, daß für die Wärmeabfuhr keine Wasserkühlung erforderlich ist. Die Lampen sind vorzugsweise leicht auswechselbar, da ihre Lebensdauer begrenzt ist.

Die Fig. 3a und 3b zeigen als Pumplichtquelle eine auf einem Wärmeableiter 30 angeordnete Halbleiterdiode 32, die vorzugsweise aus einem GaAlAs-Material besteht, dessen Zusammensetzung so beschaffen ist, daß die in einem p-n-Ubergang 34 emittierte Strahlung z.B. in die Nd-Pumpbande bei 800 Nanometer paßt. Die Herstellung solcher p-n-Übergänge ist aus der Halbleitertechnik bekannt. Die bei Lumineszenz erzielbare Leuchtdichte liegt weit über den z.B. für Neodymultraphosphat geforderten 1 W/cm . Bei Laserdioden - in denen parallel zum p-n-Übergang kohärentes, d.h. sehr schmalbandiges und richtungsscharfes Licht emittiert wird - liegt die Leuchtdichte sogar über 1 m/cm².

Um eine hohe Leuchtdichte entlang der Faser 36 oder Schicht 37 bei geringer Strombelastung der Lumineszenzdiode zu erreichen, ist der aus vorzugsweise eindiffundiertem Gold gebildete p-Kontakt 38 als Streifenkontakt (senkrecht zur Zeichenebene) ausgebildet und über den größten Teil der

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Diode 32 durch eine Oxidschicht 39 isoliert.

Die Laserstrahlung ist senkrecht zur Zeichenebene gerichtet und liegt in den schraffiert gezeichneten Querschnitten der Faser 36 bzw. der Schicht 37-

Zwei Anordnungen, die für mehrere aktive Fasern 40 bzw. Schichten 41 geeignet sind, zeigen die Fig. 4a und 4b.Hierbei sind in n-Schichten 43 von Halblei terkörp fern 42 mehrere p-leiteride Streifen 44^45, die senkrecht zur Zeichenebene parallel zu Fasern 40 bzw. Schichten 41 verlaufen,zur Bildung von p-n-Übergangen 51»52 eindiffundiert. Diese Anordnungen sind bei Lumineszenzdioden möglich, bei denen im wesentlichen senkrecht zu p-n-Übergängen emittiertes Licht zum Pumpen zu verwenden ist. In die n-Schicht 43 v/erden zum Einbetten der Fasern 40 vor der p-Diffusion annähernd halbzylinderförmige Gräben geätzt, so daß die Fasern 40 gut hineinpassen/ Die Schichten 41 können vorteilhafterweise solion auf Substraten 46 vorgefertigt und mit beispielsweise einer Glasschicht 50 abgedeckt sein. Fasern 40 v?ie Schichten 41 v/erden mit einem geeigneten optischen Kitt 47 (z.B Epoxydharz» wegen des höheren Brechungsindex gut geeignete Arsenulfidgläser, etc.) auf die Halbleiterkörper 42 geklebt. Typische Größenordnungen sind einige Millimeter bis Zentimeter und zehntel Millimeter Abstand zwischen den Fasern 40 bzw. Schichten 41. Streifenkontakte 48 können einzeln angeschlossen werden, um individuell die Verstärkung steuern zu können. Zur Erhöhung der Feldkonzentration im Bereich der aktiven Schichten 41 sind bevorzugt die Außenbereiche 49 des Halbleiterkörpers 42 nächst diesen Schichten 41 mit einem Metall wie Zn oder Au gefüllt.

Eine Anordnung, die optimal die Halbleiter lumineszenz ausnützen läßt, ist in Fig. .5a und Fig. 5b dargestellt. Hierbei ist die gute Abbildungseigenschaft eines elliptischen Halbzylinders 60 mit der Möglichkeit kombiniert,

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p-n-iibergr->nge sehr schmal zu machon.

