DE2723642A1 - Waveguide laser using layer of neodymium aluminium borate - on substrate of gadolinium-lanthanum-aluminium borate - Google Patents
Waveguide laser using layer of neodymium aluminium borate - on substrate of gadolinium-lanthanum-aluminium borateInfo
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Abstract
Description
Epitaktische laseraktive Schicht aus NdAl3(B03)4 auf einem Sub-Epitaxial laser-active layer made of NdAl3 (B03) 4 on a sub-
strat aus Gd0,51 5La0,485Al3(B03)4.strat from Gd0.51 5La0.485Al3 (B03) 4.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer wellenleitenden, laseraktiven Epitaxie-Schicht auf einem Substrat.The invention relates to an arrangement with a wave-guiding, laser-active one Epitaxial layer on a substrate.
Derartige Schichten dienen z.B. als Wellenleiterlaser, diese Laser sind als Lichtquellen oder Lichtverstärker in optischen Schaltungen gut integrierbar. Bei Festkörperlasern ist es notwendig, daß das laseraktive Material als dünne Schicht oder als dünner Streifen auf einem niedriger brechenden Substrat hergestellt werden kann.Such layers serve, for example, as waveguide lasers, these lasers can be easily integrated as light sources or light amplifiers in optical circuits. With solid-state lasers it is necessary that the laser-active material as a thin layer or as a thin strip on a lower refractive index substrate can.
Derartige Wellenleiterlaser besitzen den Vorteil, daß sie wie die optischen Schaltungen in Planartechnik kostengünstig hergestellt werden können. Weiterhin sind Wellenleiterlaser geometrisch sehr gut an Leuchtdioden angepaßt, wie sie als optische Pumpen anzubringen sind.Such waveguide lasers have the advantage that they like optical circuits can be manufactured inexpensively in planar technology. Furthermore, waveguide lasers are geometrically very well adapted to light-emitting diodes, how to install them as optical pumps.
Man kennt bereits Wellenleiterlaser aus Y3Al5012, welches mit 1,5 % Neodym dotiert ist. Dieses Lasermaterial hat aufgrund der geringen Neodym-Konzentration den prinzipiellen Nachteil eines kleinen Absorptionskoeffizienten für die Pumpwellenlänge von 800 nm, damit ergeben sich eine große Baulänge von mehr als 1 cm, sowie eine geringe Lichtverstärkung.One already knows waveguide lasers made of Y3Al5012, which with 1.5 % Neodymium is doped. This laser material has due to the low neodymium concentration the principal disadvantage of a small absorption coefficient for the pump wavelength of 800 nm, resulting in a large overall length of more than 1 cm, as well as a low light amplification.
Man kennt auch bereits stöchiometrische Neodym-Lasersubstanzen, aus diesen Substanzen lassen sich Laser bis auf Längen von der Größenordnung 1 mm miniaturisieren.One already knows from stoichiometric neodymium laser substances Lasers can miniaturize these substances to lengths of the order of 1 mm.
Aus der Druckschrift L.R. Chinn, H.Y. P. Hong, Optics Comm., vol. 15, no. 3 (1975) ist Neodym-Aluminium-Borat (NAB) mit der chemischen Zusammensetzung NdAl3(B03)4 als Lasermaterial bekannt.From the publication L.R. Chinn, H.Y. P. Hong, Optics Comm., Vol. 15, no. 3 (1975) is neodymium aluminum borate (NAB) with the chemical composition NdAl3 (B03) 4 is known as a laser material.
Dieses Material besitzt neben ausgezeichneten spektralen Lasereigenschaften eine hohe Lichtverstärkung und eine unbegrenzte Betriebslebensdauer. Außerdem zeigt NAB keine ferroelastischen Zwillingsdomänen, wie sie beispielsweise in Neodympentaphosphat, ebenfalls ein stöchiometrisches Neodym-Lasermaterial, auftreten können. Außerdem besitzt NAB gegenüber dem zuletzt genannten Lasermaterial eine um 40 % höhere Neodym-Konzentration, d.h. Laser aus NAB lassen sich noch weiter miniaturisieren, außerdem ist NAB ein elektrooptisches Material, d.h. es kann direkt moduliert werden.This material has excellent spectral laser properties a high light gain and an unlimited service life. Also shows NAB no ferroelastic twin domains, such as those in neodymium pentaphosphate, also a stoichiometric neodymium laser material can occur. aside from that Compared to the laser material mentioned last, NAB has a 40% higher neodymium concentration, i.e. lasers from NAB can be miniaturized even further, and NAB is a electro-optical material, i.e. it can be modulated directly.
