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Diese
Erfindung betrifft einen Laser mit einer mehrlagigen oberflächenemittierenden
Halbleiterverstärkungsstruktur,
unterstützt
von einem Substrat, wobei die Verstärkungsstruktur eine Vielzahl
von aktiven Lagen enthält,
welche durch Abstandslagen beabstandet sind; einem von ersten und
zweiten Spiegeln abgeschlossenen Laserresonator, wobei die Verstärkungsstruktur
in dem Laserresonator angeordnet ist; und einer Pumpstrahlungsquelle,
welche dafür
angeordnet ist, Pumpstrahlung an die Verstärkungsstruktur zum Erzeugen
einer Laserstrahlung mit einer Grundfrequenz in dem Laserresonator
zu liefern, wobei der Laserresonator eine Wellenlängen-selektive
Vorrichtung enthält,
um eine Frequenz der Laserstrahlung innerhalb einer Verstärkungsbandbreitenkennlinie
der Zusammensetzung der Verstärkungsstruktur
auszuwählen.
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Diskussion des Stands
der Technik
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Resonatorintern
frequenzverdoppelte Halbleiterlaser sind im Stand der Technik in
zwei Klassen bekannt. Eine Klasse basiert auf kantenemittierenden
Halbleiterlasern (Diodenlasern), die andere auf elektrisch angeregten
oberflächenemittierenden
Vertikalresonator-Lasern (VCSEL – vertical-cavity surface-emitting
laser). In jeder Klasse muß zum
zweckmäßigen Bewirken
der resonatorinternen Verdoppelung der Resonanzraum des Halbleiterlasers über die Halbleitervorrichtung
hinaus ausgedehnt werden, was einen freien Raum hinterläßt, in welchem
ein optisch nicht-linearer Kristall untergebracht werden kann, um
die Frequenzverdoppelung zu bewirken. Dieses erfolgt üblicherweise
durch die Bereitstellung einer Antireflexionsbeschichtung auf der
emittierenden Oberfläche des
Halbleiterlasers (welche ansonsten als ein Auskoppelspiegel dienen
würde),
und durch die Bereitstellung eines von dieser Oberfläche beabstandeten
Außenspiegels,
um demselben Zweck zu dienen. Eine derartige Anordnung wird üblicherweise
als ein Außenresonator-Halbleiterlaser bezeichnet.
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Der
Wirkungsgrad einer Frequenzumwandlung in einem optisch nicht-linearen
Kristall ist direkt proportional zu der Leistung (Intensität) der auf
dem Kristall einfallenden Grundfrequenz. Dieses ist unabhängig davon
der Fall, ob die Umwandlung eine Verdoppelung in eine zweite harmonische
Frequenz, eine Frequenzmischung zum Erzeugen dritter oder höherer ungeradzahliger
harmonischer Frequenzen oder eine optisch parametrische Oszillation
(OPO) ist. Demzufolge ist zum Beispiel für eine nützliche IC-Verdoppelung ein
Hochleistungshalbleiterlaser (etwa 200 mW oder größer) unbedingt
Voraussetzung. Leider tritt in beiden Klassen von Halbleiterlasern,
welche bisher nach dem Stand der Technik für diesen Zweck verwendet wurden,
eine zunehmende Leistung auf Kosten einer abnehmenden Strahlqualität auf.
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Ein
kantenemittierender Halbleiterlaser beispielsweise ist inhärent eine
Vorrichtung mit hoher Verstärkung,
da das Laserlicht in einer Ebene der Lagen eine Resonanz hat, welche
deren aktiven oder Verstärkungsbereich
bilden. Da die Höhe
(Dicke) dieser Verstärkungsbereichslagen
durch elektrische Begrenzungs- und optische Begrenzungsgesichtspunkte
beschränkt
ist, muß die
Ausgangsleistung durch Vergrößerung der
Breite des Verstärkungsbereichs gesteigert
werden. Wenn die Breite des Verstärkungsbereichs vergrößert wird
(bis zu etwa dem Einhundertfachen seiner Höhe in Hochleistungsvorrichtungen),
können
mehr Moden oszillieren und der Ausgangsstrahl wird stark astigmatisch.
Demzufolge wird die Konstruktion eines angemessenen Resonators zum
Einkoppeln von Licht in einen optisch nicht-linearen Kristall darin,
sowie hinsichtlich der allgemeinen Strahlqualität zunehmend schwieriger, wenn
nicht unmöglich.
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Ein
VCSEL ist inhärent
eine Vorrichtung mit relativ niedriger Verstärkung, da die Resonanz der Laserstrahlung
senkrecht zu der Ebene der Lagen auftritt, welche deren aktiven
Verstärkungsbereich bilden.
