DE4416607C2 - Vorrichtung zur Verdopplung der Laserfrequenz einer Halbleiterlaserdiode - Google Patents

Vorrichtung zur Verdopplung der Laserfrequenz einer Halbleiterlaserdiode

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verdopplung der Laserfrequenz einer Halbleiterlaserdiode nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Laserquelle anzuge­ ben, die raum- und energiesparend ist und Laserlicht mit möglichst kurzen Wellenlängen abgeben kann.
Die Erfindung betrifft den Bereich der Nichtlinearen Optik. In vielen Bereichen der Technik, z. B. optisches Einlesen von Daten (CD-ROM) oder Interferometrie, wird eine Laserlichtquelle mit möglichst kur­ zen Wellenlängen benötigt. Die Laserquelle soll zudem raumsparend, lang­ lebig, billig zu produzieren und energiesparend sein. Bei roten und infraro­ ten Wellenlängen werden alle diese Anforderungen von Halbleiterlaserdioden erfüllt. Momentan sind keine Materialien bekannt, die diese Anforderungen für kürzere Wellenlängen (gelb bis ultraviolett) erfüllen.
Eine Möglichkeit, diesen Mißstand zu beheben, besteht darin, die emit­ tierte Wellenlänge einer Halbleiterlaserdiode zu halbieren bzw. ihre Frequenz zu verdoppeln. Da es sich bei der Verdopplung der Frequenz einer elektro­ magnetischen Welle um einen nichtlinearen Prozeß handelt, werden hohe Lichtintensitäten benötigt, um hohe Konversionseffizienzen zu erzielen. In dem frequenzverdoppelnden Medium muß dabei Phasenanpassung herrschen, d. h. die Brechungsindizes für Grundwelle und frequenzverdoppeltem Licht müssen übereinstimmen. In doppelbrechenden Kristallen kann dies durch Wahl der Einstrahlrichtung und Polarisation erreicht werden.
Dazu wird nach heutigem Stand der Technik das frequenzverdoppelnde Medium in einen externen Resonator eingebracht. Frequenzverdoppelung von Licht besitzt in der Regel nur einen geringen Wirkungsgrad, so daß schon eine geringe Abweichung in den Resonanzfrequenzen der Laserquelle und des externen Resonators zu hohen Intensitätseinbußen führt. Die Differenz in den optischen Weglängen beider Resonatoren darf dabei höchstens in der Größenordnung von Nanometern liegen. Einer der beiden Resonatoren muß daher ständig mit extrem hoher Genauigkeit nachgeregelt werden wie z. B. in der gemäß EP 0 486 192 A2 beschriebenen Vorrichtung.
Verwendet man als frequenzverdoppelndes Medium periodische Struk­ turen, deren halbe Periodenlänge einem ungeradzahligen Vielfachen der Kohärenzlänge des nicht frequenzverdoppelten Lichtes im Medium entspricht (siehe US Patent 5,247,528), so läßt sich damit ebenfalls Phasenanpas­ sung erreichen. Man spricht hier von Quasiphasenanpassung (quasi-phase-matching), um diese Methode von der Phasenanpassung durch korrekte Wahl von Einstrahlrichtung und Polarisation zu unterscheiden. Solche periodischen Strukturen zu erzeugen, ist technisch jedoch äußerst schwierig.
Wünschenswert wäre eine Vorrichtung, die eine hohe Konversionseffizi­ enz ermöglicht, technisch mit möglichst einfachen Mitteln herzustellen ist und auf die oben angesprochene, hochkomplizierte Frequenzregelung verzich­ tet. Hierzu werden in der vorliegenden Erfindung das Lasermedium und das frequenzverdoppelnde Medium gemeinsam in einem Resonator angeordnet. Das frequenzverdoppelnde Medium ist dabei so orientiert, daß Phasenanpas­ sung eintritt. Wegen der hohen Verstärkung einer Halbleiterlaserdiode reicht die Reflexion an der Grenzfläche Halbleiter/Luft aus, um den Laserprozeß zu ermöglichen. Diese Reflexion muß unterbunden werden, um das frequenzver­ doppelnde Medium in den Laserresonator einbringen zu können.
Dazu wird eine Halbleiterlaserdiode, wie in Abb. 1 erläutert, beste­ hend aus Lasermedium (2) mit aktiver Schicht (2a), Ohmschen Kontakt (3) und Kühlkörper mit zweitem Ohmschen Kontakt (1), mit einer dielektrischen Schicht (5) versehen, die die Reflexion der Lasergrundwelle (nicht verdoppel­ te Frequenz) an der Grenzfläche Halbleiter (2)/frequenzverdoppelndes Me­ dium (4) verhindert. Zur Erhöhung der Resonatorgüte, damit Erhöhung der Grundwellenintensität und damit automatisch Erhöhung der Konversionseffi­ zienz werden die der entspiegelnden Schicht gegenüberliegenden Seitenflächen (6) und (7) für die Grundwelle verspiegelt. Die Schicht am frequenzverdop­ pelnden Medium (7) muß dabei für die verdoppelte Frequenz durchlässig sein.
Eine weitere Erhöhung der Konversionseffizienz wird durch die Form­ gebung der Grenzflächen Halbleiter/frequenzverdoppelndes Medium und frequenzverdoppelndes Medium/Umgebung erreicht. Die Formgebung der Grenzfläche Halbleiter/frequenzverdoppelndes Medium ergibt einen Linsen­ effekt, der für einen konvergenten Strahlengang im frequenzverdoppelnden Medium sorgt. Die Grenzfläche frequenzverdoppelndes Medium/Umgebung ist so geformt, daß sie die Grundwelle in sich zurückreflektiert und somit die Resonatoreigenschaft der Vorrichtung aufrechterhält. Diese Form der Grenz­ fläche hat weiterhin den Vorteil, daß die Divergenz der emittierten Strahlung verringert wird.
Eine mögliche Ausführung der Erfindung wäre die folgende: Der Bre­ chungsindex des Schichtmaterials nS (5) ist das geometrische Mittel aus den Brechungsindizes des Lasermediums nL (2) und des frequenzverdoppelnden Medium NV (4), wobei alle Brechungsindizes für die Polarisation und Wel­ lenlänge der Grundwelle zu nehmen sind:
Die Dicke d der Schicht (5) beträgt ein Viertel der Grundwellenlänge des Lasermediums λG dividiert durch den Brechungsindex des Schichtmaterials nS:
Als Halbleiterlasermedium wird Galliumarsenid (GaAs) verwendet (nL = 3, 6). Damit ist die Wellenlänge der Grundwelle λG = 880 nm (infrarot) und die Wellenlänge der emittierten Strahlung λG/2 = 440 nm. Als frequenz­ verdoppelndes Medium wird Beta-Bariumborat (BBO, nV = 1,66 bei 880 nm) verwendet. Um Phasenanpassung zu erhalten, muß der Winkel zwischen Einstrahlrichtung und Kristallachse des BBO 26,6° betragen. Damit ergibt sich für die dielektrische Schicht (5) ein Brechungsindex nS = 2,44 und eine Dicke d = 90 nm. Als Material kommt z. B. Zinkselenid (ZnSe) infrage.
Da Gold für infrarotes Licht eine hohe Reflektivität besitzt, für blaues Licht jedoch durchlässig ist, werden für (6) und (7) dünne Goldschichten (circa 100 nm dick) verwendet.
Die Krümmungsradien der geformten Grenzflächen hängen von den Strahlparametern der Laserdiode ab. Die Radien müssen so klein sein, daß die Divergenz der aus der Laserdiode emittierten Strahlung mindestens kom­ pensiert wird.
Bezugszeichenliste
1 Kühlkörper mit Ohmschem Kontakt
2 Halbleiterlasermedium
2a aktive Schicht des Lasermediums
3 Ohmscher Kontakt
4 frequenzverdoppelndes Medium
5 dielektrische Schicht
6 für die Grundwelle verspiegelte Schicht
7 wie 6, für verdoppelte Frequenz durchlässig
8 Strahlengang

