DE60017594T2

DE60017594T2 - Wellenleiter-laser-vorrichtung

Info

Publication number: DE60017594T2
Application number: DE60017594T
Authority: DE
Inventors: Gary Malvern Cook
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1999-12-03
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2020-12-02
Also published as: JP2003515958A; US6879604B2; US20030048815A1; ATE287583T1; AU1539001A; DE60017594D1; WO2001041265A1; EP1236251A1; EP1236251B1; GB9928475D0

Description

Diese Erfindung betrifft Laser sowie Vorrichtungen und optische Systeme, die Raman-Laser enthalten. Sie betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich Dauerstrichlaser, z. B. Raman- Dauerstrichlaser.
Es ist bekannt, Laserlicht durch Pumpen eines großen Lasereinkristalls mit Licht einer geeigneten Wellenlänge herzustellen. Es sind Raman-Festkörperlaser bekannt, die ferner einen großen Einkristall aus einem Raman-Lasermaterial verwenden. Es ist bekannt, Glasfasern vorzuschlagen, die aus Glas hergestellt sind und (wenn sie optisch gepumpt werden) Raman-Laserlicht erzeugen, wenn es Kilometer der Faser gibt. Außerdem ist in JP62219992 eine Raman-Halbleiterlaservorrichtung beschrieben, die einen Laserresonator umfasst, der eine Schicht aus einem Raman-Effekt-Material enthält.
JP-A-04190013 offenbart eine Laservorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine weitere Laservorrichtung zu schaffen.
Gemäß einem ersten Aspekt umfasst die Erfindung gemäß Anspruch 1 eine Laservorrichtung mit einem Substrat, das einen hergestellten lang gestreckten Wellenleiter aus einem Raman-Material trägt, der im Gebrauch Stokes- und/oder Anti-Stokes-Emissionen erzeugen kann und der eine Länge in der Größenordnung von einem Meter oder länger besitzt.
Somit ist kein großer Einkristall aus dem Lasermaterial erforderlich: Ein Wellenleiter aus dem Lasermaterial wird auf einem Substrat hergestellt. Der Wellenleiter wird in situ auf dem Substrat hergestellt.
Vorzugsweise wurde das Raman-Material auf dem Substrat oder mit dem Substrat verbunden abgelagert. Vorzugsweise wurde der Wellenleiter aus dem Lasermaterial aus einer zweidimensionalen Schicht maschinell bearbeitet. Vorzugsweise besitzt der Wellenleiter einen gefalteten Weg. Vorzugsweise gibt es auf einem verhältnismäßig kleinen Bereich des Substrats eine verhältnismäßig große Länge des Wellenleiters. Vorzugsweise definiert der Wellenleiter einen gewundenen Weg, von dem wenigstens ein Abschnitt im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegt. Dies kann zu einem großen Oberflächeninhalt einer Anordnung der Faser führen, was eine gute Wärmeableitung ermöglichen kann. Vorzugsweise besitzt das Substrat eine ebene Oberfläche, die eine Ebene einnimmt, wobei der Wellenleiter auf der Ebene, im Wesentlichen auf der Ebene oder in der Ebene liegt. Vorzugsweise besitzt der Wellenleiter mehrere Linienabschnitte, die im Wesentlichen demselben Weg folgen, aber beabstandet sind. Die Linienabschnitte können im Wesentlichen in einer Geraden verlaufen oder können in einem im Allgemeinen spiralförmigen, kreisförmigen oder gebogenen Weg verlaufen. Der Wellenleiter kann eine Anordnung von Linien bilden. Der Wellenleiter besitzt eine Länge in der Größenordnung von einem Meter oder länger.
Vorzugsweise besitzt die Laservorrichtung einen Körper, der das Substrat und den Wellenleiter umfasst, wobei der Körper eine Außenoberfläche besitzt, deren wesentlicher Oberflächeninhalt gekühlt werden kann, wobei wenigstens Teile des Wellenleiters nahe genug bei der Oberfläche sind, um im Gebrauch effektiv gekühlt zu werden. Die Vorrichtung kann eine zum Kühlen der Oberfläche vorgesehene Kühleinrichtung enthalten. Die Oberfläche kann im Wesentlichen eben sein oder könnte gekrümmt sein. Der Körper kann beabstandete im Allgemeinen parallele Oberflächen haben, zwischen denen der Wellenleiter vorgesehen ist. Die Vorrichtung kann einen plattenartigen Körper umfassen.
Die Vorrichtung kann einen Wellenleiter mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 100 μm oder weniger und vorzugsweise in der Größenordnung weniger Mikrometer, z. B. 1–10 μm, am meisten bevorzugt um 5 μm, enthalten.
Teile des Wellenleiters an verschiedenen Punkten entlang seiner Länge können, vorzugsweise mit einem Abstand in der Größenordnung weniger Mikrometer oder in der Größenordnung von mehreren zehn Mikrometern oder in der Größenordnung von hunderten Mikrometern, voneinander benachbart liegen. Die Linienabschnitte können durch einen Abstand in der Größenordnung weniger Mikrometer (oder weniger) oder in der Größenordnung von mehreren zehn Mikrometern oder in der Größenordnung von hunderten Mikrometern oder mehr voneinander beabstandet sein.
Die Vorrichtung kann eine integrierte Diode umfassen, die in situ oder auf dem Substrat vorgesehen ist. Die Diode kann eine Festkörperlaserdiode sein, die ihr Laserlicht in den Wellenleiter abgeben kann. Die Diode kann einen Halbleiterlaser umfassen.
