DE602005001810T2

DE602005001810T2 - Mehrwellenlängenlasersystem mit externem Resonator

Info

Publication number: DE602005001810T2
Application number: DE200560001810
Authority: DE
Inventors: Taek Kim
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-06-19
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2025-06-09
Also published as: JP4808442B2; DE602005001810D1; JP2006005361A; EP1608049A1; EP1608049B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lasersystem, das in der Lage ist, Licht mit zwei oder mehr kohärenten Wellenlängen zu emittieren, und insbesondere sowohl optisch gepumpte wie elektrisch gepumpte oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit externem vertikalen Resonator (VECSEL, Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers) mit selektiv positionierten Quantentöpfen zur Steuerung der Lichtleistung bei jeder der Wellenlängen.
Es besteht ein zunehmender Bedarf an Laserquellen in mehreren Wellenlängen. Zum Beispiel ergibt die zunehmende Popularität von Laseranzeigevorrichtungen einen Bedarf an Laserquellen in Rot (R) (~625 nm), Grün (G) (~532 nm) und Blau (B) (~460 nm). Derzeit sind den Erfindern der vorliegenden Erfindung keine verfügbaren Halbleiterlaser bekannt, die sowohl blaue wie grüne Wellenlängen emittieren.
Diodengepumpte Feststofflaser (DPSS-Laser) kombiniert mit der Second-Harmonic-Generation(SHG)-Technologie können grünes Laserlicht bei 532 nm bereitstellen, aber solche Vorrichtungen sind zur Zeit relativ teuer. Blaues Laserlicht hoher Leistung ist aufgrund geringer Rekombinationseffizienz noch schwierig zu erreichen.
Optisch gepumpte Halbleiterlaser (OPS, Optically Pumped Semiconductor) mit externem (oder gekoppeltem) vertikalen Resonator (VECSEL) in Infrarotwellenlänge, wie sie in US-Patent Nr. 6,347,109 offenbart sind, können einen Laserstrahl in sichtbarer Wellenlänge mit SHG-Technologie bereitstellen, wie es in US-Patent Nr. 6,370,168 offenbart ist. Gleichermaßen können elektrisch gepumpte VECSEL, wie sie in den US-Patenten Nr. 6,614,827 und 6,243,407 offenbart sind, Laserstrahlen in sichtbarer Wellenlänge mit SHG-Technologie bereitstellen.
Allgemein kombinieren OPS-VECSEL im Konzept die Ansätze von diodengepumpten Feststofflasern und oberflächenemittierenden Quantentopf(QW)-Halbleiterlasern mit vertikalem Resonator (VCSEL). In diesen Ansätzen ist ein Halbleiterchip des Lasersystems aus einer aktiven QW-Schicht und einem verteilten hochreflektierenden Bragg-Reflektor (DBR) gebildet. Üblicherweise ist die aktive QW-Schicht so ausgelegt, dass sie die Verstärkungsleistung erhöht, so dass eine hohe Leistung erreicht wird, wie es von einer Resonanzperiodenverstärkungs(RPG, Resonant Periodic Gain)-Struktur bereitgestellt wird, die von Mark Kuznetsov et al. unter "Design and Characteristics of High-Power (> 0,5-W CW) Diode-Pumped Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Semiconductor Lasers with Circular TEM₀₀ Beams," in IEEE, J. of Selected Topics in Quantum Electronics, Band 5, Nr. 3, Mai/Juni 1999 offenbart ist.
1 ist ein vereinfachter Querschnitt eines herkömmlichen VECSEL, wie er in US-Patent Nr. 6,370,168 offenbart ist. Mit Bezug zu 1 weist der herkömmliche VECSEL 10 eine Wärmesenke 11 auf, die an einem Chip angebracht ist. Der Chip weist ein Substrat 12 auf, auf dem ein unterer mehrschichtiger Spiegel 13 mit hohem Reflexionsvermögen, wie eine Halbleiterschicht von DBR-Reflektoren, eine Verstärkungsregion 14, wie eine Verstärkungsregion mit mehreren Quantentöpfen mit einer Resonanzperiodenverstärkung (RPG) und eine obere Antireflexionsschicht 15 gestapelt sind. Ein Laserraum ist zwischen einem externen sphärischen Spiegel 16, durch den ein Teil des Laserstrahls λ2 als Laserausgabe passieren kann, und dem Spiegel 13 mit hohem Reflexionsvermögen des Chips ausgebildet. Ein Pumpstrahl aus einer Multimodelaserquelle 17 mit einer anderen Wellenlänge λ1 wird auf die Antireflexionsschicht 15 projiziert. Es kann ein optisch nichtlinearer Kristall (nicht gezeigt) eingesetzt sein, um die Frequenz des Laserlichts λ2 zu verdoppeln.
