DE69603905T2

DE69603905T2 - Mikrolaserresonator und pulsierter Festkörpermikrolaser mit passiver Güteschaltung und mit externem Triggersignal

Info

Publication number: DE69603905T2
Application number: DE69603905T
Authority: DE
Inventors: Marc Rabarot; Philippe Thony
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1995-05-12
Filing date: 1996-05-10
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2016-05-11
Also published as: JPH08316551A; FR2734096B1; EP0742613A1; DE69603905D1; EP0742613B1; FR2734096A1; US5844932A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft das Gebiet der gütegeschalteten Festköper-Mikrolaser.
Der Hauptvorteil des Mikrolasers beruht auf seiner Mikroschichtenstapel-Struktur, die sein wesentliches Merkmal ist. Das aktive Lasermedium wird durch ein Material von geringer Dicke (zwischen 150-1000 um) und kleinen Abmessungen (einige mm²) gebildet, auf dem dielektrische Resonatorspiegel direkt abgeschieden werden. Dieses aktive Medium kann durch eine III-V- Laserdiode gepumpt werden, die entweder hybrid direkt auf den Mikrolaser montiert oder mit letzerem durch eine optische Faser gekoppelt ist. Die Möglichkeit einer Sammelfertigung bei Nutzung der Einrichtungen der Mikroelektronik ermöglicht eine Massenproduktion dieser Mikrolaser zu sehr geringen Kosten.
Die Mikrolaser haben zahlreiche Anwendungen auf so unterschiedlichen Gebieten wie dem Kraftfahrzeugbau, der Umwelt, den wissenschaftlichen Geräten, der Telemetrie.

Stand der Technik

Die bekannten Mikrolaser haben im allgeinen eine kontinuierliche Emission von einigen zehn mW Leistung. Jedoch erfordern die meisten der oben genannten Anwendungen Spitzenleistungen (Momentanleistungen) von einigen kW, geliefert während 10&supmin;&sup8; bis 10&supmin;&sup9; Sekunden mit einer mittleren Leistung von einigen zehn mW.
Bei den Festkörperlasern kann man solche hohen Spitzenleistungen erreichen, indem man sie im Pulsbetrieb mit Frequenzen arbeiten lässt, die zwischen 10 und 10&sup4; Hz variieren. Dazu benutzt man Verfahren zur Güteschaltung des Resonators. Ein Resonator kann aktiv oder passiv gütegeschaltet werden.
Im Falle einer aktiven Güteschaltung wird der Wert der Verluste extern durch den Benutzer gesteuert, z. B. durch einen drehbaren Resonatorspiegel, durch akustooptische oder elektro optische Resonator-interne Einrichtungen, die entweder den Weg des Strahls oder seinen Polarisationszustand ändern. Die Speicherungsdauer, der Öffnungszeitpunkt des Resonators sowie die Wiederholungsrate bzw. -frequenz können getrennt gewählt werden.
Auf dem Gebiet der Mikrolaser wird eine Technik der aktiven Güteschaltung in dem Artikel: "Diode-pumped microchip lasers electro-optically Q-switched at high pulse repetion rates" von J.J. Zayhowski et al. beschrieben, erschienen in Optics letters, Bd. 17, Nr. 17, SS. 1201-1203, (1992).
In diesem Dokument erfolgt die Güteschaltung in einer Konfiguration mit zwei gekoppelten Fabry-Perot-Resonatoren. Eine solche Einheit ist in der Fig. 1 dargestellt, wo das Bezugszeichen 2 das aktive Lasermedium bezeichnet und das Bezugszeichen 4 ein elektrooptisches Güteschaltungsmaterial (LiTaO&sub3;). Das aktive Medium 2 des Lasers bildet mit einem Eingangsspiegel 6 und einem Zwischenspiegel 8 einen ersten Fabry-Perot-Resonator. Das Güteschaltungsmaterial bildet mit dem Zwischenspiegel 8 und dem Ausgangsspiegel 10 einen zweiten Fabry-Perot-Resonator. Die Güteschaltung erfolgt, indem man die optische Länge des Güteschaltungsmaterials 4 durch eine externe Einwirkung modifiziert: man ordnet beiderseits des Materials 4, senkrecht zu der Achse des Laserstrahls 16, Güteschaltungselektroden 12, 14 an. Wenn man zwischen diesen beiden Elektroden eine Spannung V erzeugt, resultiert daraus ein elektrisches Feld E = V/e, wobei e der Abstand zwischen den Elektroden ist (der Dicke des elektrooptischen Materials entsprechend). Der optische Index n&sub2; und folglich die optische Länge n&sub2;L&sub2; des elektrooptischen Materials wird durch die Wirkung des Feldes E modifiziert. Dies beeinflußt die Kopplung der Resonatoren und modifiziert, vom Lasermedium aus gesehen, die Reflektivität des durch die Spiegel 8 und 10 und durch das Güteschaltungsmaterial 4 gebildeten Fabry-Perot-Resonators.
Bei einem YAG:Nd-Mikrolaser, der um 1,06 um emittiert, und einem durch LiTaO&sub3; gebildeten Güteschaltungsmaterial mit einer Dicke von ungefähr gleich 1mm, erhält man typisch: n&sub1; = 1,8, n&sub2; = 2, L&sub1; = 500 um, L&sub2; = 900 um. Die maximale Reflektivitätsveränderung des zweiten Resonators erhält man für ungefähr dλ/λ = dL&sub2;/L&sub2; = dn&sub2;/n&sub2; = 10&supmin;&sup4;. Diese Indexveränderung wird erreicht, indem man in dem Güteschaltungsmaterial ein elektrisches Feld von ungefähr 10&sup4; Volt/cm herstellt. Es ist möglich, den zweiten Resonator (elektrooptisch) an einen Ausgangsspiegel des durch das Lasermaterial gebildeten ersten Resonators anzupassen. Die Reflektivität dieses Ausgangsspiegels ist variabel und wird kontrolliert durch die an die Elektroden 12, 14 gelegte externe Steuerspannung. Die Fig. 2 zeigt die Veränderung der Reflektivität R des zweiten Resonators als Funktion der angelegten Spannung V. Falls die drei Spiegel 6, 8, 10 Reflekivitäten von jeweils gleich 99%, 95% und 50% haben, variiert die Reflektivität des zweiten Resonators zwischen 75% und 99%. Das läuft für das aktive Medium darauf hinaus, die Reflektivität des Ausgangsspiegels durch eine externe Steuerspannung zwischen 75% und 99% variieren zu lassen. Nach dem Diagramm der Fig. 2 sieht man, dass man tatsächlich mehrere hundert Volt anlegen muss, um eine Reflektivität um 90% zu erreichen und ungefähr 1000 Volt für eine Reflektivität in der Größenordung von 99%; und dies bei einem Elektrodenzwischenabstand von 1mm.
Dieser Mikrolasertyp weist Probleme auf, die seine Verwendung in der Praxis ausschließen.
Zunächst wird der Mikrolaser in einem manuellen Verfahren hergestellt (es werden vorgeschnittene Stücke zusammengeklebt). Dies bedeutet eine untere Grenze für die geometrischen Dimensionen von minimal 1mm, insbesondere für den Abstand zwischen den beiden Elektroden. Ein weiters Problem ist die Notwendigkeit, ein für die Güteschaltung ausreichendes Feld E zu erhalten. Es muss nämlich zwischen den beiden Elektroden eine Spannung in der Größenordnung von 1000 Volt angelegt werden, und dies während einer sehr kurzen Zeit (weniger als 1 Nanosekunde) und an Laserchips mit einem Volumen von ungefähr 1 mm³. Dies ist in der Praxis sehr schwierig und erfordert eine hochentwickelte Elektronik, die unvereinbar ist mit der Einfachheit und Wirtschaftlichkeit der Mikrolaserfabrikation.
Im Falle einer sogenannten passiven Güteschaltung werden die variablen Verluste in den Resonator in Form eines Materials (Sättigbares Absorptionsmaterial "S.A." genannt) eingeführt, das bei der Laserwellenlänge und bei schwacher Leistungsdichte stark absorbiert und das praktisch durchlässig wird, wenn diese Dichte eine bestimmte Schwelle überschreitet, die man Sättigungsintensität des S.A. nennt.
In Bezug auf den Laser mit aktiver Güteschaltung ist der Mikrolaser mit passiver Güteschaltung eine selbstgüteschaltende Vorrichtung ohne irgendein Versorgungsproblem: es gibt weder eine hohe Spannung noch einen starken Strom, was die Herstellung entsprechend vereinfacht. Hingegen ist die zeitliche Kontrolle bzw. Steuerung der Laseremission sehr viel schwieriger zu realisieren. Bestimmte Charakteristika werden nämlich bei der Herstellung ein für allemal eingestellt. Insbesondere wird das Verlustniveau des sättigbaren Absorptionsmaterials festgelegt durch die Charakteristika (Zusammensetzung, Dicke, spektroskopische Charakteristika) dieses sättigbaren Absorptionsmaterials. So konnten zwei Arten von Zeitabweichungen bei einem Mikrolaser mit passiver Güteschaltung festgestellt werden:
- eine zeitliche Abweichung der Betriebsfrequenz, wobei diese Abweichung manchmal in einigen Minuten 50% erreichen kann (Abweichung von 7 von 15 kHz am Ende von ungefähr 10 Minuten), und diese Frequenzabweichung dabei oft von einer Amplitudenschwankung begleitet wird (bis zu mehr als 10% in derselben Zeitperiode),
- eine Veränderung der Auslösungsverzögerung oder "Jitter", wobei diese Veränderung mehr als 10 Nanosekunden erreichen kann.
Das Dokument US-5 394 413 beschreibt einen passiv gütegeschalteten Mikrolaser.
Das Dokument US-1 514 411 beschreibt eine makroskopische Laservorrichtung mit einem Laserstab und ein sättigbares Absorptionsmaterial, das durch eine äußere Lichtquelle gesättigt werden kann.
Es stellt sich also das Problem, eine optisch gepumpte Festkörper-Mikrolaserquelle zu finden, die die Vorteile des passiven Güteschaltungssystems (keine komplexe zusätzliche Versorgungselektronik) mit denen vereinigt, die sich aus dem aktiven Güteschaltungssystem ergeben (zeitliche Kontrolle bzw. Steuerung und Gleichmäßigkeit bei der Emissionsfrequenz).

