EP0939979A1 - Laser- und verstärkersystem zur erzeugung von laserstrahlung im sichtbaren wellenlängenbereich - Google Patents

Laser- und verstärkersystem zur erzeugung von laserstrahlung im sichtbaren wellenlängenbereich

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EP0939979A1
EP0939979A1 EP97951155A EP97951155A EP0939979A1 EP 0939979 A1 EP0939979 A1 EP 0939979A1 EP 97951155 A EP97951155 A EP 97951155A EP 97951155 A EP97951155 A EP 97951155A EP 0939979 A1 EP0939979 A1 EP 0939979A1
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EP
European Patent Office
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laser
frequency
amplifier
solid
radiation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP97951155A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nikolaus Schmitt
Max KÖNIGER
Peter Unger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP0939979A1 publication Critical patent/EP0939979A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/50—Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3542—Multipass arrangements, i.e. arrangements to make light pass multiple times through the same element, e.g. using an enhancement cavity
    • G—PHYSICS
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/102—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
    • H01S3/1022—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the optical pumping
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2375—Hybrid lasers

Definitions

  • Laser and amplifier system for generating laser radiation in the visible wavelength range
  • the invention relates to a laser and amplifier system.
  • lasers are required which emit red, green and blue in the area of the three primary colors (RGB). These lasers typically have to emit powers in the range of 1 W or more. Furthermore, the lasers have to be miniaturized and efficient in order to enable later mass application.
  • Solid-state lasers of this type are generally based on the optical excitation of laser materials made of crystals or glass which are doped with rare d-ions or ions of the transition metals. Either pulsed, mainly mode-locked lasers are used here, which allow efficient frequency conversion due to high pulse powers, or continuously emitting (cw) lasers.
  • Pulsed lasers have the required output power in all three colors, but are still relatively large. In continuous operation (cw) working lasers are significantly smaller.
  • a typical laser for generating the green wavelength in the watt range, e.g. - a diode-pumped Nd: YAG laser with intracavity frequency doubling, pumped with a fiber-coupled IOW diode - takes up a volume of typically 0.5 - 2 liters and, with an output power of 2 W (cw), has an efficiency of typically> 3% electrical optical performance.
  • the lasers are already much smaller and more efficient than mode-locked lasers, it is still difficult to achieve real mass application in a wide range.
  • the lasers would have to have an efficiency of significantly greater than 10% and a volume of approximately 1/20 liters, on the one hand to find space in small, handy systems and on the other hand to be able to be produced at a correspondingly low cost. It is therefore an object of the invention to demonstrate a simple, efficient and miniaturized laser system which enables the generation of primarily continuous visible laser radiation in the watt range.
  • FIG. 1 shows the basic scheme of an arrangement according to the invention of a diode-pumped solid-state laser of low power and a semiconductor amplifier
  • 3 shows a diagram for assigning the suitable semiconductor materials for the respective wavelength ranges of diode-pumped solid-state lasers
  • FIG. 6 shows a typical layer sequence of an InGaAs amplifier structure (taken from ibid.),
  • 7 is a diagram illustrating the dependence of the spectral gain center and charge carrier density in the quantum film (taken from the same), 8 shows an arrangement according to the invention of solid-state lasers and
  • FIG. 9 shows an arrangement according to the invention of a modulator between solid-state laser and semiconductor amplifier for tuning the solid-state laser radiation to the external resonator or for amplitude modulation
  • 10a shows an arrangement according to the invention of a solid-state laser, the laser radiation of which is first resonantly frequency-multiplied and then coupled into a semiconductor amplifier, and
  • FIG. 10b shows an arrangement according to the invention of a solid-state laser with intra-cavity frequency multiplication and subsequent amplification in a semiconductor element.
  • miniaturized and efficient laser systems would represent, for example, electrically pumped semiconductor laser diodes in the three colors red, green and blue, which, similar to the semiconductor laser diodes in the near infrared, could achieve efficiencies of up to 50%.
  • semiconductor lasers are currently still in the research stage, but in the next few years, semiconductor laser diodes, at least in the green and blue wavelength range, are not to be expected, which emit with an acceptable lifespan at the required power and correspondingly good beam quality. Laser diodes of low power are available here in red.
  • the generation of single-frequency laser radiation with a narrow line width at powers significantly greater than 1 W cw is relatively inefficient.
  • an output power of 1 W single-frequency with an optical pump power of 3 W was achieved in a twisted-mode resonator arrangement, which requires an electrical input power of typically 9 W.
  • the laser line width was 15 MHz (see Plorin et.al., Laser in technology, W. Waidelich (ed.), P. 103).
  • the overall efficiency from an electrical to optical point of view is still only less than 8%.
  • the volume of the single-frequency laser is typically 1 liter.
  • semiconductor laser amplifiers which, like semiconductor laser diodes, are composed of an epitaxial layer sequence of, for example, GaAs, GaAlAs, InGaAs or InGaAsP, are particularly simple.