Das Lasermaterial umfasst Raman-Lasermaterial. In dem Wellenleiter kann es mehr als eine Art Raman-Lasermaterial geben. Alternativ oder zusätzlich können die Wellenleiter mit einer ersten Zusammensetzung mit Wellenleitern einer zweiten, anderen Zusammensetzung gekoppelt sein. Dies kann die Anzahl der im Gebrauch erzeugten Raman-Linien erhöhen.
Vorzugsweise gibt es eine Schutzbeschichtung, einen Schutzmantel oder eine Schutzabdeckung, die bzw. der über dem Wellenleiter verläuft. Vorzugsweise ist die Schutzbeschichtung ein Glas oder Polymer. Das Substrat kann ebenfalls Glas sein. Die Schutzbeschichtung besitzt einen anderen Brechungsindex zu dem Lasermaterial. Die Schutzbeschichtung oder Schutzabdeckung kann aus dem gleichen Material wie das Substrat hergestellt sein oder kann bei der Arbeitswellenlänge der Vorrichtung im Wesentlichen einen ähnlichen Brechungsindex wie das Substrat besitzen. Der Brechungsindex des Wellenleiters und der des Mantels können in der Größenordnung von 0,1 oder mehr (oder weniger) verschieden sein oder können in der Größenordnung von 0,01 oder mehr (oder weniger) verschieden sein oder können in der Größenordnung von 0,001 oder mehr (oder weniger) verschieden sein.
Die Vorrichtung kann einen dreidimensionalen Körper umfassen. Der Wellenleiter kann auf, in oder in der Nähe wenigstens einiger der Außenoberflächen des Körpers vorgesehen sein oder wenigstens einigen der Außenoberflächen folgen.
Die Vorrichtung kann mehrere Körper umfassen, von denen jeder einen Wellenleiter besitzt, der in oder auf einem Substrat ausgebildet ist, wobei die Wellenleiter der Körper funktional gekoppelt sind.
Die Vorrichtung kann einen ersten Körper oder ein erstes Gebiet haben, wo das Raman-Lasermaterial von einer ersten Art ist, und einen zweiten Körper oder ein zweites Gebiet haben, wo das Raman-Lasermaterial von einer zweiten, anderen Art ist.
Die Vorrichtung kann einen Pumplaser besitzen. Die Vorrichtung kann durch Licht, das in dem Gebiet des Wellenleiters, wo das Licht eintritt, in einer Richtung, die allgemein parallel zu der lang gestreckten Richtung des Wellenleiters ist, oder das an der Stelle, an der das Licht auf ihn auftrifft, quer zu (z. B. im Wesentlichen normal zu) der lang gestreckten Richtung des Wellenleiters auftrifft, auf die lang gestreckte Länge des Wellenleiters auftrifft; durch Licht, das auf eine ebene Anordnung des Wellenleiters auftrifft, die quer zu der Ebene der Anordnung ist; oder durch Licht, das auf eine ebene Anordnung des Wellenleiters auftrifft, die allgemein in der Ebene der Anordnung liegt, gepumpt werden können.
Die Vorrichtung kann eine Eingangslinse und/oder eine Ausgangslinse besitzen. Vorzugsweise ist die Vorrichtung eine Dauerstrich-Laservorrichtung, wobei sie aber eine Impulslaservorrichtung sein könnte.
Gemäß einem zweiten Aspekt umfasst die Erfindung gemäß Anspruch 13 ein Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung, das das Bilden eines lang gestreckten Wellenleiters mit einer Länge in der Größenordnung von einem Meter oder länger aus einem Raman-Material auf oder in einem Substrat umfasst, wobei das Raman-Material Stokes- und/oder Anti-Stokes-Emissionen erzeugen kann.
Anstatt eine lange Glasfaser oder einen langen Kristall aus Lasermaterial zu ziehen, soll der Wellenleiter somit durch ein Substrat abgestützt gebildet werden.
Der Wellenleiter kann als ein lang gestreckter Wellenleiter direkt auf dem Substrat abgelagert werden. Alternativ kann der Wellenleiter aus einer Schicht aus Lasermaterial dadurch hergestellt werden, dass Gebiete des Lasermaterials von der Schicht entfernt werden. Somit ist eine Art der Betrachtung eines Teils der Erfindung die Bildung eines im Wesentlichen eindimensionalen Wellenleiters aus einer im Wesentlichen zweidimensionalen Platte oder Schicht aus Lasermaterial.
Das Verfahren kann das Verbinden einer Schicht aus Lasermaterial mit dem Substrat umfassen. Die Dicke der Schicht kann durch eine Dickenverringerungsoperation wie etwa Polieren verringert werden. Eine Schicht mit der gewünschten Dicke kann durch eine Materialablagerungstechnik wie etwa Zerstäuben, Ionenplattieren, durch eine Epitaxieablagerungstechnik (z. B. Dampf- oder Flüssigphase) oder durch irgendeine andere geeignete Technik abgelagert werden. Die (als Partikel abgelagerte oder als eine vorgeformte Schicht in großen Mengen angebrachte) Schicht kann eine Tiefe haben, die als der Durchmesser des Wellenleiters gewählt ist. Die Schicht kann eine Tiefe von etwa 5 μm haben und liegt vorzugsweise im Bereich von 1 μm bis 10 oder 20 μm, könnte aber dünner oder dicker sein.
Die Schicht aus Lasermaterial kann so strukturiert werden, dass ein lang gestreckter Wellenleiter hergestellt wird. Die Strukturierung kann eine Mikro-Materialbearbeitung unter Verwendung einer bekannten Mikro-Materialbearbeitungstechnik wie etwa eines Ätzprozesses oder z. B. des Ionenstrahlätzens, des Laserätzens, des chemischen Photolithographieätzens oder einer anderen Ätz-Materialentfernungstechnik umfassen.