Darstellung der Erfindung

Um dieses Problem zu lösen, hat die Erfindung einen Mikrolaserresonator nach Anspruch 1 zum Gegenstand.
Es ist also möglich, den Zeitpunkt der Güteschaltung des Resonators zu steuern, indem man nur Elemente verwendet, deren Komplexität geringer als die derjenigen ist, die im Falle eines Mikrolasers mit aktiver Güteschaltung verwendet werden. Das sättigbare Absorptionsmaterial wird gesteuert, um die Mikrolaserimpuls-Auskopplungen zu steuern.
Das System funktioniert dann folgendermaßen:
- während einer ersten Zeit befinden sich die Verluste in dem Mikrolaserresonator auf einem hohen Niveau, denn das sättigbare Absorptionsmaterial ist in seinem absorbierenden Zustand. Die Verstärkung in dem Verstärkermedium nimmt zu,
- während einer zweiten Zeit, wenn beschlossen ist, den Mikrolaser gütezuschalten, wird durch einen Auslösstrahl ein Triggersignal in das sättigbare Absorptionsmaterial gesandt. Die Sättigung des Absorptionsmaterials wird ausgelöst und die Verluste des Resonators werden etwas geringer und befinden sich auf dem Niveau der Verstärkung des Resonators; daraus resultiert die Erzeugung eines gütegeschalteten Mikrolaserimpulses.
Zeitlich gesehen weist diese neuartige Vorrichtung alle Vorteile auf, die mit der aktiven Güteschaltung verbunden sind:
- Genauigkeit der Wiederholungsrate bzw. -frequenz,
- Kontrolle bzw. Steuerung der Auskopplungszeitpunkte der Laserimpulse,
- Synchronisationsmöglichkeit innerhalb eines Systems.
Das Triggersignal des Laserimpulses hat eine schwache Leistung: es genügt, einen Lichtimpuls des Auslösstrahls in das sättigbare Absorptionsmaterial einzuspeisen, und die Verstärkung des Lasermediums macht den Rest, um dieses sättigbare Absorptionsmaterial vollständig zu sättigen. Die einzuspeisende Leistung, um die Güteschaltung auszulösen, ist also klein, insbesondere wenn man sie mit der Notwendigkeit vergleicht, im Falle des aktiv gütegeschalteten Mikrolasers eine Spannung von mehreren hundert Volt (und bis zu tausend Volt) anzulegen. Außerdem ist es sehr viel wirtschaftlicher, eine angebaute Auslösquelle zu benutzen, als eine Hochspannungsquelle für ein Medium mit kleinen Dimensionen entwickeln zu müssen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Anordnung bezüglich des sättigbaren Absorptionsmaterials und des aktiven Mediums im Innern des Mikrolaserresonators.
Generell wurden bei den bekannten passiv mit Hilfe eines sättigbaren Absorptionsmaterials gütegeschalteten Lasern die in der Folge beschriebenen Anordnungen im Innern des Laserresonators vorgeschlagen.
1- Eine erste Anordnung ist in der Fig. 3A dargestellt, wo das Bezugszeichen 20 einen Laserresonator darstellt und die Bezugszeichen 22, 23, 24, 25 jeweils das aktive Lasermaterial, das sättigbare Absorptionsmaterial und die Eingangs- und Ausgangsspiegel des Resonators bezeichnen.
Es gibt keinen Kontakt zwischen dem sättigbaren Absorptionsmaterial 23 einerseits und den anderen Elementen des Resonators 20 andererseits.
Bei diesem Vorrichtungstyp ist es notwendig, die Elemente des Resonators optisch auszurichten. Außerdem können optische Ein- bzw. Nachstellungen im Laufe der Benutzung des Lasers nötig sein.
2- Bei den in den Fig. 3B und 3C schematisierten Anordnungen ist ein Kontakt zwischen dem sättigbaren Absorptionsmaterial 26 und einem Spiegel 27 (Fig. 3B) oder dem aktiven Lasermaterial 28 (Fig. 3C) mit Hilfe eines optischen Klebstoffs 29 gewährleistet.
Aber der Klebstoff führt einen Restabsorptionsfaktor sowie Indexdifferenzen an der Grenzfläche zwischen Klebstoff und geklebten Materialien ein. Zudem kann auch ein eventueller Parallelitätsfehler zwischen den geklebten Elementen eine Quelle von Verlusten in dem Laserresonator sein.
3- Die Fig. 3D und 3E zeigen eine dritte mögliche Anordnung. Die Bezugszeichen 30, 31 bezeichnen die Eingangs- und Ausgangsspiegel des Laserresonators. Das Bezugszeichen 32 stellt hier das aktive Lasermaterial dar, aber dieses ist kodotiert mit den aktiven Laserionen und Ionen des sättigbaren Absorptionsmaterials. Es ist folglich unmöglich, die Eigenschaften des Lasermaterials und des sättigbaren Absorptionsmaterials unabhängig einzustellen.
Nun hat die Dicke des Mediums zugleich Einfluß auf die Absorption des sättigbaren Absorptionsmaterials und die Absorption der aktiven Laserionen sowie auf die Struktur von Lasermoden.
Außerdem sind die Absorptionskoeffizenten der aktiven Laserionen und sättigbaren Absorptionsmaterialien direkt mit den Konzentrationen dieser Ionen verknüpft, die bei dem Wachsen der Kristalle endgültig festgelegt werden und in der Folge nicht mehr modifiziert werden können. Für jede Laserkonfiguration muss folglich wieder ein neuer Kristall gezüchtet werden.
Im Fall der passiv gütegeschalteten Laser schließlich, wo dasselbe Ion (z. B. Er) zugleich für die Laserwirkung und als sättigbares Absorptionsmaterial benutzt wird, ist es unmöglich, diese Kodotierungsmethode zu benutzen. Das gleiche Ion kann nämlich als aktives Ion oder als sättigbares Absorptionsmaterial- Ion dienen, vorausgesetzt, die Konzentrationen sind sehr unterschiedlich. Für das sättigbare Absorptionmaterial muss die Konzentration sehr viel höher sein als für das aktive Lasermaterial.
Um obige Probleme zu beseitigen, schlägt die Erfindung vor, das sättigbare Absorptionsmaterial in Form einer Dünnschicht, direkt auf dem aktiven Material des Mikrolaserresonators abzuscheiden.
Einer der Hauptvorteile der Erfindung nach dieser besonderen Ausführungart betrifft die Struktur des gütegeschalteten Mikrolasers (oder des Laser-Mikrosystems, bestehend aus einem mit Mikrooptik verbundenen Mikrolaser), die dann durch einen Schichtenstapel gebildet wird, der die Möglichkeit einer kostengünstigen Sammelfertigung wahrt. Diese Mehrschichtenstruktur stellt nicht die Einfachheit und die Verfahren der Sammelfertigung, also der niedrigen Kosten der Mikrolaser, in Frage, wie sie für die kontinuierlichen Mikrolaser entwickelt worden sind. Sie ermöglicht, monlithische, selbstjustierte (ganz ohne optische Ein- bzw Nachstellung) und unverstellbare, passiv gütegeschaltete Mikrolaser herzustellen. Diese Struktur erfordert weder eine Kleboperation noch eine schwierige Ausrichtoperation.
Ein weiterer Vorteil des Mikrolasers in Bezug auf den "kodotierten" Laser beruht darauf, dass man das aktive Medium vom sättigbaren Absorptionsmaterial trennt, aber das Kleben der beiden Medien vermeidet und dabei eine monolithische Struktur bewahrt. Man kann also:
- einerseits die Dicken unabhängig einstellen (während des Abscheidens der Schichten oder durch mechanisches Verdünnen nach dem Abscheiden der Schichten) und auch die Konzentrationen der Ionen in den beiden Medien,
- andererseits, dank dieser Trennung gütegeschaltete Laser herstellen, wo dasselbe Ion (z. B. Er) als aktives Ion und als sättigbares Absorptionsmaterial benutzt werden kann, mit unterschiedlichen Konzentrationen.
Nach einer anderen besonderen Ausführungsart der Erfindung sind die Einspeiseinrichtungen des Dämpfungsstrahls so angeordnet, dass sie eine geleitete Ausbreitung des Dämpfungsstrahls in der Ebene der Dünnschicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial ermöglichen.
So kann das sättigbare Absorptionsmaterial eine Mikrooberfläche umfassen, die so geätzt ist, dass eine geleitete Ausbreitung in der Ebene der Dünnschicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial nach Einspeisung dieses Strahls in den Mikrolaserresonator und Reflexion dieses selben Strahls auf dieser Mikrooberfläche möglich ist.
Nach noch einer anderen Ausführungsart der Erfindung sind die Einrichtungen zum Einspeisen eines Auslösstrahls so angeordnet, dass dieser Strahl sich in dem Mikrolaserresonator in einer Richtung ausbreitet, die nicht in der Ebene der Schicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial enthalten ist.
Noch genauer umfassen bei dieser letzteren Ausführungsart die Einspeiseinrichtungen des Auslösstrahls einen Mikrolinsenteil, vorgesehen außerhalb der Achse des Eingangsspiegels des Mikrolaserresonators.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Dünnschicht durch einen organischen Farbstoff gebildet werden, gelöst in einem polymeren Lösungsmittel. Nach einer Variante kann die Dünnschicht durch Flüssigphasen-Epitaxie abgeschieden werden.
Schließlich hat die Erfindung auch einen Mikrolaser zum Gegenstand, der einen Mikrolaserresonator wie den oben beschriebenen, Pumpeinrichtungen des Resonators und Erzeugungseinrichtungen eines Auslösstrahls der Sättigung des sättigbaren Absorptionsmaterials umfasst.