  • semiconductor amplifiers have anti-reflective coatings on both end faces, so that the semiconductor element is operated far below the threshold power required for laser operation as an oscillator. If you now couple laser radiation on one side of the semiconductor element, it is amplified in the electrically pumped semiconductor material.
  • Such arrangements have also been known for many years and are described, for example, in R. Waarts et. al., Electron. Lett. 26 (1990) 1926.
  • Semiconductor laser diodes made of the same material are usually also used as laser oscillators, the radiation of which is to be amplified.
  • Such oscillator amplifier structures (MOPA from Master-Oscillator-Power Amplifier) are preferably built on the same epitaxial substrate and separated in their function by appropriate structuring.
  • Such components are for example in R. Parke, CLEO 93, Tech. Digest, contribution CTuI4 (1993) 108 and are offered commercially.
  • a resonant external frequency multiplication in which the nonlinear medium is introduced in a separate resonator, which is fed with the radiation from the infrared laser, is also only insufficiently possible with semiconductor laser diodes, since both the beam quality and the laser line width are insufficient, to achieve a good mode adaptation on the one hand as well as a significant increase in performance by tuning the laser diode to an external, narrow-band (multiplication) resonator (or tuning a narrow-band resonator to the laser diode).
  • the external resonator would have to be dimensioned correspondingly wide, which results in a low quality and thus only a slight increase in output.
  • Solid-state lasers for example, diode-pumped Nd: YAG lasers, which can have line widths well below the 1 kHz range and which also have very low frequency noise (jitter), are to be used here according to the invention.
  • This can be explained - in addition to other effects such as very high resonator quality - not least due to the fact that the coefficient for changing the optical resonator length and thus the frequency of the laser radiation with temperature is about two orders of magnitude lower in solid state lasers.
  • This coefficient is for semiconductor laser diodes for example typically 0.3 nm / ° C, corresponding to 830 nm of 130 GHz / ° C compared to typically 3.5 GHz / ° C for Nd: YAG lasers.
  • Particularly simple diode-pumped solid-state lasers are microcrystalline lasers which inherently emit single-frequency due to their short resonator length (cf. e.g. Demtröder, Laser Spectroscopy, Springer-Verlag 1982, p. 286, or N. Schmitt, Tunable Microcrystalline Lasers, Shaker-Verlag 1995).
  • the output power of such lasers is typically 30-50 mW.
  • Powerful single-frequency solid-state lasers have a higher frequency noise and, as described above, are much more inefficient and, moreover, mostly complex, which runs against strong miniaturization.
  • a low-power solid-state laser especially a narrow-band, continuously emitting solid-state laser such as, for example, micro-crystal laser (or also monolithic ring laser).
  • One embodiment of the invention is based on the amplification of the laser radiation of a narrow-band, diode-pumped solid-state laser, for example a microcrystalline laser, preferably consisting of rare earth or transition metal-doped crystal or glass materials, by means of a semiconductor amplifier element, which is chosen by the choice of the epitaxial material as well Structuring is adapted to the emission wavelength of the solid-state laser.
  • solid-state lasers which emit in the range between 900 and 1100 nm are particularly suitable for material combinations of GaAlAs, GaAlAs, InGaAs and / or GaAsP.
  • the dots indicate the binary connections, along the line the wavelength and the lattice constant of the tertiary connection change according to the respective percentage of the two binary connections.
  • the areas between these lines indicate the quaternary compounds (i.e. two elements of group III plus two Group V compounds, example InGaAsP).
  • the horizontal lines here mark the connections with the same lattice constant, with the non-horizontal lines the structure of the composition is strained (strained layer).
  • the thin connecting lines for example between GaP and AIP and AIP and AI As, characterize indirect semiconductor junctions.
  • GaAlAs or InGaAsP structures are preferably used, over 900 nm to approx. 1120 nm InAsP, InGaAs or InGaAsP materials.
  • GaAsP is particularly suitable for amplification in the wavelength range around 630 nm.
  • the selection of the semiconductor amplifier materials is based on the specific wavelength range of the laser color to be generated or the frequency wavelength to be multiplied for this purpose. The respective selection is shown below using the specific examples for red, green and blue laser colors. Both material combinations of the ternary connections (i.e. along the lines) and quaternary connections (i.e. in the intermediate area between the lines) are interesting here.
  • the areas of particular interest are dotted and marked with A for the area of the laser radiation that is to be amplified for the generation of red laser radiation, B for the generation of green laser radiation and C for the generation of blue laser radiation by means of frequency doubling following the amplification.
  • the area D denotes material combinations which, as explained below, are particularly suitable for amplifying red laser radiation which was generated by doubling the frequency before the amplification.