Die Strukturierung kann die Schaffung eines gefalteten Wegs aus Lasermaterial, vorzugsweise eines Linienmusters aus Lasermaterial, möglicherweise einer Anordnung von Linien, umfassen. Die Linien können Teile desselben Wellenleiters umfassen, wobei benachbarte Linien gebildet werden können, die allgemein in derselben Richtung verlaufen.
Über dem gebildeten Wellenleiter kann ein Schutzmantel oder eine Schutzbeschichtung aufgetragen werden. Der Mantel kann eine Schicht aus Glas oder aus einem Polymermaterial umfassen.
Das Verfahren kann das Anbringen einer Laserdiode auf dem Substrat oder das Erzeugen einer Laserdiode in oder an dem Substrat und das Koppeln des Wellenleiters mit der Diode umfassen. Es ist klar, dass es möglich sein kann, eine Laserdiode und/oder den Wellenleiter durch geeignetes Dotieren des Substrats zu erzeugen, falls das Substrat ein Halbleitermaterial wie etwa Silicium ist.
Das Verfahren kann das Erzeugen von Linien aus Lasermaterial umfassen, die über eine oder mehrere Oberflächen eines dreidimensionalen Körpers verlaufen.
Das Verfahren kann das Herstellen eines Laserkörpers durch Koppeln der Wellenleiter mehrerer kleinerer Körper miteinander umfassen. Die gekoppelten kleineren Körper können einen größeren Körper bilden, der den Wellenleiter besitzt, der in dem Hauptvolumen des größeren Körpers verläuft. Die Körper können dasselbe oder verschiedene Lasermaterialien besitzen. Alternativ oder zusätzlich kann das Lasermaterial eines Laserkörpers mehr als eine Art Lasermaterial umfassen, wodurch die Fähigkeit geschaffen wird, verschiedene Raman-Emissionslinien/Raman-Strahlung zu haben.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren das Ablagern einer Oberflächendünnschicht aus Lasermaterial und das Entfernen von Teilen der Dünnschicht, so dass ein Wellenleiter zurückbleibt, der vorzugsweise über die Oberfläche mäandriert.
Gemäß einem dritten Aspekt umfasst die Erfindung gemäß Anspruch 23 die Verwendung von Mikro-Materialbearbeitungs-Strukturierungstechniken oder Ionendiffusionstechniken zur Herstellung eines lang gestreckten Wellenleiters mit einer Länge in der Größenordnung von einem Meter oder länger aus einer Dünnschicht oder Schicht aus Raman-Lasermaterial, um eine Raman-Laservorrichtung herzustellen.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Verwendung von Mikro-Materialbearbeitungstechniken zur Herstellung eines Wellenleiters.
Der Brechungsindex eines Teils des Substratmaterials kann geändert werden, um einen Laserwellenleiter zu erzeugen.
Der Brechungsindex des Substratmaterials kann geändert werden durch:

(i) Entfernung des Substratmaterials in bestimmten Gebieten, um z. B. einen Wellenleiter aus Substratmaterial zurückzulassen, wobei der Brechungsindex der zu dem Wellenleiter benachbarten Gebiete durch Ändern des Materials selbst vom Originalsubstratmaterial z. B. in ein nicht lineares Material (z. B. eine Schutzbeschichtung, die nach der Entfernung des Lasersubstratmaterials aufgetragen worden ist) geändert wird; oder
(ii) Ablagerung von Lasermaterial auf dem Substrat zur Schaffung eines anderen Materials als der Laserweg (z. B. Ändern des Substratmaterials/Darüberlegen eines Wellenleitermaterials); oder
(iii) Diffusion/Wandern von Substanzen in Teile oder aus Teilen des Substrats, um die Materialzusammensetzung eines Teils des Substrats zu ändern, um einen Laserwellenleiter in dem Material des Substrats zu erzeugen.

Die Option (iii) könnte die Verwendung eines Musters zum Ändern des Wesens des Substrats in ein entsprechendes Muster umfassen. Das Muster könnte unter Verwendung einer Maske aufgetragen werden. Die Wanderung der Substanzen könnte die wahlweise Eindiffusion/Einwanderung von Substanzen (z. B. Ionen) in das Substrat (z. B. Ionen, die in ausgewählten Gebieten eindiffundieren, die den Wellenleiterpfad definieren) sein. Alternativ könnte die Wanderung eine wahlweise Ausdiffusion von Substanzen aus dem Substrat in ausgewählten Gebieten sein, um einen Weg für den Laserwellenleiter zu definieren.
Die Diffusionstechnik könnte eine thermische Diffusion sein. Die Ionen könnten Metallionen (z. B. Titan) oder Halbmetallionen oder Übergangsmetallionen sein.
Das Verfahren kann das Auftragen einer Beschichtung oder eines Musters aus einem den Brechungsindex ändernden Material, das bewirkt, dass sich der Brechungsindex des Substrats unter ihm, vorzugsweise durch Wandern von Substanzen (z. B. Ionen) aus dem den Brechungsindex ändernden Material und in das Substrat oder umgekehrt, ändert, auf das Substrat umfassen.
Das Steuern der Zeitdauer, in der die den Brechungsindex ändernden Materialien auf dem Substrat befinden, und/oder ihrer Temperatur während der Zeit, in der sie in Kontakt sind, kann die Wanderungsrate der den Brechungsindex ändernden Substanzen von einer zu der anderen ändern und kann die Eindringtiefe desjenigen Volumens des Substrats, in dem der Brechungsindex geändert wird, steuern. Nach einer vorgegebenen Zeitdauer bei vorgegebenen Bedingungen kann das den Brechungsindex ändernde Material von dem Substrat entfernt werden.