Kurzbeschreibung der Figuren

Die Erfindung, ihre Merkmale und Vorteile werden besser verständlich durch die nachfolgende, nicht einschränkende Beschreibung von Ausführungsbeispielen, bezogen auf die beigefügten Figuren:
- die schon beschriebene Fig. 1 zeigt schematisch einen aktiv gütegeschalteten Mikrolaser der vorhergehenden Technik,
- die Fig. 2 zeigt die Reflektivität des zweiten Resonators, gesehen durch das aktive Lasermedium des ersten Resonators in einem aktiv gütegeschalteten Mikrolaser der vorhergehenden Technik,
- die Fig. 3A bis 3E, schon beschrieben, stellen schematisch diverse mögliche Anordnungen eines Laserresonators nach der vorhergehenden Technik dar,
- die Fig. 4A und 4B zeigen einen Mikrolaserresonator mit einer Dünnschicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial im Plan-plan- oder Plan-konkav-Modus,
- die Fig. 5 und 6 zeigen spezielle Ausführungsarten eines erfindungsgemäßen Mikrolasers,
- die Fig. 7A und 7B zeigen eine andere Ausführungsart eines nicht erfindungskonformen Mikrolasers mit Einspeisung des Auslösstrahls mittels optischer Faser,
- die Fig. 8A und 8B zeigen den Betrieb eines passiv gütegeschalteten Mikrolaserresonators einerseits nach der vorhergehenden Technik (Fig. 8A) und andererseits im Falle eines Mikrolasers nach der vorliegenden Erfindung (Fig. 8B).