Mit Bezug zu 2 ist die Struktur des herkömmlichen DBR 13 und der RPG aktiven Region 14 bezüglich der stehenden Welle der Resonatorstruktur gezeigt. Wie zu sehen ist, ist die RPG 14 aus QWs 14a und Abstandhaltern 14b gebildet. Die QWs 14a sind an den Antiknoten der stehenden Welle positioniert, um einen Gewinn im gepumpten Laserlicht λ2 durch Absorption des Pumplaserlichts λ1 im Quantentopf zu maximieren, was zur Vermeidung übermäßiger Wärmeerzeugung bevorzugt ist. Aus dieser aktiven Region 14 eines herkömmlichen VECSEL erzeugtes Licht wird durch den externen Spiegel 16 als Laserlicht in kontinuierlicher Welle (CW) ausgegeben.
Bei derartigen Ansätzen bestimmen der Pumpdiodenlaser 17 (im Falle des optischen Pumpens), das Kühlelement und die Optik den Preis des Lasersystems. Der Halbleiterchip (das Substrat 12, der DBR 13, die RPG 14 und die Antireflexionsbeschichtung 15) stellen einen geringen Teil der Gesamtkosten dar. Diese Systeme erzeugen als Ausgabe ein Laserlicht einer einzigen Wellenlänge λ2.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Lasersystem als oberflächenemittierender Laser mit externem vertikalen Resonator (VECSEL) zur Verfügung, der kohärentes Licht in mehr als einer Wellenlänge produzieren kann, ohne dass die Herstellungskosten oder die Betriebskosten signifikant steigen. Der Halbleiterchip kann so ausgelegt sein, dass er Licht in zwei oder mehr unterschiedlichen Wellenlängen emittiert, und der Rest des Lasersystems, das den Hauptanteil der Herstellungskosten ausmacht, wird bei der Herstellung des Lichts beider Wellenlängen verwendet.
EP 1411608 beschreibt einen organischen Laser mit externem Resonatorraum. In Ausführungsformen sind mehrere Verstärkungsregionen an Stellen vorgesehen, die den Peaks von Intensitätsmustern bei verschiedenen Wellenlängen entsprechen.
US 6,535,541 beschreibt einen Laser mit vertikalem Resonatorraum mit mehreren aktiven Regionen zum Emittieren mehrerer Wellenlängen.
WO 02/47223 beschreibt einen Laser mit vertikalem Resonatorraum mit mehreren Quantentöpfen, die an Antiknoten einer stehenden Wellen angeordnet sind.
Gemäß der Erfindung wird ein Lasersystem nach Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
Die Verstärkerstruktur beinhaltet eine erste Mehrzahl von ersten aktiven Schichten und eine zweite Mehrzahl von zweiten aktiven Schichten, die durch Abstandhalterschichten beabstandet sind. Die ersten aktiven Schichten können an Antiknoten einer ersten stehenden Wellenlänge einer ersten Frequenz positioniert sein und zweite aktive Schichten sind an Antiknoten einer zweiten stehenden Wellenlänge einer zweiten Frequenz positioniert. Die Anzahl an ersten aktiven Schichten und die Anzahl an zweiten aktiven Schichten sind so ausgewählt, dass die relative Leistungsausgabe von Licht bei jeder der ersten und zweiten Wellenlänge gesteuert wird.
In einigen Ausführungsformen ist die erste Wellenlänge der ersten aktiven Schichten kürzer als die zweite Wellenlänge der zweiten aktiven Schichten, und es sind mehr zweite aktive Schichten als erste aktive Schichten dort gelegen, wo Antiknoten der stehenden Wellen der ersten und zweiten Wellenlänge zusammenfallen. Auf diese Weise kann die relative Leistung der Laserlichtausgabe abgeglichen werden.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Spiegelstruktur der Laserpumpstruktur eine periodische Heterostruktur, wobei jede der Perioden mindestens zwei Viertelwellenschichten H mit hohem Brechungsvermö gen, mindestens zwei Abstandhalterschichten S und mindestens eine Viertelwellenschicht L mit niedrigem Brechungsvermögen umfasst. Der mehrschichtige Spiegel kann ein Stapel in der Form (L(HS)^D)^N oder in der Form (H(LS)^D)^N sein, wobei D und N positive ganze Zahlen sind und D größer als 1 ist.