Vorzugsweise wird auf die Oberfläche des Substrats ein Serpentinenmuster eines den Brechungsindex ändernden Materials aufgetragen und durch die Eindiffusion von Ionen (oder anderen Substanzen) in das Substrat veranlasst, dass ein entsprechender Wellenleiter erzeugt wird – der Brechungsindex des Substrats geändert wird, das zu dem Laserwellenleiter wird. Allerdings ist das Umgekehrte vorstellbar – das Ein- oder Ausdiffundieren von Substanzen, um den Brechungsindex des Substrats zu ändern, das das umgibt, was zu dem Laserwellenleiter wird, wobei das umgebende Medium geändert wird, während das Material des Laserwellenleiters ungeändert gelassen wird.
Seitdem die vorliegende Erfindung gemacht wurde, wurde eine Suche ausgeführt, wobei dies gefunden wurde: EP 0 325 251 , die die Verwendung eines Kanalwellenleiters als einen Kollimator für einen Plattenwellenleiter offenbart; US 5 838 700 , die einen Raman-Einkristalllaser mit einer daran angebrachten Glasfaser zeigt und auf die Bragg-Reflektortechnologie gerichtet ist, um die Raman-Emissionen in den Glasfasern zu verbessern; US 5 726 796 , die einen optischen Verstärker mit kreisförmig gekrümmten und gekreuzten Wellenleitern offenbart; und US 5 080 503 , die einen optischen Wellenleiter offenbart, der aus einem Seltenerd-Element hergestellt ist, das durch Diffusion des Seltenerd-Materials durch eine Maske auf einer ebenen Glasoberfläche abgelagert worden ist.
Es werden nun lediglich beispielhaft Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
1 eine auf einem Substrat abgelagerte Schicht eines Lasermaterials zeigt;
2 die Schicht aus 1 zeigt, die zu einem mäandrierenden Laserwellenleiter strukturiert ist;
3 einen Querschnitt durch einen Teil von 2 zeigt;
4 eine Laservorrichtung mit einem strukturierten Laserwellenleiter zeigt;
5A eine weitere Laservorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung zeigt;
5B eine Erweiterungseinheit zur Verwendung mit 5A zeigt;
6 die Ausführungsform aus 1 zeigt, nachdem über dem Laserwellenleiter eine Mantelschicht aufgetragen worden ist;
7 eine Laservorrichtung zeigt, die einen Stapel von Substrat- Serpentinen-Laserwellenleiter-Elementen umfasst;
8A und 8B den effektiven Radius des Mantels eines Laserwellenleiters mit strukturierter Kaschierung zeigen;
9 einen weiteren Laserwellenleiter zeigt;
10A und 10B Arten des optischen Pumpens einer Laservorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung zeigen;
11A und 11B strukturierte Laserwellenleiterkörper in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigen; und
12 und 13 Tabellen zeigen, die geeignete Raman-Lasermaterialien und ihre Eigenschaften aufführen.
1 zeigt ein Substrat 10 wie etwa ein Glassubstrat, auf dem eine Schicht 12 eines Lasermaterials 14 liegt. In diesem Beispiel ist das Lasermaterial ein Raman-Lasermaterial, z. B. Diamant oder Bariumnitrat. Es hat eine Tiefe 16 von etwa 2–10 μm.
Die Schicht 12 wird strukturiert, um Lasermaterial 14 aus dem Substrat 12 zu entfernen und einen gefalteten, verschlungenen Wellenleiter 18 aus Lasermaterial mit Zwischenräumen/Nuten 20 zwischen in Querrichtung benachbarten Abschnitten des strukturierten Wellenleiters 18, wo kein Lasermaterial vorhanden ist (oder wo wenigstens nicht genug Lasermaterial vorhanden ist, um richtig als ein Laser zu arbeiten), zurückzulassen. Somit wird ein ununterbrochener gewundener Wellenleiter 18 gebildet, der durch das Substrat 10 abgestützt ist. Der Wellenleiter 18 besitzt eine Breite von etwa 4 bis 8 μm und ein erstes Ende 22 sowie ein zweites Ende 24. 3 zeigt eine Stirnansicht des Substrats oder Trägers 10, wobei sie einen Teil des Endes 22 mit einer oberen Oberfläche 26 und beabstandeten Seitenflächen oder Wänden 27 und 28, die von einer oberen Oberfläche 29 des Substrats 10 weg verlaufen, zeigt.
Die Struktur aus 2 kann so, wie sie in 2 ist, als ein Laser verwendet werden, wobei aber vorzugsweise über dem Wellenleiter 18 eine Schutzschicht aufgetragen wird. 6 zeigt eine Glasschicht 30, die über dem Serpentinenwellenleiter 18 aufgetragen ist. Die Schicht 30 aus 6 besitzt im Wesentlichen den gleichen Brechungsindex wie die Schicht 10 und kann tatsächlich aus dem gleichen oder im Wesentlichen aus dem gleichen Material sein. In anderen Ausführungsformen können die Brechungsindizes der oberen und der unteren Schicht 30 und 10 fehlangepasst sein. In der Ausführungsform der 1 bis 3 ist der Brechungsindex der Faser 18 um etwa 0,1 von dem des Substrats 10 und des Mantels 30 verschieden.
4 zeigt eine Dauerstrich-Raman-Laservorrichtung 40 mit einem Pumplaser 41, einer Eingangslinse 42, einem verschlungenen Wellenleiter 43 aus einem Raman-Lasermaterial (in diesem Fall Ba(NO₃)₂), das in einen Glaslaserkörper 44 eingebettet ist, und einer Ausgangs-/Kollimationslinse 45.