Detaillierte Darstellung von Ausführungsarten der Erfindung

Die Erfindung hat zunächst in allgemeiner Weise einen Mikrolaserresonator zum Gegenstand, der ein aktives Festkörpermedium umfasst, enthalten zwischen einem Eingangsspiegel und einem Ausgangsspiegel, sowie ein sättigbares Absorptionsmaterial, das ermöglicht, den Mikrolaser passiv gütezuschalten. Außerdem sind Einrichtungen vorgesehen, um die Einspeisung eines Auslösstrahls der Sättigung des sättigbaren Absorptionsmaterials zu ermöglichen.
Der Auslösstrahl kann z. B. von einer Laserdiode stammen. Dieser Laserquellentyp ist kompakt und vollkommen kompatibel mit den kleinen Abmessungen des Mikrolasers. Zudem ist die von einer Laserdiode emittierte Leistung sehr leicht modulierbar durch den Versorgungsstrom der Diode. In dem Fall der vorgesehenen Anwendung (Auslösung eines sättigbaren Absorptionsmaterials) ist insbesondere darauf zu achten, dass die folgenden Bedingungen bezüglich der Wellenlänge und der Leistung erfüllt werden:
- Wellenlänge: die Auslösquelle erregt vorzugsweise das sättigbare Absorptionsmaterial auf denselben Übergang wie dies der Laserstrahl tut. Die Absorption dieses letzteren ist auf diesen Übergang zurückzuführen und daher muss er gesättigt werden. Es ist folglich möglich, eine Wellenlänge gleich der Laserwellenlänge zu benutzten oder auch eine kürzere Wellenlänge, die energetischeren Photonen entspricht. Im letzteren Fall ist darauf zu achten, dass die erregten Zentren sich entregen, um auf das richtige Energieniveau zurückzufallen (im Falle einer diskreten Verteilung der Energieniveaus), oder dass die gewählte Wellenlänge innerhalb der Grenze des Absorptionsbands bleibt (im Falle eines Absorptionsbandes in dem sättigbaren Absorptionsmedium). In dem Beispiel eines sättigbaren Absorptionsmaterials, dessen Verunreinigungen durch Cr&sup4;&spplus;-Ionen gebildet werden, eignet sich eine Emissionsdiode mit 980 nm, um einen Auslösstrahl zu erhalten.
- emittierte Leistung: tatsächlich ist nur ein kleines Leistungsquantum nötig, um die Absorption des sättigbaren Absorptionsmaterials auszulösen. Wenn man in Betracht zieht, dass der Weg in dem Lasermedium und in dem sättigbaren Absorptionsmaterial kurz ist und dass die Leistungsverluste des Auslösstrahls gering sind, genügt es, über eine Auslösquelle mit einer Leistung in der Größenordnung von einigen zehn Milliwatt (zwischen ungefähr 10 und 100 mW) zu verfügen. Diese Größenordnung ist durchaus kompatibel mit leistungsschwachen Dioden, die im Handel erhältlich sind, wobei die Anpassung der Wellenlänge möglich ist, indem man die in der Laserdiode verwendeten III-V-Halbleitermaterialien hinzufügt; diese Anpassungsverfahren sind dem Fachmann bekannt und werden hier nicht noch genauer detailliert; außerdem kann man sich auf den Artikel von Pocholle in SPECTRA 2000, Nr. 164, April 1992, S. 27 beziehen.
Die Erfindung wird nun in dem Fall beschrieben, wo das sättigbare Absorptionsmaterial sich in Form einer Dünnschicht präsentiert. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Dünnschicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial direkt auf dem Verstärkermedium abzuscheiden, wie dargestellt in den Fig. 4A und 4B. In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 36 das aktive Lasermedium, das Bezugszeichen 38 bezeichnet eine Dünnschicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial und diese beiden Elemente sind zwischen zwei Spiegeln 42 und 44 enthalten, die den Laserresonator verschließen. Das Bezugszeichen 40 bezeichnet den gesamten Resonator.
Als Option und wie dargestellt in der Fig. 4B ist es möglich, mittels einer aus dem Stand der Technik bekannten Methode (A. Eda et al., CLEO'92, paper CWG33, S. 282 (Conf. on Laser and Electro-optics, Anaheim, USA, May 1992)) auf der Oberfläche des Lasermaterials 36 ein Mikrolinsengitter 45 aus einem transparenten Material herzustellen (z. B. aus Silicium). Die typischen Dimensionen dieser Mikrolinsen sind:
- Durchmesser von hundert bis einige hundert Mikrometer,
- Krümmungsradien von einigen hundert Mikrometern bis einige Millimeter.
Diese Mikrolinsen dienen dazu, "stabile" Resonatoren des plan-konkaven Typs zu realisieren (der Plan-plan-Resonator ist nicht stabil). Sie ermöglichen, auch im Falle eines optischen Pumpens den Pumpstrahl zu fokussieren.
Das das aktive Medium bildende Material 36 ist für eine Laseremission um 1,06 um z. B. mit Neodym (Nd) dotiert. Dieses Material kann z. B. unter folgenden Materialien ausgewählt werden: YAG (Y&sub3;Al&sub5;O&sub1;&sub2;), LMA (LaMgAl&sub1;&sub1;O&sub1;&sub9;), YVO&sub4;, YSO (Y&sub2;SiO&sub5;), YLF (YLiF&sub4;), GdVO&sub4; oder SYS (SrY&sub4;(SiO&sub4;)&sub3;O) etc. Diese Wahl wird bedingt durch folgende Kriterien, hängt aber auch von den Anwendungen ab:
- wenn der Laserresonator optisch gepumpt wird, vorzugsweise mit einer oder zwei Laserdioden, muss das Material einen starken Absorptionskoeffizienten mit der Wellenlänge der Pumpe haben (z. B. einer um 800 nm emittierenden III-V-Laserdiode), um unter Beibehaltung einer geringen Materialdicke (< 1mm) die Pumpwirkung zu erhöhen;
- ein breites Absorptionsband mit der Wellenlänge der Pumpe, z. B. gegen 800 nm, um dem Wellenlängen-Stabilisierungsproblem der Laserdiode zu begegnen und derart die Wahl und die elektrische Steuerung der Pump-Laserdiode zu vereinfachen;
- einen großen Wirkungsquerschnitt für stimulierte Emission, um hohe Ausgangsleistungen und Wirkungsgrade zu erzielen,
- eine geringe Breite des Emissionsbands, um leicht einen Monofrequenzlaser zu erhalten oder, im Gegenteil, ein breites Emissionsband, um eine frequenzabstimmbare Laseremission zu realisieren;
- gute thermomechanische Eigenschaften, um die Bearbeitung des Materials zu vereinfachen und die schädlichen thermischen Effekte durch eine gute Abführung der Wärme zu begrenzen, die durch die Absorption der Pumpe erzeugt wird (wobei diese Überschußwärme vom energetischen Wirkungsgrad des Lasers abhängt);
- eine lange Lebensdauer im erregten Zustand für eine große Energiespeicherung, oder eine kurze Lebensdauer für einen schnellen Güteschaltungstakt;
- große Abmessungen, um in einer Sammelfertigung simultan die maximale Anzahl Mikrolaser mit einem Laserkristall herstellen zu können.
Unter den bekannten Materialien sind folgende am besten für den Betrieb des Mikrolaser geeignet (mit vergleichbaren Lebensdauern von einigen hundert Mikrosekunden):
- YVO&sub4;, das einen guten Koeffizienten und ein breites Absorptionsband sowie einen guten Wirkungsquerschnitt aufweist,
- YAG, dessen Absorptionsquerschnitt und Wirkungsquerschnitt für stimulierte Emission durchschnittlich sind und dessen Absorptions- und Emissionsbandbreite klein ist. Es präsentiert sich mit großen Abmessungen und einer guten Wärmeleitfähigkeit.
- LMA: dieses Material bietet einen niedrigen Absorptionskoeffizenten und einen kleinen Wirkungsquerschnitt. Die Absorptions- und Emissionsbänder sind breit. Es kann außerdem große Abmessungen präsentieren.
Die aktiven Ionen (Dotierstoffe) werden im allgemeinen ausgewählt unter:
- Nd für eine Emission um 1,06 um,
- Er oder eine Erbium-Yttrium-Kodotierung Er+Yb für eine Emission um 1,5 um,
- Tm oder Ho oder eine Kodotierung von Thulium und Holmium für eine Emission um 2 um.
- Ein anderer entscheidender Parameter ist die Dicke e des aktiven Mediums 36.
Die Dicke e bedingt die Charakteristika des Mikrolasers:
- einerseits ist die Absorption des Pumpstrahls um so stärker, je größer die Dicke e ist;
- andererseits nimmt die Anzahl der Longitudinalmoden eines Fabry- Perot-Resonators mit der Dicke zu und, wenn man einen Einmoden- Longitudinallaser realisieren will, muss diese Dicke klein sein.
Wenn dg die Breite des Verstärkungsbandes (der Laseremission) des Materials ist, ergibt sich die Anzahl der Moden N aus:
N = dg/dv, und dv = c/2nL,
wo c die Lichtgeschwindigkeit ist und n die Brechzahl des Materials.
Bei einem Monofrequenzlaser wählt man im allgemeinen die minimale Dicke für N = 1, vorausgesetzt diese Dicke ist > 100 um. Die typischen Dicken, um eine einzig Mode zu erhalten, sind:
- YAG L = 750 um
- YVO&sub4; L = 500 um
- LMA L = 150 um.
In der Praxis variiert die Dicke e zwischen 100 um und 5 mm.
Bei den in den Fig. 4A und 4B dargestellten Ausführungsarten präsentiert sich das sättigbare Absorptionsmaterial 38 in Form einer Dünnschicht. Zwei Arten von Dünnschichten können benutzt werden:
- ein Polymer, das die Moleküle des sättigbaren Absorptionsmaterials enthält. Für einen 1,06 um-Mikrolaser kann man als sättigbares Absorptionsmaterial typischerweise einen organischen Farbstoff wie Bis(4-diethylaminodithiobenzyl)nickel (BDN, Kodak, CAS Nº 51449-18-4) in einer Lösung benutzen, die massemäßig 6% Poly(methylmethacrylat) (PMMA) in Chlorbenzen enthält.
Weiter unten werden in Verbindung mit einem Vorbereitungs- bzw. Herstellungsverfahren Varianten beschrieben.
Dieser Lösungstyp wird direkt auf das Lasermaterial aufgeschleudert (s. das Herstellungsverfahren weiter unten). Man realisiert so Dünnschichten mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 bis 5 um, z. B. 2 um, 3 um, 4 um.