In noch weiteren Ausführungsformen kann ein optisch nichtlinearer Kristall, der im Laserresonator gelegen ist, so angeordnet sein, dass er die erste Frequenz der Laserstrahlung und/oder die zweite Frequenz der Laserstrahlung verdoppelt, wodurch frequenzverdoppelte Strahlung bereitgestellt wird.
Die obigen und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich aus der folgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, auf die die vorliegende Erfindung nicht beschränkt ist, mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen. Es ist anzumerken, dass nicht alle möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung alle oder einige der hier beschriebenen Vorteile zeigen.
1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines herkömmlichen oberflächenemittierenden Lasers mit externem Resonator (VECSEL).
2 stellt ein Beispiel einer herkömmlichen RPG-Struktur dar.
3 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines beispielhaften oberflächenemittierenden Lasers mit externem Resonator.
4 ist eine vereinfachte vertikale Querschnittsansicht einer optisch gepumpten Chipstruktur gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine vereinfachte vertikale Querschnittsansicht einer elektrisch gepumpten Chipstruktur gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 stellt ein Beispiel einer RPG-Struktur gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
7 ist ein Schaubild, das das Reflexionsvermögen eines Doppelband-DBR mit hohem Reflexionsvermögen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
8 ist ein Schaubild, das das Reflexionsvermögen eines Doppelband-DBR mit hohem Reflexionsvermögen gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
3 stellt schematisch ein Beispiel eines oberflächenemittierenden Lasers mit externem Resonator (VECSEL) dar. Der Basis-VECSEL weist eine bekannte Laserstruktur auf, die eine aktive Region, in der Laserbildung erfolgt, und obere und untere Halbleiterschichten, zwischen denen die aktive Region gelegen ist, beinhaltet, es gibt aber viele Variationen der Basisstruktur. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese besondere Struktur beschränkt und kann in einer Reihe von unterschiedlichen Laserstrukturen eingesetzt sein, die eine Mehrzahl von Quantentöpfen umfassen.
Wie in 3 gezeigt ist, beinhaltet das Lasersystem im Falle eines optischen Pumpschemas eine Pumplaserdiode 110, die Laserlicht durch eine Kollimatorlinse 111 projiziert, so dass ein Kollimationslichtstrahl von Licht bei einer Pumpwellenlänge λ1 auf eine Laserpumpstruktur 100 projiziert wird. Das Pumplicht muss nicht von einer Diode stammen und muss kein kohärentes Licht sein. Die Laserpumpstruktur 100 ist auf einem Substrat 101 aufgewachsen, die wiederum auf einer Wärmesenke 112 angebracht ist. Das Substrat kann GaAs sein oder irgendein Material, auf dem die Laserpumpstruktur aufwachsen kann.
Das Lasersystem beinhaltet auch einen Laserresonator mit einer Resonatorachse und beinhaltet eine Spiegelstruktur 102 (4 und 5) der Laserpumpstruktur 100 und eine externe Spiegelstruktur, die in der dargestellten Ausführungsform erste und zweite externe Spiegel 113, 114 beinhaltet, die von der Verstärkerstruktur 103 beabstandet sind, und ein wellenlängenselektives Transmissionselement 118.
Das wellenlängenselektive Transmissionselement 118 ist im Laserresonator gelegen, so dass es die erste Frequenz der Laserstrahlung in einer Verstärkerbandbreitencharakteristik der Zusammensetzung der Verstärkerstruktur 103 auswählt, die den ersten externen Spiegel 113 passiert, und die zweite Frequenz der Laserstrahlung in einer Verstärkerbandbreitencharakteristik der Zusammensetzung der Verstärkerstruktur 103 auswählt, die zum zweiten externen Spiegel 114 reflektiert wird. Daher unterscheiden sich die Wellenlängen von Licht, das auf den ersten und zweiten externen Spiegel 113, 114 fällt, in der in 3 gezeigten Ausführungsform voneinander. Das wellenlängenselektive Transmissionselement 118 kann ein dichromatischer Spiegel sein, ein doppelbrechender Filter, ein Etalon oder irgendein geeignetes Element, das Licht nach der Wellenlänge auf zwei unterschiedlichen Wegen trennt.