Der Laserkörper 44 besitzt einen großen Oberflächeninhalt (obere und untere ebene Oberflächen). Dies erleichtert die Kühlung. In einigen Ausführunsformen kann eine Kühlvorrichtung oder ein Wärmetauscher vorgesehen sein, der mit einer oder mit beiden ebenen Oberflächen funktional gekoppelt ist. Der Wellenleiter 43 kann nahe genug an der Oberfläche des Körpers 44 vorgesehen sein, um die Kühlung zu erleichtern.
5A veranschaulicht eine Laservorrichtung 50, die einen hergestellten verschlungenen Laserwellenleiter 512, der von dem Substrat 52 getragen ist, und eine Laserdiode 53, die mit dem Ende des Wellenleiters 51 verbunden ist, umfasst. Die Laserdiode besitzt eine elektrische Leistungsversorgung (nicht gezeigt). Dies ermöglicht, eine integrierte Laserdiode und Laserfaseroptik zu schaffen. Es ist klar, dass der Laserwellenleiter 51 Laserstrahlung mit einer anderen Wellenlänge als die Diode 53 emittieren kann und dass die Vorrichtung 50 durch richtige Wahl der Länge des Laserwellenleiters 51 (z. B. bei Übergängen zwischen Pumplicht- und ersten Stokes-Emissionen oder bei Übergängen zwischen verschiedenen Stokes-Emissionen und/oder bei Übergängen mit Anti-Stokes-Emissionen) mehr als eine Wellenlänge Laserlicht emittieren könnte.
5B zeigt eine Wellenlängenänderungs- oder Farbänderungseinheit 55, die mit dem Laserausgang der Vorrichtung 50 optisch gekoppelt sein kann. Die Einheit 55 besitzt ein weiteres Teilstück des Laserwellenleiters 56, wobei dieses weitere Teilstück im Gebrauch ermöglicht, dass eine andere Stokes- und/oder Anti-Stokes-Emission höherer Ordnung die Lichtabgabe dominiert (das vorherrschende λ des Laserlichts an einem Punkt in dem Teilstück einer Raman-Material-Laserfaser hängt von der Länge der Faser bis zu diesem Punkt ab). Beispielsweise kann die Diode 53 eine blaue Laserdiode sein. Das von der Vorrichtung 50 emittierte Laserlicht kann grünes Laserlicht sein. Das Licht, das von der Vorrichtung 50 mit der mit ihr gekoppelten Einheit 55 emittiert wird, kann rotes Laserlicht sein. Somit ist es möglich, unter Verwendung von nur drei Komponenten blaues, rotes und grünes Licht und somit durch geeignete Kombina tionen Licht irgendeiner Farbe zu erzeugen.
7 zeigt eine Laservorrichtung 70, deren Länge ihres Laserwellenleiters dadurch erhöht ist, dass sie mehrere Platten oder Körper 71, 72, 73, 74, jeweils mit einem Serpentinenwellenleiter/verschlungenen Wellenleiter 75, und optische Koppler 76, 77, 78, die die Enden der Wellenleiter jeder Platte verbinden, besitzt.
Es ist klar, dass die verschiedenen Körper 71–74 Laserwellenleiter aus verschiedenem Material besitzen (und somit Laserlicht verschiedener Wellenlängen emittieren) könnten. Ähnliche Betrachtungen betreffen die Anordnung aus 5B, wo der Wellenleiter 56 der Einheit 55 aus einem anderen Material als der Wellenleiter 51 der Vorrichtung 50 sein kann.
Die 8A und 8B veranschaulichen konzeptionell die Tatsache, dass ein auf einem Substrat 81 gebildeter Laserwellenleiter 80 mit einer über ihm liegenden Schutzabdeckungsschicht 82 als eine Wellenleiterkaschierung mit einem Mantel mit einem Durchmesser, der mit d₁, d₂ oder d₃ zusammenhängt, darüber und darunter betrachtet werden kann. Der seitliche Abstand zwischen benachbarten Teilen der Faser, die Tiefe der Schutzschicht d₂ und die Tiefe des Substrats d₃ bestimmen den effektiven Mantelradius. Die kleinste Kaschierungsdicke dominiert den effektiven Mantelradius.
Üblicherweise haben das Substrat und die Schutzbeschichtung/Schutzschicht den gleichen Brechungsindex, während es (bei dem interessierenden λ) nahezu immer eine Fehlanpassung zwischen dem Brechungsindex des Laserwellenleitermaterials und dem Brechungsindex des Substrats gibt. (Ein sehr ungewöhnlicher Umstand, wo es möglich ist, dass es keine wesentliche Fehlanpassung des Brechungsindex gibt, ist, wenn erwünscht ist, dass das Licht z. B. auf halbem Weg entlang des Wellenleiters (wo es vielleicht ein Gebiet eines nicht fehlangepassten Kopplungsmittel-Partikel-Wellenleiters gibt) austritt). Falls die Fehlanpassung in Bezug auf den Brechungsindex sehr groß ist (z. B. in der Größenordnung von 0,1), kann der Manteldurchmesser klein sein, z. B. 2 μm oder 3 μm, was eine Trennung von 4–5 μm für benachbarte Linien des Laserwellenleiters gibt. Bei einer so großen Fehlanpassung in Bezug auf η kann die Vorrichtung kompakter gemacht werden, wobei die optische Übertragung aber wahrscheinlich eine Mehrmodenübertragung ist. Bei einer kleineren Fehlanpassung in Bezug auf den Brechungsindex (z. B. 0,01) kann es erforderlich sein, einen Wellenleiterabstand in der Größenordnung von 100 μm zu haben, wobei die Übertragung aber wahrscheinlich Gaußsch ist. In dem Beispiel der 1 bis 8 ist/sind das Substrat und das Schutzschichtmaterial bzw. die Schutzschichtmaterialien verlustarme Gläser/Polymere.