  • the gain curve of such semiconductor amplifiers is typically 50-60 nm wide (Fig. 4, taken from Ebeling / Unger, summary of the 2nd interim report R&D funding code 13 N 6374/3, University of Ulm), its focus can be selected by the thickness of the Epitaxial layer (width of the quantum film QW) and doping of the materials can be adjusted accordingly. 5 (taken from ibid.) Shows a typical layer sequence for an InGaAs amplifier.
  • the width of the quantum film QW also has an influence in particular on the carrier density (carrier concentration), which influences the gain fluctuation (FIG. 6, taken from the same place).
  • the reinforcement of such semiconductor structures which are preferably pumped electrically by charge injection, is generally extremely efficient and is typically 50% that saturation intensity required to generate laser radiation in the watt range typically 5-10 mW (FIG. 7, taken from ibid.).
  • FIG. 1 shows such an embodiment of a diode-pumped solid-state laser, consisting of a pump laser diode (1), the radiation of which is optionally transmitted via an optical fiber (3) and solid-state laser material (4), in this example designed as a monolithic microcrystallized with the required mirror layers, whose radiation is coupled into a semiconductor amplifier unit (5).
  • the optical elements (lenses) 2a-c used for the respective coupling are also shown.
  • the optical fiber shown for transmitting the pump light to the microcrystalline laser, as well as all lenses, are optional here and can optionally be omitted.
  • the semiconductor amplifier (5) is preferably pumped electrically via a corresponding feed line (7) by injecting charge carriers into the pn boundary layer.
  • the spatial structure (6) of the amplifier can preferably be either cuboid (broad stripe) or trapezoidal as shown in the figure by way of example, the latter with the advantage of better beam quality at the amplifier output.
  • Lenses or other elements with lens-like properties can be used for focusing.
  • Miniaturized diode-pumped solid-state lasers such as micro-crystal lasers, monolithic ring lasers or generally longitudinally pumped lasers are preferably used as solid-state lasers. Since the semiconductor element is only operated as an amplifier, ie not in resonance, the narrow-band nature of the laser line is maintained in the first order.
  • the combination of the good laser properties of solid-state lasers with the high and efficient amplification of electrically pumped semiconductor elements creates a miniaturized, efficient laser system that generates output power in the watt range with an extremely small laser line width.
  • the microcrystalline laser as an oscillator represents a particularly preferred embodiment according to the invention since, in addition to excellent laser properties, such as are required for external frequency doubling (narrow line width up to 40 Hz, excellent beam profile M ⁇ typically ⁇ 1.2, see Schmitt) , especially miniaturized.
  • Typical dimensions of the entire micro-crystal laser without a pump diode and coupling optics, which consists, for example, of a monolithically vapor-deposited crystal piece, are 2-3 mm Diameter and typically 200-700 ⁇ m thick. The diameter can be further reduced to 1 mm.
  • the micro-crystal laser is thus of the same order of magnitude as the semiconductor amplifier structures (typically a few 100 ⁇ m in two lateral dimensions and 50-100 ⁇ m in thickness) and can thus be easily brought into a common housing with it, which both reduces costs in the Manufacturing as well as the miniaturization of the laser system accommodates.
  • the pump laser diode which also typically measures a few 100 ⁇ m in each dimension and 50-100 ⁇ m in thickness, as well as the coupling optics can either also be introduced into the housing or the131m laser diode is coupled via an optical fiber and arranged in a separate and housing, the latter improving interchangeability.
  • the micro-crystal laser as well as the coupling optics can be metallized on the side and thus, like the semiconductor amplifier and possibly the pump laser diode, can be soldered into a hybrid housing.
  • micro-crystal lasers and semiconductor amplifiers can also be mounted, for example, on the same heat sink, which enables a significant increase in mechanical stability.
  • the microcrystalline laser whose principle of operation is that the resonator of length L is sufficiently short so that only a single longitudinal resonator mode lies in the amplification range ⁇ v of the laser material, written as L ⁇ c / (- n- ⁇ v) (n is the refractive index of the resonator-internal medium; see N. Schmitt, tunable solid-state lasers), but in principle other miniaturized, frequency-stable single-frequency lasers can also be used. These can be, for example, diode-pumped lasers with highly doped materials, which are attached in the vicinity of a mirror, thus avoiding spatial "hole burning" (see GJ Kintz et al., IEEE J. Quant. Electron. 26 (1990) 1457). . Furthermore, it can also be monolithic ring lasers, such as in T. J. Kane, Opt. Lett. 10 (1985) 65.
  • a diode-pumped single-frequency solid-state laser (preferably microcrystalline laser) (4) is used as the laser oscillator, for example for generating blue laser radiation, which emits in the range between 920 nm and 950 nm (for example by using the quasi- Three level transitions nd doped crystal or glass materials, see Kaminskii, Laser Crystals, Springer-Verlag), the radiation of which is then amplified in the semiconductor element (5) and then coupled into a narrow-band external resonator (consisting of mirrors 8a and 8b), which is a suitable one contains nonlinear element (9) (for example in LBO or BBO crystal or the like) for frequency doubling.