Das Reflexionsvermögen der externen Spiegel 113, 114 kann für die erste und zweite Wellenlänge λ2, λ3 im Bereich von 98% bis 99,99% liegen, wenn das Licht die externen Spiegel 113, 114 passiert, die die Ausgabe des beispielhaften Lasersystems von 3 darstellen. Die externe Spiegelstruktur 113, 114 kann einen konkaven Spiegel beinhalten, um Betrieb in Einzeltransversalmode zu gewährleisten. Der Radius der Krümmung ist überwiegend eine Funktion der Resonatorlänge und des Aperturdurchmessers.
Außerdem kann ein optisch nichtlinearer Kristall 115 so gelegen sein, dass er die Laserstrahlung der ersten Frequenz λ2 und/oder die Laserstrahlung der zweiten Frequenz λ3 oder beide verdoppelt, wodurch eine frequenzverdoppelte Strahlung bereitgestellt wird. Optisch nichtlineare Kristalle können KTP, LiNbO₃, periodisch gepoltes LiNbO₃, KTP oder KNbO₃ oder irgendein Material sein, das in der Lage ist, die Frequenz von Licht zu beeinflussen, das kontrolliert und reproduzierbar darauf fällt.
Wie in 3 dargestellt ist, kann der optisch nichtlineare Kristall 115 im Laserresonator so gelegen sein, wie es durch die mit dem Bezugszeichen 115c markierten Phantomlinien auf dem Resonatorweg dargestellt ist, der dem Laserlicht der ersten Wellenlänge λ2 und der zweiten Wellenlänge λ3 gemeinsam ist. Alternativ kann der optisch nichtlineare Kristall 115 gelegen sein, nachdem das wellenlängenselektive Transmissionselement 118 das Licht der ersten Wellenlänge und das Licht der zweiten Wellenlänge voneinander getrennt hat. Dies ist in 3 durch die in Phantomdarstellung gezeigten und mit dem Bezugszeichen 115a und 115b bezeichneten optisch nichtlinearen Kristalle dargestellt. Diese Ausführungsform weist zusätzlich den Vorteil auf, dass es entweder die erste Wellenlänge λ2 oder die zweite Wellenlänge λ3 oder sowohl die erste wie die zweite Wellenlänge λ2 und λ3 frequenzverdoppeln kann, indem die nichtlinearen Elemente 115a oder 115b an den relevanten Stellen platziert sind oder nicht.
In noch einer weiteren Variation des in 3 gezeigten optisch gepumpten Lasersystems kann der optisch nichtlineare Kristall 115 außerhalb des Resonators liegen, entweder auf dem Weg der Laserstrahlung der ersten Wellenlänge λ2, sobald sie den ersten Spiegel 113 passiert, wie es durch Bezugszeichen 115b' dargestellt ist, oder auf dem optischen Weg des Laserlichts mit der zweiten Wellenlänge λ3, nachdem es den zweiten Spiegel 114 passiert hat, wie es durch das Bezugszeichen 115a' dargestellt ist.
Es ist ebenso anzumerken, dass ein elektrisch gepumptes Lasersystem im Wesentlichen zu dem in 3 gezeigten identisch ist, wobei es alle oben beschriebenen Variationen beinhaltet, aber eine andere Chipstruktur aufweist, wie in 5 gezeigt.
4 stellt eine Chipstruktur der Laserpumpstruktur dar, die eine mehrschichtige Verstärkerstruktur 103 beinhaltet, die auf einer mehrschichtigen Spiegelstruktur 102 angebracht oder aufgewachsen ist. Wie dargestellt, ist die Spiegelstruktur 102 ein verteilter Doppelband-Bragg-Reflektor.
Die mehrschichtige Verstärkerstruktur 103 oder die aktive Schicht ist eine Resonanzperiodenverstärkungsstruktur. Die aktive Schicht ist aus einem Indiumgalliumarsenid(InGaAs)-Quantentopf, einem Indiumgalliumarsenidnitrid(InGaAsN)-Quantentopf oder einem In(Ga)(N)As-Quantenpunkt gebildet.