Für einen
relativ kleinen Strahldurchmesser, beispielsweise etwa 5 Mikrometer
(μm) oder
weniger, kann ein Einmodenbetrieb und eine hohe Strahlqualität erzielt
werden. Verstärkung
und Ausgangsleistung können
zum Teil durch Erhöhen
der Anzahl aktiver Schichten in dem Verstärkungsmedium verbessert werden.
Dieses ist etwas hinsichtlich Überlegungen
der die Halbleiterstruktur bildenden Materialeigenschaften eingeschränkt. Für eine weitere
Zunahme in der Leistung muß jedoch
die Fläche
der emittierenden Oberfläche
vergrößert werden.
Eine Vergrößerung der
emittierenden Oberfläche
auf einen Durchmesser größer als
etwa 5 μm
führt unvermeidlich
zunächst
zu einem Mehrmodenbetrieb. Eine weitere Erhöhung des Durchmessers führt zu Problemen
bei der Anregung des Lasers, da das elektrische Pumpen seitlich
zugeführt
werden muß.
Um dieses gleichmäßig und
effizient auszuführen,
muß der
elektrische Widerstand der den Laser bildenden Halbleiterlagen durch
gesteigertes Dotieren vergrößert werden.
Eine gesteigerte Dotierung verringert jedoch die Lichtdurchlässigkeit
der Lagen und steigert den Resonatorverlust, so daß das Ziel
der erhöhten
Dotierung schnell sich selbst widersprechend wird.
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In
einem Artikel mit dem Titel "A
CW External Cavity Surface-Emitting-Laser", Seiten 313 to 315
in IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 8, No. 3, März 1996,
beschreiben J. V. Sandusky und S. R. J. Brueck einen Laser, in welchem
eine Pumpstrahlungsquelle in der Form eines 715 nm CW Ring-Farbstofflasers mit
einer auf den oberflächenemittierenden
Laserwafer einfallenden Leistung von 50 mW auf eine Strahltaille
von 10 bis 15 μm
fokussiert ist. Der Außenresonator
wird als nahezu halbkugelförmig
beschrieben und verwendet einen Auskopplungsreflektor mit 50 mm
Außenkrümmungsradius.
Der Laser arbeitete nur im Mehrmodenbetrieb, und die aufgezeichnete
maximale Leistung war etwa 20 μW.
Sandusky und Brueck stellen fest, daß: "der Mehrmodenbetrieb und die Effekte
der Apertur noch nicht gut verstanden sind". Diese Autoren erwähnen auch, daß experimentelle
Untersuchungen eines VCSEL-Betriebs in einem Außenresonator die Einfügung von Komponenten,
wie z. B. einer Brewster-Winkelplatte zur Polarisationssteuerung
oder eines resonatorinternen Etalons zur Abstimmungssteuerung in
den Resonator ermöglichen.
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Der
in Optic Letters, vol. 16, no. 18, Seiten 1394 – 1396 veröffentlichte Artikel offenbart
einen Laser mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
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Es
besteht ein Bedarf für
einen resonatorintern frequenzumgewandelten Außenresonator-Halbleiterlaser,
welcher eine hohe frequenzumgewandelte Ausgangsleistung zusammen
mit einer hohen Strahlqualität
liefern kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Laser der hierin vorstehend am Anfang definierten Art
dadurch gekennzeichnet, daß die
Pumpstrahlungsquelle eine zur Lieferung von Pumpstrahlung in die
Verstärkungsstruktur
auf ihrer von dem Substrat an weitesten weg liegenden Seite angeordnete
Diodenlaser-Strahlungsquelle ist, und dadurch, daß ein erster
optisch nicht-linearer Kristall in dem Laserresonator angeordnet
und dafür
eingerichtet ist, die ausgewählte
Frequenz der Laserstrahlung in Licht mit wenigstens einer unterschiedlichen
Frequenz umzuwandeln, um dadurch eine frequenzumgewandelte Strahlung
zu erzeugen.
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Nachteile
des herkömmlichen
resonatorintern (IC-) verdoppelten Außenresonator-Halbleiterlasers
werden in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung überwunden,
indem ein an der vertikalen Oberfläche emittierender Laser in
einer Weise verwendet wird, welche dessen inhärente gute Strahlqualität nutzt,
und indem der Laser optisch statt elektrisch gepumpt wird, um eine
hohe Pumpleistung in einen kleinen Strahldurchmesser zu liefern,
um dadurch eine hohe Grundschwingungsleistung bereitzustellen und demzufolge
eine hohe frequenzverdoppelte Leistung ohne die Strahlqualität zu opfern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
eines Vertikalresonator-Halbleiterlasers
gemäß der vorliegenden
Erfindung, welcher einen epitaxial aufgewachsenen monolithischen
Halbleiter aufweist, enthält
die mehrlagige Struktur einen Bragg-Spiegelabschnitt und einen Verstärkungsabschnitt
mit einer Vielzahl durch Abstandslagen beabstandeter aktiver Lagen.