- einen anderer Dünnschichtentyp erhält man durch Flüssigphasen-Epitaxie (LPE) direkt auf dem Lasermaterial oder durch irgendein anderes Verfahren, das ermöglicht, die gleiche Abscheidung zu realisieren (das gleiche Material, dieselbe Dotierung, dieselben Eigenschaften): die Dünnschicht wird folglich auf mehr allgemeine Weise mittels LPE hergestellt. Das LPE-Herstellungsverfahren wird weiter unten beschrieben und ermöglicht, auf dem Substrat 36, gebildet durch das aktive Festkörpermedium, eine Schicht mit einer zwischen 1 um und 500 um enthaltenen Dicke herzustellen (z. B. 100 um, 200 um, 300 um, 400 um). Sie besteht aus einem Basismaterial, das identisch ist mit dem Basismaterial des aktiven Festkörpermediums (z. B. YAG), aber sie ist dotiert mit Ionen, die ihr Eigenschaften eines sättigbaren Absorptionsmaterials verleihen, z. B. Cr&sup4;&spplus; für einen 1,06 um-Laser, oder Er³&spplus; für einen Laser um 1,5 um oder Ho³&spplus; für einen Laser um 2 um.
Tatsächlich passt man den Typ des Dotierstoffs an den Laser an, den man güteschalten will, damit die Epitaxieschicht eine mit der Emissionswellenlänge dieses Lasers sättigbare Absorption aufweist.
Folglich sind in diesem Fall das aktive Lasermaterial und die Schicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial von derselben Kristallstruktur und unterscheiden sich nur durch die unterschiedlichen Dotierstoffe, die die kristallinen Eigenschaften dieser beiden Medien beeinflussen.
Die Eigenschaften der Dünnschicht in dem einen und dem anderen Fall sind sehr unterschiedlich.
So definiert man für jeden Schichttyp die Schadensschwelle. Jenseits einer bestimmten, in dem Resonator vorhandenen Leistungsdichte kann man die Schicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial zerstören. Diese Grenzleistungsdichte, Schadensschwelle genannt, ist im Falle des Polymers mit organischem Farbstoff kleiner als im Falle der durch LPE abgeschiedenen Dünnschicht. Im ersten Fall muss man daher im Resonator mit niedrigeren Energien als im zweiten Fall arbeiten.
Außerdem führt in einem Fall die Indexdifferenz zwischen dem Lasermaterial 8 und dem Polymer 12 eine optische Grenzfläche zwischen den beiden Medien ein. In dem anderen Fall kann man die LPE nur auf demselben Material durchführen (z. B. YAG auf YAG, wobei nur die Dotierung unterschiedlich ist), was die Ausdehnung der Anwendungen begrenzt aber ermöglicht, den Index der Epitaxieschicht an den des aktiven Lasermediums anzupassen (das als Epitaxiesubstrat dient) und folglich die Bildung einer optischen Grenzschicht zwischen den beiden Medien zu vermeiden.
Schließlich beeinflusst die Art der Dünnschicht die zeitliche Form der Emission oder die Laserimpulsfolge bzw. -kette. Im Falle des in einem Polymer gelösten organischen Farbstoffs ist die Verfallzeit des Farbstoffs sehr kurz (~1ns), während im Falle der Epitaxieschicht die die Verunreinigungen bildenden Ionen (Cr&sup4;&spplus;, Er³&spplus;, Ho³&spplus;) sehr viel längere Verfallzeiten haben (in der Größenordnung 1 us oder mehr). Diese Eigenschaften bedingen natürlich die Wahl der Dünnschicht in Abhängigkeit von der vorgesehenen Anwendung.
Um einen kompletten Laserresonator zu realisieren, ist das aktive Medium mit seiner (oder seinen) Schicht(en) aus sättigbarem Absorptionsmaterial zwischen zwei Spiegeln 42, 44 enthalten. Der Eingangsspiegel, abgeschieden mittels bekannter Verfahren, ist vorzugsweise ein Spiegel des dichroitischen Typs mit einer maximalen Reflektivität (möglichst nahe bei 100%) für die Wellenlänge des Lasers, und einer möglichst hohen Transmission (> 80%) für die Wellenlänge der Pumpe (im allgemeinen gegen 800 nm für Nd-dotierte Materialien, gegen 980 nm für die Er-dotierten und gegen 780 nm für die Tm-dotierten). Der Ausgangsspiegel ist ebenfalls vom dichroitischen Typ, lässt aber einige % des Laserstrahls durch.
Man erhält folglich einen Laserresonator mit einer Struktur wie dargestellt in den Fig. 4A und 4B.
Man sieht sofort den Vorteil einer solchen Struktur, da sie zu keinem Zeitpunkt eine optische Ausrichtung der verschiedenen Bestandteile und keinen optischen Klebstoff erfordert und dabei die Probleme vermeidet, die mit einer Struktur verbunden sind, wo das aktive Medium mit den aktiven Laserionen und den Ionen des sättigbaren Absorptionsmaterials kodotiert wird.
Das Pumpen dieses Resonatortyps ist voreilhafterweise ein optische Pumpen. Die III-V-Laserdioden sind besonders gut geeignet, einen Mikrolaserresonator zu pumpen.
Ein wie oben beschriebener Mikrolaser kann erfindungskonform auf gesteuerte Weise gütegeschaltet werden, indem man die Sättigung des sättigbaren Absorptionsmaterials auslöst mit Hilfe eines zu diesem Zweck vorgesehenen Auslösstrahls. In der Folge werden verschiedene Varianten in Verbindung mit den Fig. 5, 6, 7A und 7B beschrieben.
In der Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen 46 das aktive Lasermedium, das Bezugszeichen 48 eine Dünnschicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial und die Bezugszeichen 50 und 52 den Eingangs- und den Ausgangsspiegel des Mikrolaserresonators. Ein Pumpstrahl des aktiven Lasermediums ist schematisch durch einen mit 54 bezeichneten Pfeil dargestellt, während ein Auslösstrahl der Sättigung des sättigbaren Absorptionsmaterials 48 mit 56 bezeichnet ist. Die in der Fig. 5 dargestellte Konfiguration ist eine sogenannte Transversalkonfiguration, d. h. dass der Auslösstrahl 56 sich in der Dünnschicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial senkrecht zur Achse des Pumpstrahl 54 des Laserresonators und des durch den Mikrolaser emittierten Laserstrahls 58 ausbreitet. Tatsächlich ist im Falle eines sättigbaren Absorptionsmaterials, das sich in Form einer Dünnschicht präsentiert, die Transversalkonfiguration in dem Maße, wie die Dünnschicht die Rolle des Leiters des Auslösstrahls spielt, besonders vorteilhaft. Dieser letztere breitet sich also bis in Höhe der in Fig. 5 durch den Buchstaben A definierten Zone aus, d. h. der Zone, wo der Laserstrahl in dem Resonator auf das sättigbare Absorptionsmaterial trifft. Vorzugsweise erfolgt die Ausbreitung des Auslösstrahls im Innern der Schicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial über die kürzestmögliche Distanz d, denn dieser letztere wird über die gesamte Länge seiner Ausbreitung in der Schicht absorbiert. Die Distanz d wird jedoch durch die Größe der mikrooptischen Bauteile bestimmt, die verwendet werden, um den Pumpstrahl und den Auslösstrahl in den Mikrolaserresonator einzuspeisen.
Außerdem kann der Index der Schicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial an die geleitete Ausbreitungsmode angepasst werden (durch Kodotierung mit Gadolinium (Ga) und Lutetium (LU), wobei das erste dazu dient, den Index anzupassen, und das zweite ermöglicht, die Maschenverbreiterung des Kristallgitters infolge des Eindringens des ersten zu kompensieren).
Bei dieser Ausführungsart kann man zum Eispeisen des Auslösstrahls 56 in den Mikrolaserresonator auf die Techniken der Mikrooptik zurückgreifen. So kann die Dünnschicht 48 geätzt werden, um eine Fläche 60 zu erhalten, plan oder nicht plan, die ermöglicht, die Auslöswelle zu reflektieren. Die Neigung dieser geätzten Fläche 60 ist vorzugsweise so, dass man eine Totalreflexion der Auslöswelle erhält. Wenn es keine Totalreflexion gibt, ist es nach einer Variante möglich, eine Reflexionsbearbeitung der Fläche 60 vorzunehmen.
Bei einer Dünnschicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial mit einer geringen Dicke (annähernd unter 10 um) kann die geätzte Fläche durch Photolithographietechnik und eine Maske von variabler Dichte realisiert werden. Für größere Dicken (über 10 um) kann ein schräges Glanzschleifen durchgeführt werden, um diese Fläche 60 zu erhalten.
Der Auslösstrahl 56 kann fokussiert werden, sobald er in das Lasermedium eintritt, z. B. mit Hilfe einer auf die Eingangsseite des Mikrolasers geätzten Mikrolinse 62, in einer der Achse des Pumpstrahls benachbarten Zone. Bei der in der Fig. 5 dargestellten Konfiguration befinden sich der Pumpstrahl 54 des Lasermediums und der Auslösstrahl 56 des sättigbaren Absorptionsmaterials auf derselben Seite des Mikrolasers.
Die Fokussierfunktion des Auslösstrahls 56 kann außerdem durch irgendeine andere Einrichtung erzielt werden, z. B. durch eine diffraktive Linse, eine Fresnel-Linse, etc.
Bei der in der Fig. 6 dargestellten Ausführungsart bezeichnen die Bezugszeichen 64, 66, 68, 70 jeweils das Laserverstärkermedium, eine Dünnschicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial, den Ausgangs- und den Eingangsspiegel des Mikrolaserresonators. Der Pump-, der Auslös- und der Laserstrahl werden durch Bezugszeichen bezeichnet, die mit denen der Fig. 5 identisch sind.
Die in der Fig. 6 dargestellte Ausführungsart kann als quasi-longitudinal bezeichnet werden, d. h. dass der Auslösstrahl 56 sich in Richtung der Dünnschicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial ausbreitet, entsprechend einer Richtung, die in der Ebene dieser Schicht nicht enthalten ist. Bei dieser Ausführungsart muss die Dünnschicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial nicht geätzt werden, im Gegensatz zu der oben in Verbindung mit der Fig. 5 beschriebenen Ausführungsart. Der Auslösstrahl kann hier wieder parallel zum Pumpstrahl 54 zugeführt werden, in Richtung Eingangsseite des Mikrolaserresonators. In Höhe dieser Eingangsseite wird er abgelenkt gegen die Zone A der Schicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial, auf der der Pumpstrahl eintrifft. Die Ablenkung kann durch einen Mikrolinsenteil 72 erzielt werden, den man durch Ätzen des aktiven Lasermaterials 64 mit Hilfe einer Maske mit variabler Dichte in einer der Achse des Pumpstrahls benachbarten Zone erhält.