Außerdem liegt, wie in den 4 und 5 dargestellt, ein Substrat 101, das in einigen Ausführungsformen weggelassen sein kann, und eine obere Schicht 104 vor, die entweder eine Antireflexionsschicht oder ein Reflexionsspiegel sein kann. Wenn die obere Schicht 104 ein Reflexionsspiegel ist, weist das Lasersystem effektiv zwei Resonatorräume auf. Der erste Resonatorraum ist zwischen der mehrschichtigen Spiegelstruktur 102 und dem Reflexionsspiegel 104 gelegen, d. h. in der mehrschichtigen Verstärkerstruktur 103. Der zweite Resonator liegt, wie oben erläutert, zwischen der mehrschichtigen Spiegelstruktur 102 der Verstärkerstruktur 100 und der externen Spiegelstruktur 113, 114.
Das in 4 dargestellte Beispiel ist für optisches Pumpen gemäß der Ausführungsform von 3 ausgelegt. Hingegen beinhaltet 5 obere Kontakte 105a und 105b (z. B. metallische ohmsche Kontakte) sowie untere Kontakte 106 (z. B. metallische ohmsche Kontakte), die zum Beispiel eine ähnliche Struktur wie die Elektroden und die Funktion des in US-Patent Nr. 6,614,827 offenbarten Lasers aufweisen können. Ob es sich um eine optische Pumpe oder eine elektrische Pumpe handelt, in jedem Fall ist die Pumpquelle so ausgebildet, dass sie Pumpenergie an die Verstärkerstruktur 103 zum Erzeugen einer Laserstrahlung im Laserresonator liefert.
In 6 ist die Laserpumpstruktur 100 so dargestellt, dass sie die relative Position von Quantentöpfen in Bezug auf die stehende Welle für zwei Wellenlängen des Lichts zeigt.
Optische Doppelbandreflektoren sind bekannt, wie es bei Stephane Calvez et al. unter "Optimization of an Optically Pumped 1,3-μm GaInNAs Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser" in IEEE Photonics Tech. Letters, Band 14, Nr. 2, Feb. 2002 und C.P. Lee et al. unter "Dual-Wavelength Bragg Reflectors Using GaAs/AlAs-Mehrfachschichten" in Electronic Letters, 28. Oktober 1993, Band 29, Nr. 22 offenbart ist. Wie in 6 dargestellt ist, kann die Spiegelstruktur 102 als verteilter Doppelband-Bragg-Reflektor gebildet aus einer Mehrzahl von periodischen Heterostrukturen konfiguriert sein, deren jede eine gleiche Anzahl von Schichten H mit einem hohen Brechungsindex und Abstandhalterschichten S und mindestens eine Schicht L mit niedrigem Brechungsindex umfasst. Zur Deutlichkeit der Darstellung ist in 6 nur eine solche Heterostruktur gezeigt, die eine Schicht 121a mit niedrigem Brechungsindex, Schichten 122a, 122b mit hohem Brechungsindex und Abstandhalterschichten 123a, 123b umfasst. Beispiele von Material für die Schichten H mit hohem Brechungsindex sind Al_xGa_1-xAs (0 ≤ x < 1) und Beispiele von Material für die Schichten L mit niedrigem Brechungsindex sind Al_yGa_1-yAs (0 < y ≤ 1). Beispiele von Material für die Abstandhalterschichten S sind Al_zGa_1-zAs (0 < z < 1). Die Schichten können unter Verwendung irgendeiner geeigneten Technik ausgebildet sein, darunter, ohne darauf beschränkt zu sein, MOCVD und MBE. Es kann Postepitaxie-Ionenimplantierung angewendet werden, um elektrischen Einschluss in elektrisch gepumpten Ausführungsformen zu erreichen. Die Lasereffizienz kann ferner durch Einsatz von optischem Einschluss verstärkt werden, wie durch selektive Oxidationstechniken, so dass auf bekannte Weise eine vergrabene Oxidapertur gebildet wird. Dies erreicht sowohl quergerichteten elektrischen wie optischen Einschluss in VCSELs und VECSELs auf Basis von Al_xGa_(1-x)As mit Gitterabgleich zu GaAs-Substraten.
Ein neuer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass die Spiegelstruktur 102 der Laserpumpstruktur 100 ein mehrschichtiger Stapel in Form von (L(HS)^D)^N ist, wobei D und N positive ganz Zahlen sind und D größer als 1 ist. Während in 6 nur die Schicht 121a mit niedrigem Brechungsindex, Schichten 122a und 122b mit hohem Brechungsindex und Abstandhalterschichten 123a und 123b gezeigt sind, ist anzumerken, dass eine größere Anzahl, zum Beispiel 30, solcher Schichten in einer praktischen Ausführungsform eingesetzt werden. Üblicherweise enden DBR-Schichten mit einer Schicht L mit niedrigem Brechungsindex.