Ein von der Halbleitermehrlagenstruktur getrennter externer Spiegel
ist so angeordnet, daß er
einen Laserresonator mit dem Bragg-Spiegelabschnitt der monolithischen
Halbleitermehrfachlage bildet. Der Laserresonanzraum enthält den Verstärkungsabschnitt
der monolithischen Halbleitermehrfachlage.
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Eine
Pumpstrahlungsquelle ist so eingerichtet, daß sie Pumpstrahlung in den
Verstärkungsabschnitt
der monolithischen Halbleitermehrlagenstruktur liefert, um Laserstrahlung
in dem Laserresonator zu erzeugen. Ein frequenzselektives (wellenlängenselektives)
Element, wie z. B. ein doppelbrechendes Filter (BRF – birefringent
filter), ein Etalon oder ein Dispersionsprisma ist in dem Laserresonanzraum zum
Auswählen
einer Frequenz (Wellenlänge)
der Laserstrahlung innerhalb einer Verstärkungsbandbreitenkennlinie
der Zusammensetzung des Verstärkungsabschnittes
der monolithischen Halbleitermehrlagenstruktur angeordnet. Ein optisch
nicht-linearer Kristall
ist in dem Resonanzraum zwischen dem doppelbrechenden Filter und
dem externen Spiegel angeordnet und so eingerichtet, daß er die
ausgewählte
Frequenz der Laserstrahlung in eine gewünschte umgewandelte Frequenz
umwandelt.
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in welchen:
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1 schematisch
eine bevorzugte Ausführungsform
eines optisch gepumpten oberflächenemittierenden
Außenresonator-Halbleiterlasers
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem Außenresonanzraum
mit einem für
Frequenzverdoppelung eingerichteten optisch nicht-linearen Kristall
darstellt,
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2 schematisch
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
eines optisch gepumpten oberflächenemittierenden
Außenresonator-Halbleiterlasers gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem Außenresonanzraum
mit einem für
Frequenzverdoppelung eingerichteten optisch nicht-linearen Kristall
darstellt,
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3 schematisch
noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines optisch gepumpten oberflächenemittierenden
Außenresonator-Halbleiterlasers
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem Außenresonanzraum
mit einem für
Frequenzverdoppelung eingerichteten optisch nicht-linearen Kristall
darstellt,
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4 schematisch
noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines optisch gepumpten oberflächenemittierenden
Außenresonator-Halbleiterlasers
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem Außenresonanzraum
mit einem für
nicht-kollinear gepumpte optisch parametrische Oszillation eingerichteten
optisch nicht-linearen Kristall darstellt,
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5 schematisch
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
eines optisch gepumpten oberflächenemittierenden
Außenresonator-Halbleiterlasers gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem Außenresonanzraum
mit einem für
kollinear gepumpte optisch parametrische Oszillation eingerichteten
optisch nicht-linearen Kristall darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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In
den Zeichnungen, in welchen gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet sind, stellt 1 eine bevorzugte Ausführungsform
10 eines optisch-gepumpten IC-verdoppelten Vertikalresonator-Lasers
gemäß der vorliegenden Erfindung
dar. Der Laser 10 enthält
eine epitaxial aufgewachsene monolithische (oberflächenemittierende)
Halbleiter-Mehrfachlagenstruktur 12, die einen Bragg-Spiegelabschnitt 14 enthält, und
einen Verstärkungsabschnitt 16 mit
einer Vielzahl (nicht dargestellter) aktiver Lagen, die durch (nicht
dargestellte) Abstandslagen beabstandet sind. Es sei hier angemerkt,
daß der
Begriff "Abstandslagen" in dem Zusammenhang
dieser Beschreibung und der beigefügten Ansprüche auf eine oder mehrere die
aktiven Lagen trennende Lagen zutrifft. Wenigstens eine derartige
Lage absorbiert optische Pumpstrahlung. Abhängig von der Zusammensetzung
dieser Lagen können
eine oder mehrere andere Lagen zur Kompensation mechanischer Spannung
enthalten sein. Derartige Anordnungen sind auf dem Gebiet der Halbleiterlaser
allgemein bekannt, und jede derartige Anordnung ist in dem Zusammenhang
der vorliegenden Erfindung anwendbar. Eine detaillierte Beschreibung
derartiger Anordnungen ist für
das Verständnis der
Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, und wird
demzufolge hierin nicht präsentiert.
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Die
monolithische Halbleitermehrlagenstruktur 12 ist mit einem
Substrat oder einer Wärmesenke 18 verbunden.
Die monolithische Halbleitermehrlagenstruktur 12 kann optional
eine (nicht dargestellte) Antireflexionsbeschichtung auf einer äußersten Oberfläche (der
emittierenden Oberfläche)
des Verstärkungsbereiches 16 enthalten.
