DE4229499A1 - Von Laserdioden gepumpter Festkörperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen von Laserdioden gepumpten Festkör­ perlaser gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Neben den bisher weit verbreiteten, lampengepumpten Festkörperlasern gewinnen die von Laserdioden gepumpten Festkörperlaser in den letzten Jahren einen immer größeren Stellenwert. Die dominierenden Vorteile dieses Laseranregungsprinzips sind die gute räumliche und spektrale Oberdeckung von Pumplicht und Lasermode im Festkörperlaser. Daraus resultieren die inzwischen hinlänglich bekannten Vorzüge des hohen Wirkungsgrades und der relativ geringen thermischen Kristallbelastung für den Festkörperlaser. Die einfache und geringe Stromversorgung der Laserdioden und deren kleine und kompakte Bauweise trägt ebenso zur immer größer werdenden Verwendung dieses Laserprinzips bei.

Die beiden bisher realisierten Anregungsmechanismen für solche von Laserdioden gepumpte Festkörperlaser sind einerseits die longitudinale und andererseits die transversale Pumplichtanordnung. Im ersten Fall wird, wie in Fig. 7 dargestellt, das Licht der Laserdiode (10) oder Laserdioden entlang der optischen Achse (12) des Festkörperlasers in den Kristall (13) eingekoppelt. Im allgemeinen wird dazu eine Kollimier- und Fokusieroptik (14) verwendet. Der Laserkristall (13) weist dazu auf der Einkoppelseite (15) eine für das Pumplicht der Laserdiode hochtrans­ mittierende und für Licht mit der Wellenlänge des Festkörperlasers hochreflektierende Beschichtung auf. Die andere Seite des Laserkristalls (6) ist für diese Wellenlänge teilreflektierend beschichtet. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in dem fast als optimal zu bezeichnenden Wirkungsgrad, bedingt durch die große Übereinstimmung von Pump- und Modenvolumen des Festkörperlasers.

Bei der zweiten Ausführungsform, der transversalen Pumpgeometrie (Fig. 8), erfolgt die Einkopplung des Pumplichts der Laserdiode (10) norma­ lerweise rechtwinklig zum Strahl (12) des Festkörperlasers. Dabei ist unter anderem die Skalierbarkeit der Laserdiodenleistung als wichtiger Vorzug dieser Technik zu betonen, da entlang der optischen Achse mehrere Laserdioden zur Steigerung der Pumpleistung relativ einfach nebeneinan­ der angeordnet werden können.

Sowohl das longitudinale als auch das transversale Anregungsprinzip wird beispielsweise von D.L. Sipes Jr. in TDA Progress Report 42-80, Oct.-Dec. 1984 beschrieben.

Beiden Verfahren sind aber gravierende Nachteile zu eigen:

• - Die Einkopplung der Laserdiodenstrahlung in den Kristall oder das Glas des Festkörperlasers ist mit Verlusten verbunden, die je nach dem, ob eine Pumpoptik verwendet wird, und wie hochwertig deren Qualität ist, mehrere 10% betragen kann.
• - Die Laserdioden und die eventuell verwendete Pumpoptik müssen sehr genau justiert werden, um eine hohe Ausgangsleistung des Festkörper­ lasers und damit einen optimalen Wirkungsgrad des Lasersystems zu erzielen.
• - Durch die mechanische Trennung von Laserdiode, Transferoptik und Laserkristall ergeben sich immer fertigungs- und montagetechnische Probleme; außerdem ist ein solcher, konventionell hergestellter von Laserdioden gepumpter Festkörperlaser empfindlich gegen mechanische Dejustierung der einzelnen optischen Komponenten, insbesondere von Pumpeinheit und Laserkristall. Dadurch kann sowohl die Zuverlässig­ keit unter realen Betriebsbedingungen als auch die Frequenzstabili­ tät des diodengepumpten Festkörperlasers leiden.
• - Auch beim transversalen Pumpen ist die erzielbare Packungsdichte der Laserdioden (Pumpleistung bezogen auf das Volumen des Laser­ kristalls) aufgrund der mechanischen Abmessungen der einzelnen Komponenten nicht sehr hoch.
• - die Vorteile beider bisher verwirklichter Pumpsysteme, (hohe Effi­ zienz bei skalierbarer Pumpleistung) lassen sich nur schwer mitein­ ander kombinieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen von Laser­ dioden gepumpten Festkörperlaser zu schaffen, der eine weitgehend verlustlose Strahleinkopplung in den Kristall und eine optimale Fre­ quenzstabilität sowie eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind weitere Ausführungsformen und Modifikationen erläutert und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figuren der Zeichnung skiz­ ziert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht eines Ausführungsbeispiels eines Laserkristalls mit Wellenleiter in schematischer Dar­ stellung,