Die Anzahl an Schichten im verteilten Bragg-Reflektor hat einen Einfluss auf die Leistung, wie es in den 7 und 8 dargestellt ist. Im Graphen von 7 kann ein Doppelband- oder sogar ein Dreifachbandspiegel mit hohem Reflexionsvermögen unter Verwendung der Gleichung (L(HS)^D)^N ausgebildet sein, wobei D gleich 5 ist und N gleich 6 ist (d. h. Schichten in der Reihenfolge LHSHSHSHSHSLHSHSHSHSHSLHSHSHSHSHSLHSHSHSHSHSLHSHSHSHSHSLHSHSHSHSHS).
8 hingegen beinhaltet überlappende Graphen, die die Reflexion entsprechend der Wellenlänge mit der Gleichung (H(LS)^D)^N zeigen, wobei D gleich 3 ist und N gleich 9 ist, wie in der durchgezogenen Linie, D gleich 5 ist, wie in der unterbrochenen Linie, und D gleich 7 ist, wie in der Punkt-Strich-Linie.
Alternativ sind, wenn der mehrschichtige Stapel für die Spiegelstruktur 102 der Gleichung (L(HS)^D)^N folgt und D gleich 5 ist und N gleich 6 ist, die Schichten in der Reihenfolge HLSLSLSLSLSHLSLSLSLSLSHLSLSLSLSLSHLSLSLSLSLSHLSLSLSLSLSHLSLSLSLSLS.
Nochmals zurück zu 6, ist die Resonanzperiodenverstärkungsstruktur 103 so dargestellt, dass sie die Beziehung zwischen Quantentöpfen 131, 132 und den Knoten und Antiknoten der stehenden Wellen zeigt. Insbesondere sind zum Beispiel die Quantentöpfe 131a–131i an den Antiknoten der stehenden Welle mit einer Wellenlänge von 920 nm positioniert. Gleichermaßen sind die Quantentöpfe 132a–132d an den Antiknoten der stehenden Welle für eine Wellenlänge von 1060 nm positioniert.
Weil ein Teil des Lichts von 920 nm in den Quantentöpfen von 1060 nm absorbiert wird, was bedeutet, dass insofern kein Lichtverlust auftritt als das Licht absorbiert wird und Licht von 1060 nm erzeugt, kann die Intensität des Laserlichts von 1060 nm stärker sein als die des Laserlichts von 920 nm. Es ist nach Betrachtung der Resonanzperiodenverstärkerstruktur 103 anzumerken, dass es mehr Quantentöpfe 131 für die Wellenlänge von 920 nm gibt als für die Wellenlänge von 1060 nm. Die Anzahl an jeder Art von Quantentöpfen kann für Steuerung und optischen Ausgleich der optischen Leistung der beiden Wellenlängen gesteuert werden. Dies gilt insbesondere für den Quantentopf in der Position, an der zwei Antiknotenpositionen vorhanden sind, die sich entweder über lappen oder nahe beieinander liegen (z. B. ±20% des Abstands zwischen Antiknoten, obwohl es kein klares Kriterium ist).
In Fällen, bei denen der Knoten der stehenden Welle von 920 nm sich mit einem Quantentopf für die Wellenlänge 1060 nm schneidet oder daran anliegt, sieht der Quantentopf, wie der Quantentopf 132b, keinerlei Licht von 920 nm. Wenn ein Knoten der stehenden Welle ebenfalls auf einem Quantentopf gelegen ist, gibt es keine Verstärkung. An anderen Stellen schneidet das Licht von 920 nm jedoch die Räume zwischen den Quantentöpfen 132 und 131 und ihre Energie wird zum Erzeugen des Lichts von 1060 nm verwendet. Die Intensität des Lichts von 1060 nm kann so eingestellt werden, dass es stärker ist als sonst. Es ist auch anzumerken, dass die Barriereschichten entweder Absorptionsschichten oder transparent für Pumplicht sein können. Die Absorption von Licht in der Barriereschicht erzeugt Löcher und Elektronen, die bei Transport zu den QW zur Lichterzeugung darin beitragen. Sie erzeugt aber auch Wärme. Es sollte ein Ausgleich insofern vorgenommen werden, als die maximale Lichtausgabeleistung in derzeitigen Ausführungsformen durch Wärmeerzeugung begrenzt ist.