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Ein
externer Spiegel 20 und ein Faltspiegel 22 sind
so angeordnet, daß der
externe Spiegel 20 und der Bragg-Spiegelabschnitt 14 der monolithischen
Halbleitermehrlagenstruktur 12 einen Laserresonanzraum 23 ausbilden.
Der Verstärkungsabschnitt 16 der
monolithischen Halbleitermehrlagenstruktur 12 ist dadurch
in dem Laserresonanzraum 23 enthalten.
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Eine
Pumpstrahlungsquelle 24 ist dafür eingerichtet, Pumpstrahlung
einem Verstärkungsabschnitt 16 der
monolithischen Halbleitermehrlagenstruktur 12 über ihre
emittierende Oberfläche
zuzuführen,
um Laserstrahlung in dem Laserresonanzraum 23 zu erzeugen.
Eine auf diese Weise erzeugte Grundstrahlung zirkuliert in dem Laserresonanzraum 23 entlang
der (hier gefalteten) Resonatorachse 26, wie es durch einfache
Pfeilspitzen dargestellt ist. Die Pumpstrahlungsquelle 24 ist
bevorzugt ein kantenemittierender Halbleiterdiodenlaser 28 oder
ein Array derartiger Laser.
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Zur
Vereinfachung ist Pumpstrahlung 29 aus dem Diodenlaser 28 in 1 als
ein divergenter Strahl dargestellt, der direkt auf eine Fokussierungslinse 30 auftrifft,
um auf einen Verstärkungsabschnitt 16 einer
monolithischen Halbleitermehrlagenstruktur 12 fokussiert
zu werden. Ein Vorteil der Konfiguration des Lasers 10 besteht
darin, daß die
Pumpstrahlung an den Verstärkungsabschnitt
der Halbleiterlagenstruktur 12 ohne Durchquerung irgendeiner
anderen Resonanzraumkomponente geliefert werden kann. Ein weiterer
Vorteil der Konfiguration des Lasers 10 besteht darin,
daß eine
oder mehrere zusätzliche Pumpstrahlungsquellen
verwendet werden können, um
zusätzliche
Pumpstrahlung auf den Verstärkungsabschnitt 16 der
monolithischen Halbleitermehrlagenstruktur 12 zu liefern,
wie in 1 durch die Pfeile 29A angedeutet.
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Die
Linse 30 ist zu Vereinfachung in 1 als nur
ein positives Element dargestellt. Der Fachmann auf diesem Gebiet
wird erkennen, daß die
Linse 30 zwei oder mehrere Elemente enthalten kann, und
er wird auch erkennen, daß eine
oder mehrere zylindrische oder anamorphe Elemente erforderlich sein
können,
um den inhärenten
Astigmatismus im Strahl 29 zu kompensieren. Der Fachmann
auf diesem Gebiet wird ferner ohne zusätzliche Darstellung erkennen,
daß Licht
aus dem Diodenlaser 29 gesammelt und zu der Linse 30 über einen
optischen Wellenleiter oder eine optische Faseranordnung transportiert
werden kann.
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Ein
optisch nicht-linearer Kristall 32 ist in dem Laserresonanzraum 23 angeordnet
und dafür eingerichtet,
eine vorbestimmte Frequenz einer Laser-Grundstrahlung zu verdoppeln,
die aus einem Spektrum derartiger durch ein Verstärkungsbandbreitenprodukt
definierter Frequenzen ausgewählt ist.
Die frequenzverdoppelte Strahlung zirkuliert nur in einem Arm 23a des
Laserresonanzraums 23, wie es durch doppelte Pfeilspitzen
dargestellt ist. Die Verstärkungsbandbreite
ist für
die Zusammensetzung des Verstärkungsbereiches 16 der
monolithischen Halbleitermehrlagenstruktur 12 charakteristisch.
Die frequenzverdoppelte Strahlung wird aus dem Laserresonanzraum 23 über den
Faltspiegel 22 entnommen, welcher für eine hohe Reflektivität bei der Grundwellenlänge und
für eine
hohe Transmission bei der zweiten harmonischen (frequenzverdoppelten)
Wellenlänge
beschichtet ist.
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Ein
doppelbrechendes Filter 34 ist im Arm 23B des
Laserresonanzraums 23 zum Auswählen der vorbestimmten Frequenz
der Laserstrahlung angeordnet. Ein frequenz-(wellenlängen)-selektives Element, wie
zum Beispiel ein Doppelbrechungsfilter 34, ein unbeschichtetes
Etalon, oder ein Dispersionsprisma ist in dem erfindungsgemäßen Laser
unter anderem aus zwei Gründen
vorteilhaft.
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Einerseits
können
Schwankungen in der Zusammensetzung des Verstärkungsbereiches 16 der monolithischen
Halbleitermehrlagenstruktur 12 aufgrund von Steuerungstoleranzen
in der Herstellung erwartungsgemäß eine entsprechende
Schwankung der Grundfrequenz erzeugen. Typischerweise überschreitet
diese Schwankung nicht die Verstärkungsbandbreite.