  • nonlinear element 9
  • the laser can be tuned to the frequency of the external doubling resonator, or the external doubling resonator can be tuned to the frequency of the laser. Both frequency tuning and (or in combination) tuning using movable mirrors or the like come into question for frequency tuning (cf. Schmitt, tunable micro crystal laser).
  • a modulator (10) for example an integrated optical waveguide modulator, can also be formed between the solid-state laser and the amplifier, consisting of an electro-optical substrate in which a waveguide (11) is structured and provided with electrodes (12a, 12b) be used for frequency or phase modulation, via which the coupling ("luring") of the resonator frequencies takes place (FIG. 9) and, if necessary, the output power of the frequency-multiplied radiation can be modulated.
  • frequency modulation of the solid-state laser radiation can also be carried out by modulating the radiation from the pump laser diode (1).
  • the arrangement according to the invention also has the essential advantage that only the low power of the solid-state laser has to be modulated before amplification, which can be done much more easily than the modulation of high powers (for example by integrated optical waveguide structures, fiber modulators or the like).
  • the modulator (10) can, however, also be an amplitude modulator. This also enables the modulation of the frequency-multiplied laser light, as is required, for example, in display technology. This arrangement of the modulator in the region of relatively low laser power with modulation of the total output power further represents an essential advantage of the arrangement according to the invention.
  • An alternative form of amplitude modulation is also frequency modulation of the solid-state laser or of the external multiplication Resonators, which leads to frequency mismatch, thus preventing efficient frequency doubling for the moment of modulation.
  • the amplitude of the visible laser beam can also be modulated by switching this disturbance on and off.
  • Another alternative method is to modulate the current to pump the semiconductor amplifier. All methods, both frequency or amplitude modulation in front of the amplifier as well as frequency detuning of solid-state lasers or external resonators as well as the modulation of the pump current of the semiconductor amplifier, allow a very high dynamic of the amplitude modulation in comparison to the conventional modulation of the powerful visible laser radiation itself, since its mode of operation is non-linear enters into the generation of visible laser radiation. Furthermore, all of these methods also allow the combination with one another.
  • An arrangement according to FIG. 1 is also used to generate green laser radiation, in which case the solid-state laser is designed in such a way that it emits laser radiation in the range of approximately 1045-1080 nm.
  • the solid-state laser is designed in such a way that it emits laser radiation in the range of approximately 1045-1080 nm.
  • there are a large number of laser transitions of Nd-doped crystal or glass materials (again see Kaminskii, Laser Crystals).
  • the energy balance compared to the balance for the generation of green laser radiation described at the beginning, is calculated as follows: With an electrical input power of 0.75 W (optical pump power 250 mW), a single-frequency output power of approx. 50 mW can be obtained from a micro-crystal laser become. This is amplified in the semiconductor amplifier with an efficiency of 50% to 1-3 W (electrical input power 2-6 W) and then resonantly frequency-doubled as described above (using KTP, KTA, LBO or the like).
  • a doubling efficiency of 70% is assumed, as can be achieved here more realistically, since the microcrystalline laser has an extremely narrow line width, which allows the doubling resonator to be designed in a correspondingly narrow-band manner with a high resonator quality and consequently a correspondingly large power increase at the location of the doubler crystal.
  • an electrical-to-optical efficiency of 1 / 2.75 to 3 / 6.75, i.e. 36-44% can be achieved.
  • either a solid-state laser in the range between 1200 and 1350 nm can be used according to the same scheme. However, special applications require wavelengths of the red laser radiation around 630 nm.
  • An alternative scheme and thus a further exemplary embodiment of the idea according to the invention now consists in firstly doubling the solid-state laser in the range between 1200 and 1350 nm (or multiplying a laser of even longer wavelengths accordingly), and then the red radiation of low power generated thereby after doubling
  • the known semiconductor materials from the above list (or a selection thereof) will be used well, so that visible laser radiation of high power is also generated here using a (diode-pumped) solid-state laser of low power and a semiconductor amplifier element.
  • the frequency multiplication of the solid-state laser can either take place resonantly (FIG.
  • qasi-phase-adapted materials can also be used, for example periodically poled LiNb ⁇ 3, KTP, RTA or the like.
  • a particularly miniaturized, mechanically stable and inexpensive solution can be obtained by at least the (microcrystalline) laser (4), optionally the modulator (10) and the semiconductor amplifier (5), possibly also the laser diode (1) on a common basis , for example on a mounting plate or in a housing.
  • the microcrystalline laser (4) and semiconductor amplifier (5) can even be mounted on the same heat sink, which is then tempered together by a common temperature control element, for example a Peltier element, and which enables a substantial increase in mechanical stability.