Die vorliegende Erfindung ist daher selbst bei Farbanzeigevorrichtungen geeignet, wenn sie mit nichtlinearen optischen Elementen kombiniert sind. Die Wellenlängen von 920 nm und 1060 nm sind üblich und mit Frequenzverdopplung führen sie zu grünem und blauem Laserlicht, das relativ zueinander ausgewogen werden kann.
Die aktive Region beinhaltet eine aktive Schicht 103, kann aber auch Ummantelungsschichten aufweisen, zwischen denen die aktive Schicht 103 sandwichartig eingesetzt ist. Die aktive Schicht 103 kann Quantentopfschichten und Barriereschichten beinhalten, zwischen denen die Quantentopfschicht gelegen ist.
Während die vorliegende Erfindung insbesondere mit Bezug zu beispielhaften Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich für die Fachleute, dass verschiedene Änderungen in Form und Details hierzu vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Lasersystem umfassend: eine Laserstruktur mit einer mehrschichtigen Verstärkerstruktur (103) benachbart zu einer Doppelwellenlängenspiegelstruktur (102) zum Reflektieren von Licht mit einem hohen Reflexionsvermögen bei einer ersten Wellenlänge und einer zweiten Wellenlänge; wobei die Verstärkerstruktur eine Mehrzahl von ersten aktiven Schichten (131) zum Erzeugen von Licht bei der ersten Wellenlänge und eine Mehrzahl von zweiten aktiven Schichten (132) zum Erzeugen von Licht bei der zweiten Wellenlänge aufweist, die durch Barriereschichten beabstandet sind; einen Laserresonator (102, 113, 114) mit einer Resonatorachse, wobei der Laserresonator zwischen der Doppelwellenlängenspiegelstruktur (102) der Laserstruktur und einer externen Spiegelstruktur (113, 114) ausgebildet ist, die von der Verstärkerstruktur (103) beabstandet ist; und eine Pumpquelle (110) so ausgebildet, dass sie Pumpenergie an die Verstärkerstruktur (103) zum Erzeugen von Laserstrahlung im Laserresonator liefert; dadurch gekennzeichnet, dass die externe Spiegelstruktur einen ersten externen Spiegel (113), einen zweiten externen Spiegel (114) und ein wellenlängenselektives Transmissionselement (118) im Laserresonator gelegen aufweist, so dass Licht durch die Wellenlänge auf zwei verschiedenen Wegen getrennt wird, damit die erste Wellenlänge der Verstärkerstruktur so ausgewählt wird, dass sie den ersten externen Spiegel (113) erreicht, und die zweite Wellenlänge der Verstärkerstruktur so ausgewählt wird, dass sie den zweiten externen Spiegel (114) erreicht.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die ersten aktiven Schichten (131) an Schwingungsbäuchen einer ersten stehenden Welle im Laserresonator (102, 113) der ersten Wellenlänge positioniert sind, und die zweiten aktiven Schichten (132) an Schwingungsbäuchen einer zweiten stehenden Welle im Laserresonator (102, 114) der zweiten Wellenlänge positioniert sind, und wobei die Anzahl der ersten aktiven Schichten (131) und die Anzahl der zweiten aktiven Schichten (132) die relative Leistungsausgabe an Licht bei jeder der ersten und zweiten Wellenlänge steuert.
Laser nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Wellenlänge kürzer ist als die zweite Wellenlänge und mehr der zweiten aktiven Schichten (132) als der ersten aktiven Schichten (131) an der Stelle gelegen sind, an der Schwingungsbäuche der stehenden Wellen der ersten und zweiten Wellenlänge zusammenfallen.
Laser nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Doppelwellenlängenspiegelstruktur (102) eine periodische Heterostruktur aufweist, wobei jede der Perioden mindestens zwei Schichten H mit hohem Brechungsindex, mindestens zwei Abstandhalterschichten S und mindestens eine Schicht L mit niedrigem Brechungsindex umfasst.
Laser nach Anspruch 4, wobei der mehrschichtige Spiegel ein Stapel in der Form (L(HS)^D)^N ist, worin D und N positive ganz Zahlen sind und D größer als 1 ist.