In der genannten Druckschrift wird auch die Herstellung von NAB-Einkristallen angegeben. Wellenleiterlaser aus diesem Material sind bisher nicht bekannt, da bislang kein geeignetes Substrat aufgefunden wurde.The mentioned publication also describes the production of NAB single crystals specified. Waveguide lasers made from this material have not been known until now no suitable substrate was found.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung von Wellenleiterlasern aus NAB zu ermöglichen.The object of the invention is the production of waveguide lasers from NAB to enable.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche erfindungsgemäß die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 aufweist.This task is achieved by a device of the type mentioned at the beginning solved, which according to the invention the features of the characterizing part of claim 1 has.
Für den erfindungsgemäßen NAB-Wçllenleiterlaser ist als Substrat Gadolinium-Lanthan-Aluminium-Borat vorgesehen, d.h. Gd1 xLaxA13(BO ; dabei liegt x zwischen den Werten 0 und 1.The substrate for the NAB waveguide laser according to the invention is gadolinium-lanthanum-aluminum-borate provided, i.e. Gd1 xLaxA13 (BO; where x lies between the values 0 and 1.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat x den Wert 0,485, d.h. als Substrat wird Gd0,515La0,485Al3(B03)4 verwendet.According to a preferred embodiment of the invention, x has the value 0.485, i.e. Gd0.515La0.485Al3 (B03) 4 is used as the substrate.
Das laseraktive NAB-Material kann in vorteilhafter Weise durch Epitaxie auf dem Substrat aufgebracht werden. Diese Herstelungsweise bietet gegenüber anderen Methoden den Vorteil, daß das laseraktive Material einkristallin abgeschieden wird, so daß die gUnstigen Lasereigenschaften des massiven Materials auch in der Sdichtform erhalten bleiben. In der laseraktiven NAB-Schicht bleiben die Dämpfung für die Laserwellenlänge und die Linienverbreiterung wie beim massiven Material sehr gering.The laser-active NAB material can advantageously by epitaxy be applied to the substrate. This method of manufacture offers compared to others Methods have the advantage that the laser-active material is deposited in monocrystalline form, so that the favorable laser properties of the solid material also in the S seal form remain. In the laser-active NAB layer remain the attenuation for the laser wavelength and the line broadening as with the solid material very low.
Auf das erfindungsgemäße Substratmaterial sind insbesondere die folgenden Vorteile zurückzuführen: Die Gitteranpassung zwischen dem Substratmaterial und dem laseraktiven NAB-Schichtmaterial ist zur Herstellung epitaktischer Schichten mit hoher Qualität sehr gut geeignet. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, d.h. x hat den Wert 0,485, liegt die Differenz der entsprechenden Gitterabstände zwischen Substrat- und Laserschichtmaterial für die ungünstigste Richtung bei nur 0,2 %, so daß Gitterfehlordnungen und Spannungen in dem Schichtsystem gering bleiben.In particular, the following are applicable to the substrate material according to the invention Advantages attributed to: The lattice adaptation between the substrate material and the laser-active NAB layer material is used to produce epitaxial layers with high quality very suitable. In the preferred embodiment of the invention, i.e. x has the value 0.485, there is the difference between the corresponding grid spacings between substrate and laser layer material for the most unfavorable direction at only 0.2%, so that lattice disorder and stress in the layer system remain low.