Demzufolge stellt das doppelbrechende Filter 34 sicher,
daß die
Grundlaserstrahlung immer dieselbe Frequenz trotz Fertigungsschwankungen
in der Halbleitermehrlagenstruktur aufweist. Dieses ist von selbst
aus Gründen
der Herstellungsqualität
und Konsistenz in einem optisch gepumpten Externresonanzraumhalbleiterlaser vorteilhaft,
unabhängig
davon, ob die Laserfrequenz innerhalb des Resonators verdoppelt
wird oder nicht.
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Andererseits
wird typischerweise in jedem Falle ein optisch nicht-linearer Kristall
zum Frequenzverdoppeln einer spezifischen Frequenz angeordnet. Da
der Verdopplungsprozess einen Verlust in dem Laserresonanzraum darstellt,
wird der Resonator bei einem gegebenen Verstärkungsmedium mit ausreichender
Verstärkungsbandbreite
versuchen, mit einer anderen Frequenz als der zu verdoppelnden Frequenz
zu schwingen (sogenanntes "Wellenlängenspringen"), um den Verlust
zu vermeiden. Die Folge davon ist eine unkontrollierte Modulation
oder Rauschen, wenn nicht ein vollständiger Verlust der frequenzverdoppelten
Ausgangsleistung. Der Einschluß eines
doppelbrechenden Filters 34 zwingt den Laserresonanzraum 23 nur
bei der zu verdoppelnden ausgewählten
Frequenz zu schwingen, wodurch eine Frequenzverdoppelung und eine
Beseitigung des Rauschens aufgrund von Wellenlängenspringen erzwungen werden.
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Optisches
Pumpen erlaubt das Liefern einer hohen Pumpleistung in einen relativ
kleinen Strahldurchmesser auf den Verstärkungsbereich 16 der monolithischen
Halbleitermehrlagenstruktur 12. In diesem Falle arbeitet
bei gegebener geeignet stabiler Resonatorkonfiguration für den Laserresonanzraum 23 der
Resonator inhärent
in einem Einmodenbetrieb. Ein derartiger Resonanzraum wird hierin
nachstehend im Detail weiter diskutiert. Ein Einmodenbetrieb erzeugt
nicht nur eine hohe Strahlqualität,
sondern schließt
auch eine Ausgaberauschphänomen-Charakteristik
eines unkontrollierten Mehrmodenbetriebs, wie z. B. Modenkopplung
und Summenfrequenzerzeugung im optisch nicht-linearen Kristall 32 aus.
Demzufolge stellt der Einmodenbetrieb bei hoher Pumpleistung, kombiniert
mit der Elimination von Wellenlängenspringen
durch das BRF 34 sicher, daß eine frequenzverdoppelte
Ausgangsstrahlung mit hoher Leistung und niedrigem Rauschen mit
hoher Strahlqualität
verfügbar
ist.
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In
einem bevorzugten Beispiel eines IC-verdoppelten, optisch gepumpten
Halbleiterlasers gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält
die Halbleitermehrlagenstruktur 12 einen Bragg-Spiegelabschnitt 14,
welcher aus abwechselnden Schichten aus Galliumarsenid (GaAs) und
Aluminiumarsenid (AlAs) besteht, und einen Verstärkungsabschnitt 16, welcher 15 aktive
Lagen aus Indiumgalliumarsenid (InGaAs) beabstandet durch Abstandsschichten
aus Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaSP) aufgebaut ist. Die aktive
Lagenzusammensetzung stellt eine Grundlaserstrahlung mit einem Ausgangsspektrum nominell
um eine Wellenlänge
von etwa 976 nm zentriert bereit. Die Pumplichtquelle 24 liefert
etwa 1,0 Watt an Pumpleistung bei einer Wellenlänge von etwa 808 nm an den
Verstärkungsabschnitt 16 der Halbleitermehrlagenstruktur 12.
Das doppelbrechende Filter 34 ist so eingerichtet, daß es die
Grundstrahlung von 976 nm auswählt.
Der optisch nicht-lineare Kristall 32 ist ein LBO (Lithiumtriborat
LiB3O5) Kristall
von 5 mm Länge
und ist für
eine Typ I Phasenanpassung eingerichtet. Es sei hier angemerkt, daß, obwohl
LBO ein bevorzugter optisch nicht-linearer Kristall ist, jeder andere
optisch nicht-lineare Kristall beispielsweise Kaliumniobat (KNbO3) oder Kaliumtitanylphosphat (KTP) verwendet
werden kann.