  • a common temperature control element for example a Peltier element
  • a laser according to the invention for producing red, green or blue laser color can have dimensions of approximately 3-5 cm ⁇ for the basic wavelength plus approximately 5-10 cm3 for frequency doubling, that is to say approximately less than 15 cm3 overall.
  • a low-power solid-state laser especially a narrow-band, continuously emitting solid-state laser such as microcrystalline laser
  • the semiconductor material for amplification being selected and designed in accordance with the respective wavelength range in terms of composition and structure, the amplification either before the frequency conversion takes place or a frequency conversion is first carried out and this now visible laser light is subsequently amplified.
  • the scheme to be used depends on the spectral range of the possible reinforcement materials.

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Abstract

Bei einem Laser- und Verstärker-System wird vorgeschlagen, daß die Strahlung eines diodengepumpten Festkörperlasers (4) geringer Leistung, vorzugsweise aus Seltenerd- oder Übergangsmetall-dotierten Kristall- oder Glasmaterialien bestehend, eingekoppelt wird in einen Halbleiter-Verstärker-Chip (5), welcher vorzugsweise aus GaAs, GaAlAs, InGaAs oder InGaAsP besteht, und welcher durch Wahl des Materialsystems sowie der epitaktischen Strukturierung auf die Emissionswellenlänge des Festkörperlasers angepaßt die Strahlung des Festkörperlasers verstärkt und somit einen gegenüber der eingekoppelten Laserstrahlung verstärkten Ausgangsstrahl erzeugt.

Description

Laser- und Verstärkersystem zur Erzeugung von Laserstrahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich
Die Erfindung betrifft ein Laser- und Verstärkersystem.
Für viele Anwendungen, insbesondere in der Laser-Display-Technik, sind Laser erforderlich, welche im Bereich der drei Grundfarben rot, grün und blau emittieren (RGB). Diese Laser müssen typisch Leistungen im Bereich von 1 W oder mehr emittieren. Weiter müssen die Laser miniaturisiert und effizient sein, um eine spätere Massenanwendung zu ermöglichen.
Anfangs wurden Gaslaser und damit gepumpte Farbstofflaser verwendet, die jedoch durch diodengepumpte Festkörperlaser abgelöst werden. Diese wiesen bei deutlich reduzierter Baugröße eine um mehrere Größenordnungen bessere Effizienz auf. Solche Festkörperlaser basieren in der Regel auf der optischen Anregung von Lasermaterialien aus Kristallen oder Glas, welche mit Seltener d-Ionen oder Ionen der Übergangsmetalle dotiert sind. Es werden hier entweder gepulste, vornehmlich modengekoppelte Laser verwendet, welche aufgrund hoher Impulsleistungen eine effiziente Frequenzkonversion ermöglichen, oder kontinuierlich emittierende (cw) Laser.
Gepulste Laser verfugen über die geforderten Ausgangsleistungen in allen drei Farben, sind jedoch immer noch relativ groß. Im kontinuierlichen Betrieb (cw)-arbeitende Laser sind deutlich kleiner. Ein typischer Laser zur Erzeugung der grünen Wellenlänge im Wattbereich etwa - z.B. ein diodengepumpter Nd: YAG-Laser mit resonatorinterner Frequenzverdopplung, gepumpt mit einer fasergekoppelten IOW-Diode - nimmt ein Volumen von typisch 0.5 - 2 Liter in Anspruch und weist bei einer Ausgangsleistung von 2 W (cw) eine Effizienz von typisch > 3% elektrischer zu optischer Leistung auf.