In den oben beschriebenen Fällen sind der Auslösstrahl 54 und der Pumpstrahl 56 parallel zum Laserstrahl 58, den man am Ausgang des Mikrolaserresonators erhält.
Eine andere, nicht erfindungskonforme Ausführungsart wird nun in Verbindung mit den Fig. 7A und 7B beschrieben. In diesen Figuren ist eine Dünnschicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial mit 80 bezeichnet. Sie ist auf einem Verstärkermedium 74 abgeschieden, wobei das Ganze zwischen einem Eingangsspiegel 78 und einem Ausgangsspiegel 76 des derart hergestellten Mikrolaserresonators enthalten ist. Ein Einschnitt 82 ist in wenigstens einem Teil des sättigbaren Absorptionsmaterials vorgesehen und, wie dargestellt in den Fig. 7A und 7B, in dem Ausgangsspiegel und in einem Teil des Verstärkermediums, um das Ende einer optischen Faser 84 positionieren zu können, die ermöglicht, den Auslösstrahl des sättigbaren Absorptionsmaterials 80 direkt in dieses einzuspeisen, ohne dass er das Verstärkermedium durchqueren muss. Auch hier kann die erhaltene Geometrie wieder als transversal bewertet werden und der Auslösstrahl breitet sich in der Dünnschicht 80 aus, die ihm als Leiter dient. Ein weiterer Vorteil dieser Konfiguration ist, dass sie auch ermöglicht, die Distanz d zu reduzieren, über die sich der Auslösstrahl in der Dünnschicht 80 zwischen dem Ausgangsende 86 der Faser 84 und der Zone des sättigbaren Absorptionsmaterials 80 ausbreitet, auf der der Pumpstrahl 54 eintrifft.
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsarten sind, was die Wahl der Quelle des Auslösstrahls 56 betrifft, die für die Wellenlänge und die Leistung zu berücksichtigenden Bedingungen vorzugsweise die gleichen wie die oben schon beschriebenen. Folglich kann auch hier wieder eine III-V-Halbleiterdiode, deren spektrale Emissionseigenschaften durch die Wahl des Halbleitermaterials angepasst werden, für die verschiedenen beschriebenen Ausführungsarten geeignet sein.
Zudem und wieder für alle Ausführungsarten, die oben beschrieben worden sind, ist klar, dass das Vorhandensein geeigneter Einrichtungen zum Einspeisen eines Auslösstrahls der Sättigung des sättigbaren Absorptionsmaterials den kompakten Charakter der Mikrolaserstruktur überhaupt nicht in Frage stellt.
Außerdem wird kein Element in den Mikrolaserresonator eingeführt, das bei diesem eine optische Nach- bzw. Einstellung erfordert. Schließlich ist kein Störelement des Typs optischer Klebstoff nötig und insbesondere ist der Vorteil der Struktur mit einem sättigbaren Absorptionsmaterial in Form einer direkt auf dem aktiven Lasermedium abgeschiedenen Dünnschicht gewahrt.
Der Betrieb einer erfindungskonformen Vorrichtung wird nun in Verbindung mit den Fig. 8A und 8B beschrieben. In diesen Figuren sind die zeitlichen Entwicklungen und die verschiedenen Betriebszustände der Verlust- und Verstärkungsniveaus eines Laserresonators sowie ein durch Güteschaltung des Resonators erhaltener Laserimpuls dargestellt.
Das Schema der Fig. 8A entspricht dem Fall eines Mikrolaserresonators des klassischen Typs, d. h. ohne Einrichtung zum Auslösen der Sättigung des sättigbaren Absorptionsmaterials. In dieser Figur unterscheidet man zunächst eine Phase I, in der das System keinen Lasereffekt aufweist, denn das sättigbare Absorptionsmaterial erzwingt im Innern des Mikroresonators ein Verlustniveau P, das höher ist als die durch Pumpen erzielte Verstärkung G. Jedoch nimmt diese Verstärkung zu, denn das Festkörper-Verstärkermedium speichert die Energie des Pumpstrahls (mit einem auf die Reemission der Energie durch Fluoreszenz beruhenden Effekt). Ab einem bestimmten Wert der gespeicherten Pumpleistung erreicht und überschreitet die Verstärkung G das Niveau des Gesamtverlustes des Resonators (remanenter bzw. restlicher Verlust + Ausgangstransmission + hoher Verlust des sättigbaren Absorptionsmaterials): dies ist die Phase II (s. Fig. 8A). Im Laufe dieser Phase II beginnen die wenigen durch Fluoreszenz mit der Laserwellenlänge emittierten Photonen, durch das stark gepumpte Lasermedium verstärkt zu werden, trotz noch immer hoher Verluste. Dann, am Anfang der dritten Phase III sättigt sich das Absorptionsmaterial, bis es durchlässig wird und der Laserimpuls I emittiert wird. Dieser Vorgang ist sehr schnell, wobei sich das Absorptionsmaterial plötzlich unter der Lawine der in dem Laserverstärkermedium verstärkten Photonen sättigt. Die Verluste kippen auf ihr niedrigstes Niveau, während die Verstärkung auf einem hohen Niveau bleibt: ein Laserimpuls wird emittiert. Tatsächlich nimmt die Verstärkung sehr schnell ab, bis unter die durch das Verlustniveau P erzwungene Schwelle. Anschließend (Phase IV) kehrt das sättigbare Absorptionsmaterial in seinen Ausgangszustand zurück, denn seine aktiven Zentren entregen sich auf diverse Art (durch spontane Photonenemission, Photonen, ...) und der durch das sättigbare Absorptionsmaterial gebildete Modulator schließt sich wieder.
In dem Fall eines Mikrolaserresonators nach der vorliegenden Erfindung ist die zeitliche Entwicklung derselben Größen (Verlust P, Verstärkung G, Laserimpuls I) in der Fig. 8B dargestellt. In einer ersten Phase I' ist das Verlustniveau P im Innern des Mikrolaserresonators höher als die Verstärkung G, wobei dieses Verstärkungsniveau jedoch eine ansteigende Funktion der Zeit ist. Das maximale Verlustniveau P wird durch das sättigbare Absorptionsmaterial festgelegt (Zusammensetzung, Dicke, Spektralcharakteristika), während das Niveau der Verstärkung durch die Stärke des Pumpstrahls der Mikrolaserresonators bestimmt wird. Tatsächlich wird dieses Pumpniveau so geregelt, dass die Verstärkung nicht das Niveau des Verlustes P erreicht (außer das sättigbare Absorptionsmaterial tritt nach dem klassischen Schema der Fig. 8A in die Phase II ein). Die Einspeisung des Auslösstrahls zu einem Zeitpunkt t&sub0; (z. B. mit Hilfe der Synchronisationseinrichtungen der Pumpquelle des Laserresonators und der Auslösstrahlquelle) entspricht der Einspeisung einer Leistung Pa in Lichtform in das sättigbare Absorptionsmaterial, wobei diese Leistung ausreicht, um das Verlustniveau P im Innern des Resonators unter das Verstärkungsniveau zu bringen. Sobald die Sättigung des sättigbaren Absorptionsmaterials derart ausgelöst ist, stürzt sie nach unten, so dass das Verlustniveau rapide abnimmt (Phase III' in der Fig. 8B), das somit deutlich niedriger als das Verstärkungsniveau wird, was die Emission eines Laserimpulses I zur Folge hat. In der Phase IV' nimmt das Verstärkungsniveau schließlich rasch ab, bis unter die durch die Verluste vorgegebene Schwelle, und das sättigbare Absorptionsmaterial kehrt zu seinem Anfangszustand zurück, wobei seine aktiven Zentren sich entregen: ein Zyklus kann also wiederbeginnen. Der Zeitpunkt, zu dem der Auslösstrahl angeregt wird, kann vom Benutzer gewählt werden: so kann er in der Fig. 8B in t&sub1; oder in t&sub2; sowie in t&sub0; gewählt werden.
Durch den Vergleich dieser beiden Schemata ist es möglich, das sättigbare Absorptionsmaterial als einen gesteuerten Verlust-Modulator zu betrachten:
- in dem klassischen Schema (Fig. 8A) mittels einer internen Lichtquelle des Mikrolaserresonators. Dieser letztere ist stark verrauscht und dieses hohe Geräuschniveau hat die Unbestimmtheit des Zeitpunkts der Gütschaltung des Mikroresonators zur Folge,
- in dem erfindungskonformen Schema (Fig. 8B) mittels einer externen Auslösquelle, die ermöglicht, sich freizumachen von dem zufälligen Charakter, der dem klassischen Betriebsschema innewohnt.
Nun wir ein Herstellungsverfahren eines Mikrolasers nach der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Man kann bei einem solchen Verfahren die folgenden Schritte unterscheiden:
1) - Der erste Schritt besteht darin, das aktive Lasermaterial zu wählen und den gewählten Laserkristall zu konditionieren: dieser letztere wird orientiert und zu Plättchen mit einer zwischen 0,5 und 5 mm enthaltenen Dicke zugeschnitten.
2) - Der folgende Schritt ist ein Schleif- und Polierschritt der Plättchen und hat das Ziel, die auf das Zuschneiden zurückzuführende Oberflächen-Kaltverformungsschicht zu entfernen und die Dicke der Plättchen auf eine Dicke zurückzubringen, die etwas über der Spezifikation des Mikrolasers liegt.
Die geschliffenen und der Enddicke e angenäherten Plättchen werden auf beiden Seiten mit optischer Qualität geschliffen.
Das Schneiden, Schleifen und Polieren erfolgt unter Anwendung bekannter Verfahren mit dem Fachmann bekannten Maschinen.
3) - Dieser Schritt dient der Vorbereitung bzw. Herstellung des sättigbaren Absorptionsmaterials.
3a) - Im Falle eines klassischen sättigbaren Absorptionsmaterials sind verschiedene Verfahren bekannt, die ermöglichen, einen gütegeschalteten Mikrolaserresonator zu realisieren. Insbesondere ist es möglich, eine Kodotierung des Basismaterials des sättigbaren Absorptionsmaterials zu realisieren, um ihm Eigenschaften des aktiven Lasermediums und des sättigbaren Absorptionsmaterials zu verleihen (z. B. YAG dotiert mit Neodym Nd³&spplus;- und Chrom Cr&sup4;&spplus;-Ionen).
3b) - Im Falle eines sättigbaren Absorptionsmaterials, abgeschieden in Form einer Dünnschicht, können zwei Beschichtungstypen realisiert werden:

3b1) - 1. Beschichtungstyp: Aufbringen eines sättigbaren absorbierenden organischen Farbstoffs gelöst in einem Polymer.

Für einen 1,06 um-Mikrolaser kann man als typisches sättigbares Absorptionsmaterial einen organischen Farbstoff wie Bis(4-diethylaminodithiobenzyl)nickel (BDN, Kodak, CAS Nº 51449- 18-4) in einer Lösung aus Poly(methylmethacrylat) (PMMA) verwenden.
Dazu bereitet man eine Lösung vor, die 6% Masse aus Poly(methylmethacrylat) (PMMA) in Chlorbenzen bzw. -benzol enthält (Prolabo), indem man 24 Stunden umrührt. Man fügt 0,2 Massen% BDN hinzu und rührt wieder 2 Stunden um. Die Lösung wird anschließend gefiltert und tropfenweise mit einer kreisförmigen Zentrifugalbewegung auf das Substrat aufgebracht, auf der Ausgangsseite (der Eingangsseite entgegengesetzt, die den dichroitischen Spiegel umfasst). Man kann für diesen "Schleuder"-Überzug eine Standardmaschine wie etwa die benutzen, mit der in der Mikroelektronik Resists aufgetragen werden, die für Lithographieoperationen dienen. Das Substrat wird vorher von allen Spuren von Verunreinigungen befreit, die von der Politur stammen. Man lässt es während 30 Sekunden mit 2000 Umdrehungen/Minute und dann 30 Sekunden mit 5000 Umdrehungen/Minute rotieren. Die Schicht wird schließlich in einem Ofen bei 70ºC getrocknet.
Man erhält so einen Film von 1um Dicke mit 3% aktiver Moleküle (BDN), dessen optische Dichte vor der Sättigung 0,13 bis 1,06 beträgt (74% Transmission). Ein solches sättigbares Absorptionsmaterial hat eine Relaxationszeit von näherungsweise 10 ns und sättigt mit einer Intensität von ungefähr 1 MW/cm².
Indem man die Parameter der Konzentration des Polymers, seiner molekuaren Masse oder seines Lösungsmittels, den Anteil des Farbstoffs sowie die Rotationsgeschwindigkeit der Schleuder variiert, kann man die Leistungen des sättigbaren Absorptionsmaterials anpassen. Die erhaltenen, typischen Spezifikationen sind:
- Dicke des Films: 1 bis 5 um (z. B. 2 um, 3 um, 4 um)
- Moleküldichte: 5 bis 10 Massen%
- Farbstoff: BDN, mm = 685g
- Glasübergang: Tg = 78ºC
- Absorption bei 1,06um: 10 bis 70%
- Sättigungsgrad: 90%
- Wirkungsquerschnitt: 10&supmin;¹&sup6; cm²
- Relaxationszeit: 2 bis 15 ns
- Sättigungsintensität: 0,1 bis 1 MW/cm²
- Ungleichmäßigkeit des Films: < 5% auf 1cm²
- Entpolarisationsgrad: < 10&supmin;&sup5;
- Verluste bei 800nm: < 1%
- Impulsfolgefrequenz: 10-10000 Hz
- Photostabilität: 108 Impulse bzw. Ereignisse
- Aufbringtechnik: Schleuder.
Andere Polymere wie etwa Poly(vinylalkohol) oder Poly(vinylacetat) oder auch Poly(styrol) können anstatt PMMA in ihren jeweiligen Lösungsmitteln verwendet werden. Man kann auch Bis(4-dimethylaminodithiobenzyl)nickel (BDN, Kodak, CAS Nº 38465- 55-3) als Farbstoff verwenden.
Der Farbstoff kann auch in einem Siliciumdioxid-Gel enthalten oder sogar in die Polymerkette implantiert sein.
Zahlreiche weitere metallische Dithienkomplexe können als Farbstoff für andere Wellenlängen dienen, wie beschrieben in den Artikeln von K.H. Drexhage et al., Optics Communication 10(1), 19 (1974), und von Müller-Westerhoff, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 183, 291 (1990).
Die Technik kann auch für die Güteschaltung von Lasern benutzt werden, die mit anderen Wellenlängen als 1,06 um funktionieren. Man güteschaltet z. B. Er- oder Er+Yb-Laser (Er- oder Er+Yb-dotiertes Material, wo das aktive Ion Er ist), die um 1,5 um mit Tetraethyloctahydrotetraazapentaphen-dithiolato-nickel emittieren (s. oben zitierten Artikel von Müller-Weterhoff).

3b2) - 2. Beschichtungstyp: Abscheiden einer Dünnschicht mittels Flüssigphasen-Epitaxie (EPL).