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht eines anderen Ausführungs­ beispiels mit Mikrokühler in schematischer Darstellung,

Fig. 3a eine perspektivische Teilansicht eines dritten Ausführungs­ beispiels eines Laserkristalls mit rundem Kühlkanal in schema­ tischer Darstellung,

Fig. 3b eine perspektivische Teilansicht eines vierten Ausführungs­ beispiels eines Laserkristalls mit rechteckigem Kühlkanal in schematischer Darstellung,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Laserkristalls mit zylindrischem Querschnitt in schematischer Darstellung,

Fig. 5 eine Ausführungsform gemäß Fig. 4 jedoch mit einem zentralen Kühlkanal,

Fig. 6 ein plattenförmiges Ausführungsbeispiel mit oberflächenemittie­ renden Laserdioden über einen p-n-Übergang des Lasermaterials,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik für eine longitudinale Strahleinkopplung,

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik für eine transversale Strahleinkopplung.

Wie in Fig. 1 veranschaulicht, befinden sich (grundsätzlich eine sehr große Anzahl) Laserdioden 1 direkt auf der Oberfläche 3 des (prinzipiell auf jede Art geformten) Laserkristalls 2. Der Aufbau der Laserdioden unterscheidet sich bei dieser Erfindung aber grundlegend von dem der bisher kommerziell erhältlichen. Während bei letzteren die Auskopplung der Laserdiodenstrahlung im allgemeinen an einem oder beiden Enden des zu einem Wellenleiter ausgebildeten aktiven Bereichs der Laserdiode erfolgt, sollen bei der hier beschriebenen Erfindung beide Endflächen 4 der Laserdioden durch eine optisch hochreflektierende Vergütung prak­ tisch kein Licht austreten lassen. Die Auskopplung der Laserdioden­ strahlung erfolgt einzig entlang der aktiven Zone 5 direkt in den Laserkristall 3 hinein über den als "leckbehafteten Wellenleiter" 6 ausgeführten aktiven Bereich.

Wie allgemein bekannt und zum Beispiel von P. Howerton et al. in IEEE J. Q. E., Vol. 28, No. 4, April 1992, pp 1081 beschrieben, beschränkt sich die Verteilung des elektromagnetischen Feldes in einem Wellenleiter nicht alleine auf die aktive Zone, sondern dringt in den Randbereichen des Wellenleiters teilweise tief in die umgebenden Bereiche ein. Diese Eindringtiefe ist abhängig von den elektrooptischen Eigenschaften und der Dicke des Wellenleiters und der an den Wellenleiter angrenzenden Materialien, wie komplexen Brechungsindex, Dieelektrizitätskonstante und magnetischer Permeabilität. Sie läßt sich mit den Maxwell′schen Glei­ chungen berechnen, und ist die physikalische Grundlage für die heute allgemein übliche Phasenkopplung von Laserdiodenarrays. Dieses Ein­ dringen des elektrischen Feldes der Pumpdiodenstrahlung in den nun in unmittelbarer Nähe zur aktiven Zone gebrachten Laserkristall soll in dieser Erfindung als Pumpmechanismus ausgenutzt werden.

Eventuell kann der Resonator der Laserdiode um einen alleine licht­ führenden Wellenleiter 6 auf ein paar Millimeter Länge vergrößert sein, um eine größere Wechselwirkungslänge zu erzielen.

Die Anpassung des richtigen Auskoppelgrades der Laserdioden muß einer­ seits über den Brechungsindex und die Dicke der Substratschicht zwischen aktiver Zone der Laserdiode und dem Laserkristall, andererseits über die Länge des Wellenleiters geschehen.