Zwar sind diese Laser gegenüber den modengekoppelten Laasern bereits wesentlich kleiner und effizienter, doch ist hiermit eine echte Massenanwendung in großer Breite noch schwer realisierbar. Hierzu müßten die Laser eine Effizienz von deutlich größer 10% aufweisen und ein Volumen von etwa 1/20 Liter, um einerseits auch in kleinen, handlichen Systemen Platz zu finden, und andererseits entsprechend kostengünstig herstellbar zu sein. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfaches, effizientes und miniaturisiertes Lasersystem aufzuzeigen, welches die Erzeugung vornehmlich kontinuierlicher sichtbarer Laserstrahlung im Wattbereich ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, in der Ausfuhrungsbeispiele erörtert sind. Es zeigen:
Es zeigen
Fig. 1 das grundlegende Schema einer erfindungsgemäßen Anordnung eines diodengepumptem Festkörperlasers geringer Leistung und eines Halbleiter- Verstärkers,
Fig. 2 einen Multipath-Festkörperverstärker nach dem Stande der Technik mit einer Verstärkung von 52 dB (entnommen aus Kane et. al., SPIE Vol. 2381, S. 273 ff),
Fig. 3 ein Schema zur Zuordnung der geeigneten Halbleiter-Materialien für die jeweiligen Wellenlängenbereiche diodengepumpter Festkörperlaser,
Fig. 4 ein typisches Verstärkungsprofil eines InGaAs-Halbleiterverstärkers nach dem Stande der Technik, hier mit Verstärkungsschwerpunkt um 960 um (entnommen aus Ebeling /Unger, Zusammenfassung zum 2. Zwischenbericht F+E-Förderkennzeichen 13 N 6374/3, Universität Ulm),
Fig. 5 eine typische Verstärkungskurve eines Halbleiterverstärkers nach dem Stande der Technik (entnommen ebenda),
Fig. 6 eine typische Schichtenfolge einer InGaAs-Verstärkerstruktur (entnommen ebenda),
Fig. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit von spektraler Verstärkungsmitte und Ladungsträgerdichte im Quantenfilm (entnommen ebenda), Fig. 8 eine erfindungsgemäße Anordnung von Festkörperlaser und
Halbleiterverstärker mit nachgeschalteter Anordnung zur resonanten Frequenzvervielfachung,
Fig. 9 eine erfindungsgemäße Anordnung eines Modulators zwischen Festkörperlaser und Halbleiterverstärker zur Abstimmung der Festkörperlaserstrahlung auf den externen Resonator oder zur Amplitudenmodulation,
Fig. 10a eine erfindungsgemäße Anordnung eines Festkörperlasers, dessen Laserstrahlung zunächst resonant frequenzvervielfacht wird und anschließend in einen Halbleiterverstärker eingekoppelt wird, und
Fig. 10b eine erfindungsgemäße Anordnung eines Festkörperlasers mit resonatorinterner (intra-cavity) Frequenzvervielfachung und anschließende Verstärkung in einem Halbleiterelement.
Ideale miniaturisierte und effiziente Lasersysteme würden beispielsweise elektrisch gepumpte Halbleiter-Laserdioden der drei Farben rot, grün und blau darstellen, welche analog zu den Halbleiterlaserdioden im nahen Infrarot Effizienzen von bis zu 50% erreichen könnten.
Derartige Halbleiterlaser befinden sich derzeit noch im Forschungsstadium, jedoch ist in den nächsten Jahren nicht mit Halbleiterlaserdioden zumindest im grünen und blauen Wellenlängenbereich zu rechnen, welche bei annehmbarer Lebensdauer bei der geforderten Leistung und entsprechend guter Strahlqualität emittieren. Im Roten sind hier Laserdioden geringer Leistung erhältlich.
Es bleibt also zunächst die Möglichkeit, die Strahlung diodengepumpter Festkörperlaser mit Emission typisch im nahen Infrarot zwischen 800 und 1350 nm frequenzzuverdoppeln. Dies kann entweder resonatorintern geschehen, wobei hier von der höheren Leistungsdichte im Laserresonator und damit einer entsprechend besseren Frequenzverdopplungseffizienz Gebrauch gemacht wird, oder aber die Strahlung eines Festkörperlasers wird resonatorextern verdoppelt, was aufgrund der entsprechend geringeren Leistungsdichten deutlich ineffizienter ist. Die resonatorinterne Methode weist hierbei den Nachteil auf, daß aufgrund nichtlinearer Kopplungen ein starkes Amplitudenrauschen der Laserstrahlung auftreten kann (sogenanntes "green problem", vergl. T. Baer in J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 3 No 9, Sept. 1986, S. 1 17). Dies muß dann durch entsprechende Gegenmaßnahmen, beispielsweise durch eine elektronische Regelung, wieder ausgeglichen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den resonatorexternen Frequenzverdopplerkristall in einen eigenen Resonator zu setzen. Hier tritt wiederum eine Leistungsüberhöhung mit entsprechend gesteigerter Verdopplungseffizienz auf. Allerdings muß die Strahlung des Festkörperlasers in den externen Verdopplungsresonator eingekoppelt werden, was bedingt, daß die Festkörperlaserstrahlung einfrequent mit geringer Linienbreite ist und die exakte Laserfrequenz genau auf die Resonanzfrequenz des Verdopplungs- Resonators oder umgekehrt abgestimmt werden muß.
Mit einem solchen resonanten Verfahren wurden beispielsweise Verdopplungseffizienzen von 1064 ran zu 532 nm von bis über 76% erreicht (vergl. R. Paschotta et al., Opt. Lett. (1994)).
Die Erzeugung einfrequenter Laserstrahlung noch dazu geringer Linienbreite bei Leistungen deutlich größer 1 W cw ist hierbei aber relativ ineffizient. Beispielsweise wurde in einer twisted-mode-Resonatoranordnung eine Ausgangsleistung von 1 W single-frequency bei einer optischen Pumpleistung von 3 W erreicht, was eine elektrische Eingangsleistung von typisch 9 W erfordert. Die Laserlinienbreite betrug hierbei 15 MHz (vergl. Plorin et.al., Laser in der Technik, W. Waidelich (Hrsg.), S. 103). Setzt man eine 70- prozentige Konversionseffizienz bei der Verdopplung voraus (was bei dieser Linienbreite fraglich ist), so beträgt die Gesamt-Effizienz elektrisch zu optisch immer noch nur kleiner 8%. Weiter beträgt das Volumen des Einfrequenzlasers typisch 1 Liter.