Der Halbzylinder 60 besteht aus Halbleitermaterial. Die Schicht oder die entsprechende Faser 62 liegt in der einen Brennlinie des Halbzylinders 60. Nächst der anderen Brennlinie des Halbzylinders 60 ist ein . lichtemittiorender p-n-Ubergang 64 vorgesehen. Im vorliegenden Beispiel besteht das Halbleitermaterial aus n-GaAlAs in das eine p-Schicht 66 längs der genannten zv/eiten Brennlinie halbkreisförmig eindiffundiert und außen mit einer Kontaktschicht 68 aus Gold verseilen ist. Die gerundete Außenfläche des Halbzylinders 60 ist poliert und mit einer Schicht 70 bedeckt,die das für die Faser bzw. Schicht 62 charakteristische, aus dem p-n-Übergang 64 kommende Licht reflektiert.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Halbzylinder 60 durch einen zu ihm symmetrischen zweiten Halbzylinder ergänzt, der einen Licht emittierenden p-n-Übergang 82 neben dem p-n-Übergang 64 des Halbzylinders 60 aufweist und die Schicht oder Faser 62 von ihrer anderen Seite mit Pumplicht beschickt. Auch der p-n-Übergang 82 ist mit einer Goldschicht 84 kontaktiert. Beide Kontaktschichten 68,84 sind Halbzylindrisch und umfassen einen Anschlußdraht 86. Die Faser 62 bzw. Schicht ist je zur Hälfte in jeden Halbzylinder 60,80 eingebettet.

Die beschriebenen Anordnungen sind nicht auf Halbleiterelemente beschränkt, die auf GaAs aufbauen. Wesentlich ist nur, daß die Rekombinationsstrahlung des Halbleiters mit einer oder mehreren Absorptionslinien des Lasermaterials übereinstimmt.

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Claims (8)

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   Patentansprüche

   hj Lageranordnung für em hoch dotiertes optisches Verstärkerelement, insbesondere auf Ultraphosphatbasis, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Verstärkerelement die Form einer- dünnen .Schicht ■ (14,37,41) oder einer Faser (24,36,40,62) aufweist und ein Pumplicht rechtwinklig zu einer Oberfläche der Schicht oder der Achse der Faser auf die Schicht oder die Faser gerichtet ist.
2. 2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine inkohärentes Pumplicht aussendende Pumplichtquelle (22,34,51,52,-64,82) vorgesehen ist.
3. 3- Laseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Eintrittsseite des Pumplichts abgewandten Seite der Schicht oder Faser eine spiegelnde Fläche angeordnet ist.
4. 4. Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schicht (14) oder die Faser auf einem lichtdurchlässigen Substrat (18) befindet, an dessen Rückseite eine Solarzelle (16) angeordnet ist.
5. 5. Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht oder die Faser (24,62) in der einen Brennlinie eines zweiachsigen, elliptischen Zylinders (20,60,80) mit nach innen spiegelnder Oberfläche (70) angeordnet ist und daß in der anderen Brennlinie dieses Hohlzylinders (20) eine Kapillar-Gasentladungslampe (22) oder ein gerader

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   oder gestreckt gev/endelter Wolframfaden oder ein Licht emittierender p-n-Übergang (64,82) angeordnet ist.
6. 6. Laseranordnung nach e'nem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet., daß eine Schicht (37,41) oder Faser (36,40) nächst einem p-n-Ubergang (34,51,52) einer aus ihrem p--n-Übergang (34,51,52) Licht emittierenden Halbleiterdiode (32,42) angeordnet ist.
7. 7· Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht oder die Faser (62) in der einen Brennlinie eines zweiachsigen, elliptischen Halbzylinders (60) aus einem Halbleitermaterial mit nach innen spiegelnder Oberfläche (70) angeordnet ist und daß das Halbleitermaterial nächst der anderen Brennlinie einen Licht emittierenden p-n-Übergang (64) aufv;eist.
8. 8. Laseranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Halbzylinder (60,80) aus Halbleitermaterial zu einem Vollzylinder derart zusammengesetzt sind, daß die beiden p-n-Ubergänge (64,82)einander gegenüberstehen und an einem ihnen gemeinsamen Kontaktanschluß (86) liegen und daß die Schicht oder Faser (62) je zur Hälfte in jedem der Halbzylinder (60,80) eingebettet ist.

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