Die S.A.-Schicht (S.A. für Sättigbares Absorptionsmaterial) erhält man durch Eintauchen des Substrats, auf dem man sie abscheidet, in eine entsprechend ausgewählte, übersättigte Lösung. Diese Lösung, oder Epitaxiebad, ist eine Mischung aus einem Lösungsmittel und einem gelösten Stoff, bestehend aus verschiedenen, das Endmaterial bildenden Elementen. Das Substrat und die Schicht haben dieselbe kristalline Struktur und unterscheiden sich nur durch die verschiedenen Dotierstoffe, die die kristallinen und optischen Eigenschaften der Schicht beeinflussen. Die aktiven Ionen, z. B. Nd, Er, Yb machen das Verstärkermaterial, andere Ionen (Cr, Er) verleihen ihm S.A.- Eigenschaften und bestimmte andere können nützlich sein, um die Brechzahl oder die Kristallmaschen des Materials zu variieren (z. B. Ga, Ge, Lu, ...). Es ist also möglich, die Eigenschaften der hergestellten Schichten zu steuern.
Dieses Verfahren kann auf jedes in Form von Einkristallen vorhandene Material (für das Substrat) angewandt werden, das durch Flüssigphasenepitaxie vorbereitet werden kann. Dies ist der Fall der weiter oben für das Basismaterial des aktiven Lasermediums zitierten Materialien: Y&sub3;Al&sub5;O&sub1;&sub2; (YAG), YVO&sub4;, Y&sub2;SiO&sub5; (YSO), YLiF&sub4; (YLF) oder GdVO&sub4; oder SrY&sub4;(SiO&sub4;)&sub3; (SY). Die Zusammensetzung des Bades (Wahl des Lösungsmittels und des Substituenten), die Konzentrationen der verschiedenen Oxide in dem gelösten Stoff und die experimentellen Aufwachsbedingungen (Temperaturenbereich, Betriebsart, ...) werden für jedes Material angepasst, um Schichten zu erhalten, die die bestmögliche kristalline Qualität aufweisen.
Im Falle der Granate (YAG) ist das gewählte Lösungsmittel eine PbO/B&sub2;O&sub3;-Mischung und der gelöste Stoff enthält einen Al&sub2;O&sub3;-Überschuss, um die Granat-Phase zu stabilisieren. Das Verhältnis gelöster Stoff/Lösungsmittel wird dann so berechnet, dass man ein Aufwachsen gegen 1000ºC erhält.
In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Bads, der Temperatur und der Abscheidungszeit kann man die Dicke (1≤e≤200 um, z. B.: 25 um, 50 um, 75 um, 100 um, 125 um, 150 um, 175um; es ist auch möglich, 200 um zu realisieren) und die Dotierstoff- Konzentration in den Schichten anpassen. Das Aufwachsen einer Schicht erfolgt bei konstanter Temperatur, was ermöglicht, eine homogene Dotierstoff-Konzentration in der Dicke der Schicht zu erhalten. Das Substrat führt eine gleichmäßige oder abwechselnde Drehbewegung aus, was eine gute Homogenität der Dicke ermöglicht.
Man kann ein Substrat realisieren, das eine oder zwei S.A.-Schichten trägt, je nach dem, ob man eine Seite des aktiven Materials in das Bad eintaucht, an dessen Oberfläche, oder beide Seiten, wobei das Lasermaterial vollständig in das Bad getaucht wird.
Die mittels Epitaxie erzeugte(n) Fläche(n) kann (können) wieder poliert werden, um eine eventuell durch das Epitaxieverfahren verursachte Rauhigkeit zu beseitigen und um die Dicke der Schicht(en) auf die für den Mikrolaserbetrieb erwünschte Dicke zu bringen.
4) - Abscheidungsschritt des Eingangs- und Ausgangsspiegels.
Es kann sich um dichroitische Spiegel handeln, hergestellt durch Abscheidung dielektrischer Schichten, wobei auch dieses Verfahren dem Fachmann bekannt und im Handel erhältlich ist.
Das Abscheiden des Eingangs- und Ausgangsspiegels kann im Falle einer S.A.-Abscheidung vor oder nach dem vorangehenden Schritt erfolgen, muss aber im Falle der Flüssigphasenepitaxie, die bei hoher Temperatur stattfindet und den Spiegel zerstören könnte, hinterher stattfinden.
5) - Zuschneidschritt der Plättchen für die Mikrolaser- Chips.
Die Plättchen, die die Spiegel, das sättigbare Absorptionsmaterial, das aktive Lasermedium und eventuell die Mikrolinsen umfassen, werden zugeschnitten mit der Diamantsäge (des Typs der in der Mikroelektronik für das Zuschneiden der Si- Chips benutzt wird), um die Laserchips 1 mit einigen mm² Querschnitt zu erhalten.
6) - Die speziellen Schritte der in den Fig. 5, 6 dargestellten Ausführungsarten wurden schon weiter oben beschrieben (Ätzen der Dünnschicht 80, um die reflektierende Oberfläche 60 zu bilden; Bildung der Mikrolinsen 62, 72). Den Einschnitt 82 im Falle der in den Fig. 7A, 7B dargestellten, nicht erfindungskonformen Ausführungsart, realisiert man mittels klassischer Ätztechniken.
Die erfindungsgemäße Mikrolaserquelle weist alle Vorteile des Mikrolasers, alle Charakteristika der Pulslaser mit aktiver Güteschaltung und alle Vorteile der Pulslaser mit passiver Güteschaltung auf.
Zudem kann sie mit Sammelfertigungsmethoden hergestellt werden. Dies hat zur Folge:
- niedrige Herstellungskosten, den die Muster werden in Losen hergestellt,
- eine gute Zuverlässigkeit jedes innerhalb eines Loses hergestellten Lasers,
- das Entfallen von Nach- bzw. Einstellung und wenig Wartungsbedarf.
Das Herstellungsverfahren profitiert sehr von den für die Mikrolaser mit passiver Güteschaltung entwickelten Verfahren. Ebenso bleibt die Struktur des Mikrolasers sehr einfach, sehr zuverlässig und sehr robust.
Der zeitliche Betrieb ist dem der aktiven Güteschaltung analog, d. h. dass er die folgenden Vorteile aufweist:
- Genauigkeit der Wiederholungsrate bzw. -frequenz,
- Steuerung der Impulsbeginn-Zeitpunkte,
- Synchronisationsmöglichkeit innerhalb eines Systems.
Dieses zeitliche Verhalten kann modelliert und untersucht werden.
Das Triggersignal des Laserimpulses hat eine schwache Leistung. Es genügt, die Sättigung des Absorptionsmaterials auszulösen und die Verstärkung des Lasermediums bewirkt den Rest, um das Absorptionsmaterial vollständig zu sättigen.
Schließlich ist das Geräusch im Anfangszeitpunkt um so schwächer, je stärker das Triggersignal ist. Je weiter die Sättigung des Absorptionsmaterials nämlich fortgeschritten ist, um so mehr wird diese von außen gesteuert und nicht durch die Photonen innerhalb des Laserresonators, die eine Ursache des Geräuschs sind. Mit diesem Güteschaltungssystem kann man einen Kompromiss zwischen der Genauigkeit der zeitlichen Charakteristika der Emission und dem Energieverbrauch des Güteschaltungssystems finden.
Unter den möglichen industriellen Anwendungen der Mikrolaser können insbesondere die Laser-Telemetrie, die Laser- Markierung und -Mikrobearbeitung, die Detektion von Verschmutzungsursachen und die dreidimensionale Bildherstellung genannt werden.
Außerdem kann die Güteschaltungsvorrichtung an einen sehr großen Wellenlängenbereich angepasst werden.

Claims

1. Monolithischer Mikrolaserresonator mit einem aktiven Festkörpermedium (46, 64, 74), einem Eingangsspiegel (50, 70, 78), einem Ausgangsspiegel (52, 68, 76), einem sättigbaren Absorptionsmaterial (48, 66) und Einrichtungen (60, 62; 72), um in das aktive Medium des Resonators durch die Eingangsseite des Mikrolasers, wo sich der Eingangsspiegel (50, 70, 78) des Resonators befindet, einen Strahl (56) zum Auslösen bzw. Einleiten der Sättigung des sättigbaren Absorptionsmaterials einspeisen zu können, parallel zu der Einspeisungseinrichtung eines Strahls (54) in das aktive Festkörpermedium zum Pumpen dieses aktiven Mediums.

2. Mikrolaserresonator nach Anspruch 1, wobei das sättigbare Absorptionsmaterial sich in Form einer Dünnschicht (48, 66, 80) aus sättigbarem absorbierendem Material präsentiert, direkt auf dem aktiven Festkörpermedium (46, 64, 74) abgeschieden.

3. Mikrolaserresonator nach Anspruch 2, wobei die Einspeiseinrichtungen (60, 62; 82) des Strahls zum Auslösen bzw. Einleiten der Sättigung so angeordnet sind, daß sie eine geleitete Ausbreitung dieses Strahls in der Ebene der Dünnschicht aus sättigbarem Absorptionsmaterial ermöglichen.

4. Mikrolaserresonator nach Anspruch 3, wobei das sättigbare Absorptionsmaterial eine Mikrofläche (60) aufweist, die so geätzt ist, daß sie eine geleitete Ausbreitung des Einleit- bzw. Auslösstrahls in der Ebene der sättigbaren Absorptionsschicht (48) ermöglicht, nach Einspeisung des Strahls in den Mikrolaser und Reflexion dieses Strahls an der Mikrofläche (60).

5. Mikrolaserresonator nach Anspruch 2, wobei die die Einspeisungseinrichtungen (72) eines Auslös- bzw. Einleitstrahls so angeordnet sind, daß sie die Ausbreitung eines derartigen Strahls in einer Richtung ermöglichen, die nicht in der Ebene der sättigbaren Dünnschicht aus Absorptionsmaterial enthalten ist.

6. Mikrolaserresonator nach Anspruch 5, wobei die Einspeisungseinrichtungen (72) eines Auslös- bzw. Einleitstrahls einen Mikrolinsenteil umfassen, angeordnet auf der Seite des Eingangsspiegels (70) des Mikrolaserresonators.

7. Mikrolaserresonator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Dünnschicht (48, 66) durch einen in einem polymeren Lösungsmittel gelösten organischen Farbstoff gebildet wird.

8. Mikrolaserresonator nach Anspruch 7, wobei der organische Farbstoff ausgewählt wird zwischen Bis(4-diethylaminodithiobenzyl)nickel oder Bis(4-dimethylaminodithiobenzyl)nickel und das Lösungsmittel eine Lösung von Polymethylmethacrylat (PMMA), von Polyvinylalkohol oder von Polyvinylacetat oder von Polystryrol ist.

9. Mikrolaserresonator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Dünnschicht (48, 66) sich zur Abscheidung mittels Flüssigphasen-Epitaxie eignet.

10. Mikrolaserresonator nach Anspruch 9, wobei die Dünnschicht durch ein Basismaterial gebildet wird, das mit dem des aktiven Festkörpermediums identisch und mit Cr&sup4;&spplus;- oder Er³&spplus;- oder Ho³&spplus;-Ionen dotiert ist.

11. Mikrolaser, einen Mikrolaserresonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, Pumpeinrichtungen des Resonators und Erzeugungseinrichtungen eines Strahls (56) zum Auslösen bzw. Einleiten der Sättigung des sättigbaren Absorptionsmaterials umfassend.