Eine ähnliche Effizienz wurde unter Verwendung eines etwas kleineren nichtplanaren Ringlasers erreicht: Hier wurden 910 mW bei einer Pumpleistung von 2 W (t. Kane et. al., Opt. Lett. 13 (1988) S. 970), somit elektrischer Eingangsleistung von 6 W gemessen, so daß eine Gesamteffizienz von knapp über 10% für eine hypothetische resonante Frequenzverdopplung zu erwarten sind. Allerdings ist bei beiden Lasern offen, ob hier auch einfrequente Leistungen deutlich größer als 1 W möglich sind. Demonstriert wurden diese bisher nur mit diskret aufgebauten Ringlasern, die jedoch alleine durch ihre Baugröße die geforderten Spezifikationen nicht erfüllen. Verstärkeranordnungen zur Verstärkung von Laserstrahlung geringer Leistung sind seit vielen Jahren bekannt und werden in unterschiedlichen Anordnungen ausgeführt.
Die Verstärkung von Festkörperlaserstrahlung allerdings ist nach dem Stande der Technik relativ aufwendig. Bei einfachen Verstärkeranordnungen mit nur einem oder zwei Durchgängen durch das gepumpte, verstärkende Medium werden hier Verstärkungsfaktoren von typisch 1.5-2 (W. Seelert et al. OSA Proc. on Advanced Solid-State Lasers (Hilton Head, 1991), Bd.10 (1991) 261) erreicht, wesentlich höhere Verstärkungen von bis über 50 dB konnten dagegen nur mit Multipath- Verstärkeranordnungen erreicht werden (vergl. T. J. Kane et.al., SPIE Vol. 2381, S. 273). Diese Anordnungen sind relativ aufwendig und unterliegen aufgrund der komplizierten Strahlführung starken thermischen Fluktuationen. Auch ist die Energiebilanz für solche Verstärkeranordnungen relativ schlecht (hier ~ 9.4 W elektrischer Eingangsleistung + 30 mW Oszillatorleistung führte zu 835 mW Ausgangsleistung, elektrisch- zu optische Verstärkereffizeinz von kleiner 9 %W). Diese Anordnungen lassen sich weiter auch nicht wesentlich miniaturisieren.
Besonders einfach sind hingegen Halbleiter-Laserverstärker, die ähnlich wie Halbleiter-Laserdioden aus einer epitaktischen Schichtfolge von beispielsweise GaAs, GaAlAs, InGaAs oder InGaAsP aufgebaut sind. Gegenüber Laserdioden verfügen solche Halbleiterverstärker auf beiden Endflächen über Antireflex-Beschichtungen, so daß das Halbleiterelement weit unter der für Laserbetrieb als Oszillator erforderlichen Schwellenleistung betrieben wird. Koppelt man nun auf einer Seite des Halbleiterelementes Laserstrahlung ein, so wird diese im elektrisch gepumpten Halbleitermaterial verstärkt. Solche Anordnungen sind ebenfalls seit vielen Jahren bekannt und beispielsweise in R. Waarts et. al., Electron. Lett. 26 (1990) 1926 beschrieben. Zur Erzeugung von Strahlung hoher Strahlqualität sind besondere Strukturierungen des Halbleiterverstärkers üblich, beispielsweise Breitstreifen- oder Trapezstrukturen, vergl. J. N. Walpole et. al., SPIE Bd. 1850, Laser Diode Technology and Applications V (1993) 51.
Üblicherweise werden als Laseroszillatoren, deren Strahlung verstärkt werden soll, ebenfalls Halbleiterlaserdioden aus gleichem Material eingesetzt. Solche Oszillator- Verstärker-Strukturen (MOPA von Master-Oscillator- Power Amplifier) sind vorzugsweise auf demselben epitaktischen Substrat aufgebaut und durch entsprechende Strukturierung in ihrer Funktion getrennt. Derartige Bauteile sind beispielsweise in R. Parke, CLEO 93, Tech. Digest, Beitrag CTuI4 (1993) 108 beschrieben und werden kommerziell angeboten.
Die Frequenzvervielfachung von Halbleiterlaserdioden ist allerdings aufgrund zweier grundlegender Probleme außerordentlich ineffizient, und zwar aus folgenden Gründen:
• Mit Halbleiterlaserdioden kann aufgrund der Absorption sichtbarer Strahlung im Halbleiterelement selbst keine Frequenzverdopplung im Laserresonator erfolgen. Dieses Frequenzvervielfachungsschema wird bei Festkörperlasern angewandt, um die hohe Leistungsdichte im Laserresonator dadurch auszunutzen, daß die Frequenzverdopplungseffizienz mit steigender Leistungsdichte im nichtlinearen Medium ebenfalls steigt.