Da das Substratmaterial eine chemisch ähnliche Verbindung wie das Laserschichtmaterial ist, treten bei der epitaktischen Abscheidung des laseraktiven Sdtchtmaterials keine unerwünschten chemischen Reaktionen zwischen dem Substratmaterial und den Substanzen des Epitaxie-Bades auf, d.h. das Substrat ist für den Epitaxie-Prozeß chemisch stabil.Since the substrate material has a chemically similar compound to the Laser layer material occurs during the epitaxial deposition of the laser-active Sdtchtmaterials no undesirable chemical reactions between the substrate material and the substances of the epitaxial bath, i.e. the substrate is for the epitaxial process chemically stable.
Der Brechungsindex des Substratmaterials ist kleiner als der Brechungsindex der laseraktiven Schicht.The refractive index of the substrate material is smaller than the refractive index the laser-active layer.
Im Substrat sind keine fluoreszenzlöschende Ionen enthalten, die die Lichtverstärkung reduzieren würden. Besonders in sehr dünnen laseraktiven Schichten könnte durch Fluoreszenzlöschung eine Verringerungdes Verstärkungsfaktors auftreten, da der laseraktiven Schicht die Lichtenergie teilweise dadurch verloren geht, daß sie von in der Nähe der laseraktiven Schicht liegenden fluoreszenzlöschenden Ionen des Substrates aufgenommen wird.The substrate does not contain any fluorescence-quenching ions that would Would reduce light gain. Especially in very thin laser-active layers a reduction in the gain factor could occur due to fluorescence quenching, because the laser-active layer, the light energy is partially lost in that by fluorescence-quenching ions lying in the vicinity of the laser-active layer of the substrate is recorded.
Das Substratmaterial selbst zeigt im Bereich der Laserwellenlänge keine störende Absorption, eine derartige Absorption des Substrate wUrde den Verstärkungsfaktor der laseraktiven Schicht ebenfalls verringern, da das elektromagnetische Feld des in der laseraktiver Schicht geführten Lichtes exponentiell abfallend in das Substrat hineinreicht.The substrate material itself shows in the range of the laser wavelength no interfering absorption, such absorption by the substrate would reduce the gain factor also reduce the laser-active layer, since the electromagnetic field of the in the laser-active layer guided light falling exponentially into the substrate reaches in.
Im folgenden wird die Herstellung eines NAB-Wellenleiterlasers auf einem Substrat aus Gadolinium-Lanthan-Aluminium-Borat der chemischen Zusammensetzung Gdo 4ssA1: (.B03)4 beschrieben.The following describes the manufacture of an NAB waveguide laser a substrate made of gadolinium-lanthanum-aluminum-borate of the chemical composition Gdo 4ssA1: (.B03) 4 described.
Bei der Herstellung des Substrates kann von einem Verfahren ausgegangen werden, wie es in der Druckschrift H.P.Y. Hong, K. Dwight, Mat. Res. Bull. 9 (1974) 1661 - 1666 für die Züchtung von NAB-Kristallen beschrieben ist. Dieses in der Druckschrift beschriebene Verfahren wird jedoch für die Züchtung von größeren Substratkristallen modifiziert: K2S04 und MoO3 werden im Molverhältnis 1:3 als Bad in einem Platintiegel verwendet. In diesem Bad werden die Selten-Erd-Oxide Gd2O3und La203, Al203 und ein Ueberschuß 3203 im Molverhältnis 1:3:6 bei 1000 bis 12000c geläs t. Dann wird die Badlösung langsam durch Abkühlen übersättigt, die Abkühlung erfolgt mit einer Temperaturabnahme von etwa 1 0K pro Stunde. Für die Herstellung von Substrat-Kristallen mit mehreren mm Größe werden Keimkristalle zu einem Zeitpunkt kurz vor Erreichen des Sättigungsgleichgewichtes in die Schmelze getaucht. Dieser Zeitpunkt muß durch Versuche festgelegt werden. Sobald die Badlösung auf etwa 9000C abgekühlt worden ist, wird die weitere Abkühlung der Badlösung bis auf Zimmertemperatur beschleunigt, z.B. auf ca. 100K/h.A process can be used as the starting point for the production of the substrate as it is in the publication H.P.Y. Hong, K. Dwight, Mat. Res. Bull. 9 (1974) 1661 - 1666 for the cultivation of NAB crystals is described. This in the pamphlet However, the method described is used for growing larger substrate crystals modified: K2S04 and MoO3 are used in a molar ratio of 1: 3 as a bath in a platinum crucible used. In this bath, the rare earth oxides Gd2O3 and La203, Al203 and a Excess 3203 in a molar ratio of 1: 3: 6 at 1000 to 12000 ° C. Then the Bath solution slowly oversaturated by cooling, cooling takes place with a decrease in temperature of about 1 0K per hour. For the production of substrate crystals with several Seed crystals become mm in size at a point in time shortly before reaching saturation equilibrium immersed in the melt. This point in time must be determined through experiments. As soon as the bath solution has been cooled to about 9000C, the further cooling is carried out the bath solution is accelerated to room temperature, e.g. to approx. 100K / h.