Voraussetzung für dieses Pumpprinzip ist allerdings das direkte Auf­ wachsen des Halbleitermaterials der Laserdioden auf dem Laserkristall oder -glas, um einen hinreichend kleinen Abstand zwischen Laserkristall und aktiver Zone der Laserdiode im Bereich von einigen Mikrometern zu erzielen. Dies ist am besten zu bewerkstelligen, wenn das Festkörper­ lasermaterial gewissermaßen als Substrat für den Epitaxieprozeß ver­ wendet wird. Ebenso denkbar ist aber auch ein Aufwachsen des Laser­ kristalls auf den fertig strukturierten Laserdioden.

Dem dabei entstehenden Übergang zwischen Festkörperlasermaterial und dem Halbleitersubstrat ist auch aus herstellungstechnischen Gründen beson­ dere Aufmerksamkeit zu widmen. Zum einen muß das epitaktisch aufge­ brachte Halbleitermaterial genügend haften, ohne die Ausbreitung des elektromagnetischen Feldes in den Laserkristall zu behindern, zum anderen darf sich diese Verbindung auch bei unterschiedlichen thermi­ schen Belastungen und den damit verbundenen verschiedenen thermischen Ausdehnungen nicht lösen. Dies kann man durch die Anpassung der therm­ ischen Ausdehnungskoeffizienten von Festkörperlaser- und Halbleiter­ material erreichen.

Ähnliche Sorgfalt muß man auch bei der ebenso denkbaren, nachträglichen Montage von vorgefertigten Dioden auf dem Laserkristall walten lassen.

Die Kühlung der Laserdioden (und auch des Laserkristalls) kann über ein an der Kristall- und/oder Diodenseite angebrachtes Peltierelement oder über Mikrokühler 7 erfolgen.

Eine kompliziertere, aber technisch noch elegantere Variante der vor­ liegenden Erfindung ist die abwechselnd zeilenweise Anordnung von Laserdioden 1 und Mikrokühlern 7 auf der Kristalloberfläche 3, um sowohl die Verlustwärme des Laserkristalls 2 als auch die der Laserdioden 1 effektiv abzuführen. Diese Variante ist in Fig. 2 dargestellt.

Ebenso durchführbar ist auch eine Konfiguration mit einem Kühlkanal 8 im Laserkristall 2 mit rechteckigem Querschnitt. Der Laserkristall kann dabei aus einem Stück gefertigt und ausgebohrt sein, oder aber wird aus vier Einzelteilen zusammengesetzt, wie in Fig. 3a und 3b veran­ schaulicht.

Mit einigem technischen Aufwand ist es auch möglich, die Laserdioden 1 auf der Mantelfläche 3 eines zylinderförmigen Laserkristalls 2 auf­ wachsen zu lassen oder zu montieren. Der Vorteil dieses Prinzips liegt darin, daß in diesem Fall der Festkörperlaser aufgrund der rotations­ symmetrischen Laserkristall- und Pumpanordnung zwangweise und ohne weitere Maßnahmen eine rotationssymmetrische Lasermode bevorzugen wird, welche eine einzige, Gauß′förmige Intensitätsverteilung des Lichtes besitzt. Dieses Strahlprofil wird in allen Anwendungen gefordert, bei denen nicht alleine auf die Ausgangsleistung, sondern auch auf die Strahlqualität eine wichtige Laserspezifikation darstellt. Dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 veranschaulicht. Durch abwechselnd montierte Laserdioden wird das Pumplicht in Strahlrichtung fast homogen verteilt. Zu beachten ist in diesem Fall aber, daß die Wärme aus dem Laserkristall durch die Laserdioden hindurch abgeführt werden muß.

Als weitere Ausführungsform bietet sich auch hier wieder an, die ent­ stehende Verlustwärme analog zu Fig. 3a und 3b durch einen Kühlkanal 8 in der Mitte des Laserkristalls 2 abzuführen. Diese Bauform ist in Fig. 5 dargestellt.