9 zeigt eine Laserdiode 90 mit einem auf einem Substrat 92 hergestellten Halbleiterlasermaterial-Wellenleiter 91. Die Halbleiterlaser-Wellenleitervorrichtung ist mit Vorspannelektroden 93 verbunden. Eine Leistungsversorgung 94 versorgt die Vorrichtung elektrisch mit Strom und stimuliert elektrisch, dass der Wellenleiter 93 Laserstrahlung emittiert. Das Substrat 92 kann ein Siliciumsubstrat sein. Der Wellenleiter 91 können dotierte Gebiete des Substrats sein.
Die 10A und 10B veranschaulichen, dass der Laserwellenleiter durch Bestrahlen einer Oberfläche 100 oder 103 des Körpers, der die Faser trägt, optisch gepumpt werden könnte. Die Strahlung kann (wie in 10A gezeigt) auf eine Planfläche 100 auffallen oder kann (wie in 10B gezeigt) an eine Seite oder an eine Randfläche 102 des Körpers angelegt werden. Vorzugsweise wird die Strahlung im Wesentlichen normal zu der Oberfläche angelegt, auf die sie auftrifft. Natürlich könnte die Strahlung in das Ende des Wellenleiters entlang der lang gestreckten Richtung des Wellenleiters eintreten. Das Pumpen kann entweder für sich allein für eine "Laser" Version oder mit einem angelegten Signal als ein Raman-Verstärker verwendet werden. Diese Betriebsart erzeugt nicht die Anfangs-Raman-Ausgabe.
Die 11A und 11B zeigen die dreidimensionalen Körper 110 (Würfel), 112 (Zylinder), die den auf ihren Oberflächen hergestellten Laserwellenleiter tragen/besitzen. Vorzugsweise sind sie mit einer Schutzbeschichtung/ einem Schutzmantel beschichtet.
Es ist klar, dass nicht nur auf der Außenoberfläche der Laserkörper, sondern auch in ihnen Lasermaterialwellenleiter hergestellt/strukturiert sein können. Beispielsweise kann weiteres Substratmaterial abgelagert sein, um eine Schicht des Laserwellenleiters einzubetten und eine neue Substratoberfläche für eine weitere Schicht des Lasermaterialwellenleiters zu erzeugen. Ein Körper kann wenige, mehrere oder viele Wellenleiterschichten haben.
Die dünne ebene Beschichtung oder Schicht 12 aus 1 wurde durch Epitaxie hergestellt und daraufhin die Oberflächenschicht 12 durch Mikro-Materialbearbeitung bearbeitet, um durch eine herkömmliche Mikro-Materialbearbeitungstechnik, die in dem Beispiel aus 2 das Ionenstrahlätzen ist, das gefaltete Muster zu bilden.
Techniken zum Erzeugen einer allgemein zweidimensionalen Schicht aus Lasermaterial enthalten: Gas-/Dampfphasenepitaxie; Flüssig phasenepitaxie, Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren, Verdampfungstechniken oder Kristallzüchtungstechniken oder irgendeine andere Materialablagerungstechnik, z. B. jene, die in der Halbleiterindustrie verwendet werden. Die Schicht aus Lasermaterial kann sogar dadurch gebildet werden, dass eine Schicht oder ein Körper aus Lasermaterial mit dem Substrat verbunden wird. Beispielsweise kann eine Massematerialschicht aus Lasermaterial an einer Oberfläche angehaftet und die Tiefe der Schicht des Lasermaterials auf Wunsch durch mechanisches Polieren oder durch irgendeine geeignete Technik verringert werden.
Die Schicht aus Lasermaterial 12 kann durch irgendeine geeignete Technik zu der gewünschten gefalteten Wellenleiterstruktur strukturiert werden, wobei aber jene, die in der Mikro-Materialbearbeitung von Halbleiterwafern verwendet werden, da sie gut verstanden sind und die Ausrüstung vorhanden ist, bevorzugt sind. Somit kann ein chemisches oder optisches Ätzen (z. B. Laserätzen) verwendet werden. Es können Photolithographietechniken, möglicherweise mit Masken oder Resists, verwendet werden oder es kann Laserätzen mit einer oder ohne eine Maske verwendet werden.
Natürlich ist eine Alternative zum Ablagern einer zweidimensionalen Fläche des Lasermaterials und zur darauf folgenden Mikro-Materialbearbeitung eines eindimensionalen Laserwellenleiters, von vornherein einen im Wesentlichen eindimensionalen Laserwellenleiter zu erzeugen/abzulagern. Dies kann mit Molekularstrahlepitaxie oder durch Auftragen einer Resistschicht/strukturierten Schicht, bevor das Lasermaterial abgelagert wird (möglicherweise mit dem Schritt des Entfernens der Resistschicht und des über ihr liegenden Lasermaterials nach Ablagern des Lasermaterials), erreicht werden. Zum Ablagern des gefalteten Musters aus Lasermaterial können Techniken verwendet werden, die in der Halbleiterindustrie verwendet werden.
Die Vorrichtungen der Figuren haben typisch einen Laserwellenleiter mit einem Querschnitt von wenigen Mikrometern, aber mit mehreren oder vielen Metern Länge, wobei sie aber auf ein Substrat mit einem Durchmesser von etwa 1 cm passen. Der gefaltete Weg für den Wellenleiter gibt eine kompakte Wellenleiterbildung, wobei es einfacher sein kann, ein kompaktifiziertes Teilstück des Laserwellenleiters als ein geradliniges Teilstück herzustellen. Die Handhabung nach der Herstellung ist ebenfalls vereinfacht. Eine Diamantlasermaterialvorrichtung der in den 2 oder 4 gezeigten Art erzeugt eine Dauerstrich-Laserausgabe mit einer Leistung von mehreren zehn oder sogar hunderten Watt und hat bei fast vollständiger Umsetzung von dem Pumplaser in Raman-Wellenlängen dennoch die Größe eines Fingernagels.