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Der
externe Spiegel 20 ist ein ebener Spiegel, der für eine hohe
Reflektivität
bei der Grundwellenlänge
und der halben Grundwellenlänge
(harmonischen Wellenlänge)
beschichtet ist. Der Faltspiegel 22 besitzt einen Krümmungsradius
von 25,0 mm und ist etwa 18 mm von dem externen Spiegel 20 entfernt angeordnet.
Der Faltspiegel 22 ist für hohe Reflektivität bei der
Grundwellenlänge
und hohe Transmission bei der harmonischen Wellenlänge beschichtet. Die
Halbleitermehrfachlagenstruktur 12 ist etwa 26 mm von dem
Faltspiegel 22 entfernt angeordnet. Diese Resonanzraumanordnung
erzeugt eine Strahltaille zwischen dem Faltspiegel 22 und
dem externen Spiegel 20. Der optisch nicht-lineare Kristall 32 ist
an einer Position angeordnet, welche mit der Strahltaille mit minimalem
Durchmesser übereinstimmt.
Die Strahltaille hat bei den 1/e2-Punkten
etwa 50 μm Durchmesser.
In diesem Beispiel wird eine Ausgangsleistung von etwa 50,0 mW bei
einer Wellenlänge
von etwa 488 nm erhalten.
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Es
sei hier angemerkt, daß ein
IC-verdoppelter optisch gepumpter Halbleiterlaser gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht auf die Verwendung mit Materialien der vorstehend
angegebenen oberflächenemittierenden
Halbleitermehrlagenstruktur beschränkt ist. Jede oberflächenemittierende
aktive Halbleitermehrlagen-Lagenstruktur
kann verwendet werden einschließlich,
jedoch nicht beschränkt
auf InGaAs/GaAs, AlGaAs/GaAs, InGaAsP/GaAs und InGaN/Al2O3 (Indiumgalliumnitrid/Aluminiumoxidlaser).
Diese liefern jeweils Grundwellenlängen in den Bereichen von etwa
850 bei 1100 nm; 700 bis 850 nm; 620 bis 700 nm; und 425 bis 550
nm. Eine Frequenzverdoppelung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann somit Ausgangswellenlängen
bereitstellen, welche von dem grünen
bis in den ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums
reichen. Der Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, daß in den
vorgenannten Bezeichnungen für
die aktive Lagenstruktur die Verbindung auf der linken Seite des
Schrägstrichs
das aktive Lagenmaterial darstellt, und die Verbindung auf der rechten
Seite des Schrägstrichs,
das Abstandsmaterial darstellt, welches als das Substrat dient,
auf welches die Halbleiterlagenstruktur epitaxial aufgewachsen ist.
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Ein
IC-verdoppelter optisch gepumpter Halbleiterlaser gemäß der vorliegenden
Erfindung ist nicht auf die gefaltete Resonanzraumanordnung von 1 beschränkt. Der
Fachmann auf diesem Gebiet wird weitere Resonanzraumanordnungen
ohne weitere Darstellung kennen, welche in der vorliegenden Erfindung
angewendet werden können.
Beispiele alternativer Resonanzraumanordnungen werden nachstehend
dargestellt.
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In 2 ist
eine weitere Ausführungsform
11 eines optisch gepumpten, IC-verdoppelten oberflächenemittierenden
Halbleiterlasers gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Hier wird ein Laserresonanzraum 21 durch
einen ebenen externen Spiegel 20 abgeschlossen, welcher
für hohe
Reflektivität bei
der Grundwellenlänge
und der harmonischen Wellenlänge
beschichtet ist, und durch einen konkaven externen Spiegel 22,
der für
maximale Reflektivität
bei der Grundwellenlänge
beschichtet ist. Die Achse 26 des Resonanzraums 23 wird
durch einen Bragg-Spiegelabschnitt 14 der Halbleitermehrlagenstruktur 12 gefaltet.
Pumpstrahlung wird dem Verstärkungsabschnitt 16 der
Halbleitermehrlagenstruktur 12 gemäß vorstehender Beschreibung
unter Bezugnahme auf den Laser 10 zugeführt. Ein wellenlängenselektives
Element 34 und ein optisch nicht-linearer Kristall 34 sind in
Armen 21B bzw. 21A des Laserresonanzraums 21 enthalten.
Die frequenzverdoppelte Strahlung wird aus dem Resonanzraum 21 durch
einen Strahlteiler 25 reflektiert, welcher für eine hohe
Reflektivität
bei der harmonischen Wellenlänge und
eine hohe Durchlässigkeit
bei der Grundwellenlänge
beschichtet ist. Die Verwendung der Halbleitermehrlagenstruktur
als ein Faltspiegel, wie es vorstehend diskutiert wurde, kann vorteilhaft
dazu genutzt werden, um zusätzliche
Leistung in Konfigurationen des Lasers in Abhängigkeit von der vorliegenden
Erfindung zu erzeugen, indem ein Resonator zwei-oder mehrmals (in einer "Z"-, "W"- oder im allgemeinen Zickzackform)
unter Verwendung von zwei oder mehr Halbleitermehrlagenstrukturen 12 (jede
getrennt optisch gepumpt) als Faltspiegel gefaltet wird. Aus der vorstehend
gegebenen Beschreibung sind derartige Konfigurationen für den Fachmann
auf diesem Gebiet ohne weitere detaillierte Beschreibung oder Darstellung
ersichtlich.