Dann werden die Substratkristalle aus dem erstarrten Bad herausgelöst,z.B. durch heiße verdünnte Natron-Lauge.Then the substrate crystals are dissolved out of the solidified bath, e.g. by hot, diluted soda lye.
Vorteilhaft ist es, innerhalb des Platintiegels im Bad ein Lochblech vorzusehen, damit ist es möglich, die Substratkristalle bei ca. 9000C vom Bad zu trennen, z.B. durch Dekantieren des Bades von den Kristallen. Danach werden die Kristalle mit ca. 100 K/h auf Zimmertemperatur abgekühlt. Auf diese Weise wird das zeitlich aufwendige Herauslösen der Substratkristalle aus dem erstarrten Bad vermieden.It is advantageous to have a perforated plate inside the platinum crucible in the bathroom so that it is possible to remove the substrate crystals from the bath at approx. 9000C separate from the crystals, e.g. by decanting the bath. After that, the Crystals cooled to room temperature at approx. 100 K / h. That way it becomes Time-consuming dissolving of the substrate crystals from the solidified bath avoided.
Auf den so hergestellten Substratkristallen lassen sich laseraktive NAB-Schichten epitaktisch aufwachsen. Dazu wird ein gleichartiges Verfahren, wie oben beschrieben, benutzt: In diesem Falle werden im Bad Nd203, Al203 und B203 gelöst. Werden die Substratkristalle in diese Badlösung gebracht, erfolgt das Schichtwachstum der laseraktiven Schicht mit etwa 10 bis 50 /um/h.On the substrate crystals produced in this way, laser-active NAB layers grow epitaxially. To do this, a similar procedure is used, such as described above, used: In this case, Nd203, Al203 and B203 are dissolved in the bath. If the substrate crystals are brought into this bath solution, the layer growth takes place the laser-active layer with about 10 to 50 / um / h.
Damit ist eine laseraktive NAB-Schicht auf einem Substrat aus Gadolinium-Lanthan-Aluminium-Borat aufgebracht worden. Um einen Wellenleiterlaser herzustellen, müssen jetzt nur noch in bekannter Weise Resonator-Spiegel oder Resonator-Gitter vorgesehen werden.This means that there is a laser-active NAB layer on a substrate made of gadolinium-lanthanum-aluminum-borate been applied. To make a waveguide laser, all you have to do now is resonator mirrors or resonator grids are provided in a known manner.
Zum optischen Pumpen wird eine inkohärente Lichtquelle angebracht, vorzugsweise Leuchtdioden. Mit derartigen Lichtquellen kann die laseraktive Schicht transversal oder bngitudinal gepumpt werden.An incoherent light source is attached for optical pumping, preferably light emitting diodes. With such light sources, the laser-active layer be pumped transversely or longitudinally.
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DE2723642A1 true DE2723642A1 (en) | 1978-11-30 |
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ID=6009850
Family Applications (1)
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DE19772723642 Pending DE2723642A1 (en) | 1977-05-25 | 1977-05-25 | Waveguide laser using layer of neodymium aluminium borate - on substrate of gadolinium-lanthanum-aluminium borate |
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1977
- 1977-05-25 DE DE19772723642 patent/DE2723642A1/en active Pending
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