Die Form der kompaktifizierten Linie des Laserwellenleiters kann irgendeine geeignete Form sein, wobei aber die Spirale und das Leporello erwünscht sein können. Die Anordnung aus 4, bei der der Mittelteil eines Spiralgebildes durch eine Schleife eines Wellenleiters ohne freies Ende gebildet ist, ermöglicht, dass die zwei freien Enden am Außenumfang der Form sind. Anordnungen, bei denen die freien Enden des Wellenleiters an der Außenseite der Fläche des verschlungenen Wellenleiters sind, sind bevorzugt. Bevorzugt wird vermieden, dass sich der Wellenleiter, wenigstens in derselben Ebene, selbst schneidet.
Eine mögliche Verwendung für die hergestellten Wellenleiter-Laser materialvorrichtungen ist eine Art und Weise der Herstellung einer Mehrfarb-Laserdiodenvorrichtung, z. B. für Projektionsfernsehsysteme. Eine solche Vorrichtung kann einen Diodenlaser besitzen, der vorzugsweise in situ kombiniert wird. Dies könnte eine wirtschaftliche Art und Weise der Schaffung eines Laserfarbfernsehens sein. Es wird Schutz für eine solche Vorrichtung begehrt.
Die Erfindung kann ihre Hauptanwendung gut als ein effizienter optisch gepumpter Raman-Dauerstrichlaser haben, wobei aber dieselben Techniken verwendet werden könnten, um unter Verwendung eines geeigneten Lasermaterials einen effizienten herkömmlichen Festkörperlaser herzustellen. Raman- oder herkömmliche Festkörperlaser könnten in der Impulsbetriebsart oder in der Dauerstrich-Betriebsart betrieben werden. Bestimmte Laservarianten (z. B. Halbleiter) könnten durch Hinzufügen geeigneter Elektroden zu den Stimuli elektrisch gepumpt werden. Vorzugsweise wird die Länge des Wellenleiters in der Weise gewählt, dass die Wechselwirkungslänge so ist, dass eine effiziente Raman-Umsetzung eines CW-Lasers (vorzugsweise 100 mW in mehrere kWs) erreicht wird.
Obgleich sich der Text auf "optisch" bezieht, ist keine Einschränkung des Schutzes auf sichtbare Lichtwellenlängen beabsichtigt – im Prinzip könnte irgendeine elektromagnetische Strahlung verwendet werden. Allerdings ist zu sehen, dass die Erfindung besondere Anwendungen auf die sichtbaren Wellenlängen besitzt.
Die 12 und 13 identifizieren einige interessante Lasermaterialien. Besonders interessant können Diamant, Bariumnitrat und Kaliumgadoliniumwolframat sein.
Es ist klar, dass die Erfindung in einem Sinn als Umwandlung einer zweidimensionalen Schicht aus Lasermaterial in eine eindimensionale Linie eines Wellenleiters aus Lasermaterial betrachtet werden kann. Natürlich ist die Ablagerung einer eindimensionalen Linie ebenfalls Bestandteil der Erfindung, wobei es aber leichter sein kann, eine im Wesentlichen gleichförmige Dünnschicht abzulagern und unerwünschtes Material zu entfernen.
Eine alternative Technik zur Herstellung eines Laserwellenleiters könnte es sein, Ionen in das Raman-Substrat zu diffundieren, um den Lichtwellenleiterweg zu bilden. Zum Beispiel ist bekannt, dass bestimmte Ionen wie Titanionen den Brechungsindex einiger nicht linearer optischer Kristalle erhöhen (siehe z. B. "Review analysis of diffusion in lithium niobate)", D. P. Birnie III, Journal of material science, Bd. 28, S. 302–304, 1993; "Titanium in-diffused LiNbO₃ optical waveguide fabrication", L. W. Stulz, Applied Optics, Bd. 18, Nr. 12, S. 2041–2044, 1979; "Metal-indiffused optical waveguides in LiNbO₃", Applied Physics Letters, Bd. 25, Nr. 8, S. 458–460, 1974. Die Ionen werden üblicherweise durch thermische Diffusion integriert, wobei die Technik im Fall des Titans Titaneindiffusion genannt wird. Das Verfahren besteht darin, die Oberfläche zuerst mit einem Titanionen-Trägermedium (oder einem anderen Ionenträgermedium) zu beschichten. Beim Erwärmen diffundiert ein Teil der Metallionen in die Oberfläche und erhöht den Brechungsindex des darunter liegenden Materials. Auf diese Weise wird unmittelbar unter der Beschichtungsschicht ein entsprechendes Führungsgebiet gebildet, wenn die Ionenträgerbeschichtung in einem Muster (d. h. in einem spiralförmigen, labyrinthähnlichen, gefalteten, verschlungenen, auf demselben Weg zurückgehenden oder serpentinenförmigen Pfad) aufgetragen wird. Dieses Verfahren unterscheidet sich von anderen ge nannten Verfahren dadurch, dass keine maschinelle Bearbeitung, kein Ätzen und keine Materialentfernung erforderlich sind.
Die Metalleindiffusion erhöht den Brechungsindex, um das Führungsgebiet zu bilden, während die anderen diskutierten Verfahren effektiv den Brechungsindex des Materials verringern, das das Führungsgebiet umgibt. Außerdem erfordert die Metalleindiffusion nicht, dass das Raman-Material auf sehr dünne Schichten zurückpoliert oder als sehr dünne Schichten abgelagert wird; die Eindiffusionstemperatur und -dauer steuern die Gesamteindringtiefe der Metallionen. Auf diese Weise können auf der Oberseite verhältnismäßig dicker Substrate flache Führungsschichten erzeugt werden.