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Verdopplung der Laserfrequenz einer Halbleiterlaserdiode mittels eines frequenzverdoppelnden Mediums, welches in den Resonator­ raum der Halbleiterlaserdiode eingebracht ist, wobei das Diodenmaterial (2) auf seiner, dem frequenzverdoppelnden Medium (4) zugewandten Seite mit einer dielektrischen, für die nicht verdoppelte Laserfrequenz entspiegelten Schicht (5) versehen ist, und auf seiner dem Medium (4) abgewandten Sei­ te für die nicht verdoppelte Laserfrequenz verspiegelt ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • a) die dielektrische, für die nicht verdoppelte Laserfrequenz entspiegelte Schicht (5) steht in direktem Kontakt zwischen. Diodenmaterial (2) und frequenzver­ doppelndem Medium (4),
  • b) das frequenzverdoppelnde Medium ist auf seiner dem Diodenmaterial (2) abgewandten Seite mit einer Schicht (7) versehen, die für die nicht verdop­ pelte Laserfrequenz als Verspiegelung wirkt und für die verdoppelte Laser­ frequenz durchlässig ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ver- bzw. entspiegelten Flächen der­ art geformt sind, daß im frequenzverdoppelnden Medium (4) ein konvergenter Strahlengang (8) erreicht wird.
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