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In 3 ist
eine weitere Ausführungsform
13 eines optisch gepumpten, IC-verdoppelten Vertikalresonatorlasers
gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Der Laser 13 enthält einen
geraden Resonanzraum 25, abgeschlossen durch den Bragg-Spiegelabschnitt 14 der
Halbleitermehrlagenstruktur 12 und einen konkaven Spiegel 22,
welcher für
hohe Reflektivität
bei der Grundwellenlänge
und hohe Transmission bei der harmonischen Wellenlänge beschichtet
ist, um die Ausgabe der frequenzverdoppelten Strahlung zu ermöglichen.
Der Resonanzraum 25 enthält einen optisch nicht-linearen
Kristall 32 und ein wellenlängenselektives Element 34,
welche, wie es vorstehend unter Bezugnahme auf die Laser 10 und 11 beschrieben
wurde, funktionieren. Die Pumpstrahlung wird an den Verstärkungsabschnitt 16 der
Halbleitermehrlagenstruktur 12 geliefert, wie es vorstehend
unter Bezugnahme auf die Laser 10 und 11 beschrieben
wurde.
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Der
Laser 13 ist im Aufbau deutlich einfacher als die vorstehend
beschriebenen Laser 10 und 11, hat jedoch einen
deutlichen Nachteil im Vergleich dahingehend, daß die frequenzverdoppelte Strahlung, die
durch die Grundstrahlung erzeugt wird (und in derselben Richtung
wandert), die den optisch nicht-linearen Kristall 32 in
einer Richtung zu der Halbleitermehrlagenstruktur 12 durchquert,
im wesentlichen vollständig
durch die Absorption in der Halbleitermehrlagenstruktur verloren
geht, was im wesentlichen 100 für
die harmonische Wellenlänge
ist. Die Laser 10 und 11 sind neben anderen Gründen so konfiguriert,
daß der
Verlust der harmonischen Strahlung in der Halbleiterlagenstruktur
vermieden wird.
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Wie
vorstehend erwähnt,
ist die Einfügung eines
wellenlängenselektiven
Elementes 34 in einen optisch gepumpten oberflächenemittierenden
Außenresonator-Halbleiterlaser von
selbst nützlich,
das heißt
selbst bei Fehlen eines resonatorinternen optisch nicht-linearen
Kristalls, da er einen Laser mit einer konstanten gewünschten
Frequenz bereitstellen kann, der in der Lage ist, die der Halbleiterprozesssteuerung
inhärenten
Einschränkungen
zu tolerieren. Es sei auch angemerkt, daß ein getrenntes wellenlängenselektives
Element weggelassen werden kann, wenn wenigstens einer von den Spiegeln 20, 22 oder 23 mit
einem hochselektiven Bandpaßfilter, wie
zum Beispiel einem sehr feinstufigen Etalon oder dergleichen versehen
ist, das in einem reflektiven Modus verwendet wird. In diesem Falle
kann der Spiegel selbst als das wellenlängenselektive Element im Zusammenhang
mit der Auswahl einer speziellen Frequenz aus einer Verstärkungsbandbreite ausgelegt
sein.
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Obwohl
IC-frequenzumgewandelte optische gepumpte Halbleiterlaser gemäß der vorliegenden Erfindung
als IC-frequenzverdoppelte
Laser beschrieben wurden, sollte dieses nicht als Einschränkung der
vorliegenden Erfindung betrachtet werden. Der Fachmann auf diesem
Gebiet wird ohne weitere detaillierte Beschreibung oder Darstellung
erkennen, daß Prinzipien
der Erfindung in gleicher Weise für die Umwandlung in höhere harmonische
Frequenzen durch die Hinzufügung
von einem oder mehreren zusätzlichen
resonatorinternen optisch nicht-lineare Kristallen in dem Resonanzraum
möglich
sind. Dieses kann beispielsweise ausgeführt werden, um die Frequenz
der bereits frequenzverdoppelten Strahlung zu verdoppeln, und dadurch
eine Strahlung einer vierten Harmonischen zu erzeugen, oder um die Grund-
und zweite harmonische Strahlung zu mischen, um eine Strahlung der
dritten Harmonischen zu erzeugen.