Claims

Laservorrichtung (40; 50; 55; 70) mit einem Substrat (10; 52; 81), auf oder in dem ein Wellenleiter aus einem Raman-Material (18; 43; 56; 512; 75) gebildet ist, das im Gebrauch Stokes- und/oder Anti-Stokes-Emissionen erzeugen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter lang gestreckt ist und eine Länge in der Größenordnung von einem Meter oder länger besitzt.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, in der der Wellenleiter (18; 43; 56; 512; 75) einen Durchmesser in der Größenordnung von 1–10 μm besitzt.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, in der der Wellenleiter aus einem Raman-Material (18; 43; 56; 512; 75) aus einer Schicht aus einem Raman-Material (12) maschinell bearbeitet worden ist.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, in der der Wellenleiter aus einem Raman-Material (18; 43; 56; 512; 75) aus einem Substrat (10; 52; 81) durch Ändern des Brechungsindex wenigstens eines Teils des Substrats, um den Wellenleiter mit einem entlang des Wellenleiters von dem Substrat verschiedenen Brechungsindex zu definieren, gebildet worden ist.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, in der der Wellenleiter (18; 43; 56; 512; 75) einen gefalteten Weg besitzt.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, in der das Substrat (10; 52; 81) eine ebene Oberfläche besitzt, die eine Ebene einnimmt, wobei der Wellenleiter (18; 43; 56; 512; 75) auf der Oberfläche, im Wesentlichen auf oder in der Oberfläche liegt und in der der Wellenleiter mehrere Linienabschnitte besitzt, die im Wesentlichen dem gleichen Weg folgen, aber beabstandet sind, wobei sie eine Anordnung von Linien bilden.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, in die eine Laserdiode (53) integriert ist, die in situ in oder auf dem Substrat vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, in der es mehr als ein Raman-Material gibt, um die Fähigkeit zu verleihen, verschiedene Laserlinien zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, in der die Laserlinien verschiedene Farben in dem sichtbaren Spektrum sind.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, in der es eine Schutzbeschichtung, einen Schutzmantel oder eine Schutzabdeckung (30) gibt, die bzw. der über den Wellenleiter verläuft.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, die einen dreidimensionalen Körper (110; 112) umfasst und in der der Wellenleiter auf, in oder in der Nähe wenigstens einer oder einiger der Außenoberflächen des Körpers vorgesehen ist oder wenigstens einigen der Außenoberflächen folgt.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, die mehrere Körper (71–74) umfasst, von denen jeder einen Wellenleiter besitzt, der in oder auf einem Substrat ausgebildet ist, wobei die Wellenleiter der Körper funktional gekoppelt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung (40; 50; 55; 70), das das Bilden eines lang gestreckten Wellenleiters (18; 43; 56; 512; 75) mit einer Länge in der Größenordnung von einem Meter oder länger aus einem Raman-Material auf oder in einem Substrat (10; 52; 81) umfasst, wobei das Raman-Material Stokes- und/oder Anti-Stokes-Emissionen erzeugen kann.
Verfahren nach Anspruch 13, in dem das Substrat mit einer Schicht aus einem Raman-Material verbunden wird und in dem der Wellenleiter aus der Schicht aus einem Raman-Material (12) durch Entfernen von Gebieten des Raman-Materials aus der Schicht hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, in dem eine Schicht aus einem Raman-Lasermaterial erzeugt wird, die über dem Substrat (10; 52; 81) liegt, wobei die Schicht aus einem Raman-Lasermaterial so strukturiert wird, dass ein lang gestreckter Wellenleiter erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, in dem die Strukturierung das Erzeugen eines gefalteten, verschlungenen oder allgemein konzentrischen Wellenleiters aus einem Raman-Lasermaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, das das Ändern des Brechungsin dex wenigstens eines Teils des Substrats umfasst, um einen Wellenleiter mit einem anderen Brechungsindex als dem des benachbarten Substrats zu definieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, in dem der Schutzmantel oder die Schutzbeschichtung (30) über dem gebildeten Raman-Wellenleiter aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, das das Anbringen einer Laserdiode (53) auf dem Substrat (10; 52; 81) oder das Erzeugen einer Laserdiode (53) in oder an dem Substrat (10; 52; 81) und das Koppeln des Wellenleiters mit der Diode umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, das das Herstellen eines größeren Raman-Laserkörpers durch Koppeln der Wellenleiter mehrerer kleinerer Körper miteinander umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, das umfasst: (i) Koppeln verschiedener Wellenleiter, die verschiedene Raman-Lasermaterialien besitzen, miteinander; und/oder (ii) Vorsehen wenigstens eines ersten Raman-Lasermaterials und eines zweiten, anderen Raman-Lasermaterials in dem Wellenleiter, um die Möglichkeit zu haben, verschiedene Raman-Linienemissionen zu haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, das das Ablagern einer Oberflächendünnschicht aus einem Raman-Lasermaterial auf dem Substrat und das Entfernen von Teilen der Dünnschicht, um einen Wellenleiter zurückzulassen, der über der Oberfläche mäandriert, um so in einem kompakten Oberflächeninhalt ein verhältnismäßig langes Teilstück des Wellenleiters zu haben, umfasst.
Verwendung von Mikro-Materialbearbeitungstechniken oder Ionendiffusionstechniken zur Herstellung eines lang gestreckten Wellenleiters aus einem Raman-Lasermaterial mit einer Länge in der Größenordnung von einem Meter oder länger aus einer Dünnschicht oder Schicht aus einem Raman-Lasermaterial, um eine Raman-Laservorrichtung herzustellen.