Laser nach Anspruch 4, wobei der mehrschichtige Spiegel ein Stapel in der Form (H(LS)^D)^N ist, worin D und N positive ganz Zahlen sind und D und N größer als 1 sind.
Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen optisch nichtlinearen Kristall (115), der im Laserresonator gelegen und so ausgebildet ist, dass er die Frequenz der Laserstrahlung der ersten Wellenlänge und/oder die Frequenz der Laserstrahlung der zweiten Wellenlänge verdoppelt.
Laser nach Anspruch 7, wobei der optisch nichtlineare Kristall (115b) im Laserresonator zwischen dem wellenlängenselektiven Transmissionselement (118) und dem ersten Spiegel (113) gelegen und so ausgebildet ist, dass er die Frequenz der Laserstrahlung der ersten Wellenlänge verdoppelt, wodurch eine frequenzverdoppelte Strahlung erhalten wird.
Laser nach Anspruch 7, wobei der optisch nichtlineare Kristall (115a) im Laserresonator zwischen dem wellenlängenselektiven Transmissionselement (118) und dem zweiten Spiegel (114) gelegen und so ausgebildet ist, dass er die Frequenz der Laserstrahlung der zweiten Wellenlänge verdoppelt, wodurch eine frequenzverdoppelte Strahlung erhalten wird.
Laser nach Anspruch 1, ferner umfassend einen optisch nichtlinearen Kristall (115a, 115b'), der außerhalb des Laserresonators gelegen und so ausgebildet ist, dass er die Frequenz der Laserstrahlung der ersten Wellenlänge und/oder die Frequenz der Laserstrahlung der zweiten Wellenlänge verdoppelt, wodurch eine frequenzverdoppelte Strahlung erhalten wird.
Laser nach Anspruch 7, wobei der optisch nichtlineare Kristall (115c) im Laserresonator zwischen dem wellenlängenselektiven Transmissionselement (118) und der mehrschichtigen Spiegelstruktur gelegen ist.
Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpquelle eine Pumplichtquelle (110) ist, so ausgebildet, dass sie Pumpstrahlung für die Verstärkerstruktur zum Erzeugen von Laserstrahlung im Laserresonator liefert.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Pumpquelle eine Pumpelektronenquelle ist, so ausgebildet, dass sie Pumpelektronen für die Verstärkerstruktur zum Erzeugen von Laserstrahlung im Laserresonator liefert.
Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten aktiven Schichten (131, 132) ein Halbleitermaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus In_xGa_1-xAs_yP_1-y, In_xGa_1-xAs, Ga_xIn_1-xN_yAs_1-y und Ga_1-xAs_ySb umfassen, wobei 0,0 < x < 1,0 und 0,0 < y < 1,0 ist, wobei für jede der ersten und zweiten aktiven Schichten x und y unabhängig auswählbar sind.
Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die von den ersten und zweiten aktiven Schichten erzeugten ersten und zweiten Wellenlängen Werte von ungefähr 1060 bzw. 920 Nanometer aufweisen.
Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten aktiven Schichten (131) der Verstärkerstruktur Schichten aus einem Halbleitermaterial sind, das eine Zusammensetzung In_0,1Ga_0,9As aufweist, und die erste Wellenlänge 920 nm beträgt.
Laser nach Anspruch 1, wobei die zweiten aktiven Schichten (132) der Verstärkerstruktur Schichten aus einem Halbleitermaterial sind, das eine Zusammensetzung In_0,25Ga_0,75As aufweist, und die zweite Wellenlänge 1060 nm beträgt.
Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Wärmesenke (112) in thermischem Kontakt mit der Laserpumpstruktur.
Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Wärmesenke in thermischem Kontakt mit der Laserstruktur, wobei die Wärmesenke aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ist, der zum Wärmeausdehnungskoeffizienten der Laserstruktur passt.
Lasersystem nach Anspruch 13, ferner umfassend ohmsche Kontakte, die so gelegen sind, dass sie Elektronen in die aktiven Schichten injizieren.
Lasersystem nach Anspruch 13, ferner umfassend eine Strombegrenzungsstruktur.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die Laserstruktur ein GaAs-Substrat umfasst und die Doppelwellenlängenspiegelstruktur (102) Al_xGa_1-xAs-Schichten und Al_yGa_1-yAs-Schichten aufweist, worin 0,0 ≤ x < 1,0 und 0,0 < y ≤ 1,0 ist.