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In
einem IC-frequenzumgewandelten und optisch gepumpten Halbleiterlaser
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann auch ein optisch nicht-linearer Kristall 32 ausgewählt und
angeordnet werden, um einen parametrischen Mischprozess und eine
optische parametrische Oszillation (OPO) zu erzeugen. Ein parametrischer
Mischprozess in dem nicht-linearen Kristall erzeugt eine optische
Verstärkung
durch Umwandlung parametrischer Pumpstrahlung bei einer Grundfrequenz ϖpump in Licht bei optischen Ausgangs-(umgewandelten)-frequenzen ϖsignal (Signallicht oder Signalfrequenz)
und ϖidler (Zwischenfrequenz).
Diese Frequenzen haben eine nicht-geradzahlige Beziehung zueinander und
die Bezeichnung, welche Ausgangsfrequenz das Signallicht ist, ist
beliebig.
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Ein
optischer Resonanzraum liefert eine Rückkopplung von verstärktem Signallicht,
was zu einer dauernden Strahlung oder Resonanz des Signallichts
und der Produktion einer nutzbaren Signallichtabgabe führt. Wie
es im Fachgebiet allgemein bekannt ist, können die Signalfrequenz (und
die entsprechende Zwischenfrequenz) kontinuierlich über einen
Bereich von Frequenzen abgestimmt werden. Die Abstimmung kann beispielsweise
durch Einstellen des Winkels des optischen nicht-linearen Kristalls in
Bezug auf den Pumpstrahl erzeugt werden. Ein bevorzugtes optisch
nicht-lineares Kristallmaterial zur Erzeugung einer parametrischen
Mischung ist Betabariumborat (β-BaB2O4 oder BBO).
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4 stellt
eine weitere Ausführungsform
15 eines optisch gepumpten, IC-frequenzverdoppelten Halbleiterlasers
gemäß der vorliegenden
Erfindung dar, wobei der optisch nicht-lineare Kristall 32 für eine optisch
parametrische Oszillation angeordnet ist. Der Laser 15 enthält einen
geradlinigen Laserresonanzraum 25 mit einem wellenlängenselektiven
Element 34 und einem optisch nicht-linearen Kristall 32 und wird
optisch wie vorstehend für
den Laser 13 von 3 beschrieben
gepumpt.
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Eine
optisch parametrische Oszillation wird hier in einer sogenannten
nicht-kollinear gepumpten Anordnung erzielt, für welche ein getrennter Resonanzraum 39 vorgesehen
ist. Der Resonanzraum 39 besitzt eine Resonatorachse 41,
die in einem Winkel α zu
einer Resonatorachse 26 des Resonators 25 geneigt
und durch Spiegel (Reflektoren) 40 und 42 abgeschlossen
ist.
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Der
Winkel α ist
in 4 zur Erleichterung der Darstellung etwas übertrieben.
Der Spiegel 40 ist bei der umgewandelten Frequenz (Sinallichtwellenlänge) hoch
reflektiv. Der Spiegel 42 ist bei der Signallichtwellenlänge teilreflektiv
und teildurchlässig und
dient als ein Auskopplungsspiegel für das Signallicht aus dem Resonanzraum 39.
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Eine
optisch parametrische Oszillation ist auch in sogenannten kollinear
gepumpten Anordnungen möglich,
in welchen Signallicht und parametrisches Pumplicht durch den optisch
nicht-linearen Kristall im allgemeinen entlang einer gemeinsamen Achse
oszillieren. 5 stellt einen derartigen Laser 17 dar.
Der Laser 17 enthält
einen geradlinigen Laserresonanzraum 25 mit einem wellenlängenselektiven
Element 34 und einem optisch nicht-linearen Kristall 32 und
wird optisch wie vorstehend für
den Laser 13 von 3 beschrieben
gepumpt. Außerdem
ist in dem Resonator 25 ein Strahlteilerelement 37 enthalten,
das für
hohe Reflektivität
bei der Signallichtwellenlänge
und hohe Transmission bei der Grundwellenlänge beschichtet ist. Zusammenwirkend
mit dem Strahlteiler 37 und dem Spiegel 22, welches
für Teilreflektivität bei der
Signallichtwellenlänge
und hohe Reflektivität
bei der Grundwellenlänge
beschichtet ist, bildet ein für
hohe Reflektivität
sowohl bei der Signallicht- als
auch Grundwellenlänge beschichteter
Spiegel 52 einen OPO-Resonator 50. Der
OPO-Resonator 50 besitzt eine Achse 56, welche
zu der Achse 26 des Resonators 25 in dem optisch
nicht-linearen Kristall 32 kollinear ist.
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Ausführungsformen
von Lasern gemäß der vorstehend
diskutierten vorliegenden Erfindung enthalten alle ein wellenlängenselektives
Element zum Erzwingen eines Einmodenbetriebs und zum Verhindern
von Wellenlängenspringen.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf bevorzugte und weitere Ausführungsformen
beschrieben und dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf
die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Statt dessen
ist die Erfindung durch die hierin nachstehend beigefügten Ansprüche definiert.