Eine zusätzliche, in Fig. 6 dargestellte Möglichkeit der Herstellung und Einkopplung in das Festkörper-Lasermaterial (10) bieten die soge­ nannten "surface emitting diodes". Diese oberflächenemittierenden Laserdioden 1 strahlen ihr Licht parallel zum Stromfluß über den p-n-Übergang des Halbleitermaterials ab. Mit diesen Dioden entfiele die Anpassung der Schichten zwischen aktiver Zone der Laserdiode 1 und dem Laserkristall für das Übersprechen aus dem Wellenleiter der Laserdiode, und die Epitaxieverfahren dürften sich vereinfachen. Solche "surface emitting diodes" sind sogar mit Abstrahlung des Laserlichts in das Substratmaterial hergestellt worden, wie z. B. von R. Geels et al. in J.Q.E., Vol. 27, No. 6, June 1991, pp 1359 beschrieben ist.

Auf diese Weise ist es möglich, bei minimalen Einkoppelverlusten einen äußerst kompakten, Laserdioden-gepumpten Festkörperlaser zu bauen, der schon bei der Herstellung (oder Montage) der Laserdioden 1 fertig justiert ist und, bedingt durch die feste Verbindung von Pumpdiode und Laserkristall, völlig unabhängig von äußeren Störeinflüssen bleibt.

Claims (14)

1. Von Laserdioden gepumpter Festkörperlaser, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere bis viele Laserdioden (1) direkt auf der Oberfläche eines beliebig geformten Laserkristalls (2) oder Festkörper-Lasermaterials (10) aufgewachsen oder kontaktiert sind, wobei die als Pumplichtquellen verwendeten Laserdioden (1) als "leckbehaftete Wellenleiter" ausgebildet sind, bei denen die Auskopplung der Laserdiodenstrahlung nur entlang der aktiven Zone (5) direkt in den Laserkristall (2) erfolgt und so eine direkte Pumplichteinstrahlung über den Wellenleiter der Laserdiode (1) durchführbar ist.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumplicht-Laserdioden (1) so ausgeführt sind, daß die Dicke der Substrat­ schicht der Laserdiode, sowie die Brechungsindizes, Dielektrizitäts­ konstanten und magnetischen Permeabilitäten von Substratschicht und aktiver Zone (5) der Laserdiode (1) und dem Festkörperlasermaterial (2, 10) so angepaßt sind, daß ein hinreichend großes Übersprechen stattfindet, welches gleichzeitig den Auskoppelmechanismus für die Laserstrahlung der Laserdioden (1) darstellt.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Endflächen (4) der Laserdioden (1) zur Verhinderung eines Lichtaustritts mit einer optisch hochreflektierenden Vergütungsschicht versehen sind.

4. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wellenleiter-Struktur der Laserdioden (1) oder Pump­ laserdioden durch einen Wellenleiterbereich (6) ohne aktive Lasertätigkeit vergrößert ist.

5. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Halbleitermaterial der Laserdioden (1) direkt auf dem Laserkristall (2) oder Laserglas aufgebracht wird.

6. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Festkörper-Lasermaterial mit einen oder mehreren Kühl­ kanälen versehen ist.

7. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Halbleitermaterial auf dem Festkörpermaterial epitak­ tisch und gut haftend aufgebracht ist und beide Materialien einen zueinan­ der gut angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.

8. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das festkörpermaterial direkt - z. B. epitaktisch - auf das Halbleitermaterial aufgebracht ist.

9. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Festkörper-Lasermaterial aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt ist, derart, daß ein oder mehrere Hohlräume (8) zum Durchfluß eines Kühlmittels entstehen.

10. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Festkörper-Lasermaterial (2) zylindrisch ausgebildet ist und die Laserdioden (1) auf dessen Mantelfläche (3) kontaktiert sind.

11. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der als Zylinder ausgeführte Laserkristall (2) ein oder mehrere Kühlkanäle (8) in axialer Richtung besitzt.

12. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdioden als oberflächenemittiernde Laserdioden (1) ausgebildet sind und direkt auf das Festkörper-Lasermaterial aufgebracht und fest miteinander kontaktiert sind, so daß das Festkörper-Lasermaterial durch die Strahlung der Laserdioden (1) direkt optisch angeregt wird.

13. Festkörperlaser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß, ein Festkörper-Lasermaterial auf oberflächenemittierende Laserdioden (1) aufgebracht ist, so daß das Festkörper-Lasermaterial durch die Strahlung der Laserdioden optisch angeregt wird.

14. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörper-Lasermaterial in einen optischen Resonator eingebracht ist, oder als monolithischer Laserresonator dielek­ trisch beschichtet ist.