• Eine resonante externe Frequenzvervielfachung, bei der das nichtlineare Medium in einem eigenen Resonator eingebracht ist, welcher mit der Strahlung des Infrarot-Lasers gespeist wird, ist mit Halbleiterlaserdioden ebenfalls nur unzureichend möglich, da sowohl die Strahlqualität als auch die Laser-Linienbreite nicht ausreicht, eine gute Modenanpassung einerseits wie auch eine deutliche Leistunsgüberhöhung durch Abstimmung der Laserdiode auf einen externen, schmalbandigen (Vervielfachungs-) Resonator (oder Abstimmung eines schmalbandigen Resonators auf die Laserdiode) zu erreichen. Bei den bei Laserdioden üblichen Linienbreiten müßte der externe Resonator spektral entsprechend breit dimensioniert werden, was eine geringe Güte und somit eine nur geringe Leistungsüberhöhung zur Folge hat.
Aufgrund dieser Anforderungen sind Halbleiter-Laserdioden für diese Anwendungen meist nicht geeignet. Verwendet werden sollen erfindungsgemäß hier hingegen Festkörperlaser, z.B. diodengepumpte Nd:YAG-Laser, welche über Linienbreiten bis weit unter den 1 kHz-Bereich verfügen können und die zudem über ein sehr geringes Frequenzrauschen (Jitter) verfügen. Dies erklärt sich - neben anderen Effekten wie sehr hoher Resonatorgüte - nicht zuletzt aufgrund des bei Festkörperlasern um etwa zwei Größenordnungen geringeren Koeffizienten für die Änderung der optischen Resonatorlänge und damit der Frequenz der Laserstrahlung mit der Temperatur. Dieser Koeffizient beträgt bei Halbleiter-Laserdioden beispielsweise typisch 0,3 nm/° C , entsprechend bei 830 nm von 130 GHz/°C gegenüber typisch 3,5 GHz/° C bei Nd:YAG-Lasern.
Besonders einfache diodengepumpte Festkörperlaser stellen dabei Mikrokristall-Laser dar, welche aufgrund ihrer geringen Resonatorlänge inhärent einfrequent emittieren (vergl. z.B. Demtröder, Laser Spectroscopy, Springer- Verlag 1982, S. 286, oder N. Schmitt, Abstimmbare Mikrokristall- Laser, Shaker- Verlag 1995). Die Ausgangsleistung solcher Laser liegt typisch bei 30-50 mW. Diese Leistungen sind aber nicht ausreichend für die Anwendungen in Laser-Displays. Leistungsstärkere Einfrequenz- Festkörperlaser hingegen weisen ein stärkeres Frequenzrauschen auf und sind wie oben beschrieben wesentlich ineffizienter und zudem meist komplex, was einer starken Miniaturisierung zugegen läuft.
Es wird daher vorgeschlagen, die Strahlung eines leistungsschwachen Festkörperlasers, vorzüglich eines schmalbandigen kontinuierlich emittierenden Festkörperlasers wie etwa Mikrokristall-Laser (oder auch monolithischer Ringlaser), geeignet zu verstärken.
Eine Ausführungsform der Erfing beruht auf der Verstärkung der Laserstrahlung eines schmalbandigen, diodengepumpten Festkörperlasers, beispielsweise eines Mikrokristall-Lasers vorzugsweise aus Seltenerd- oder Übergangsmetall-dotierten Kristall- oder Glasmaterialien bestehend, durch ein Halbleiter- Verstärkerelement, welches durch die Wahl des Epitaxiemateriales wie auch dessen Strukturierung auf die Emissionswellenlänge des Festkörperlasers angepaßt ist. So eignen sich beispielsweise für Festkörperlaser , welche im Bereich zwischen 900 und 1100 nm emittieren, insbesondere Materialkombinationen aus GaAlAs, GaAlAs, InGaAs und/oder GaAsP. Fig. 3 veranschaulicht, welches Materialsystem hierbei für welchen Wellenlängenbereich besonders geeignet ist: Die (dicken) Verbindungslinien zwischen den III-V-Materialverbindungen (binäre Verbindungen der Elemente der Gruppe III und V des Periodensystemes) bezeichnen hier die sogenannten tertiären Verbindungen (also Verbindungen aus zwei Elementen der Gruppe III und einem Element der Gruppe V, Beispiel InAs + GaAs => InGaAs); die Punkte kennzeichnen die binären Verbindungen, entlang der Linie ändert sich die Wellenlänge und die Gitterkonstante der tertiären Verbindung entsprechend dem jeweiligen prozentualen Anteil der beiden binären Verbindungen. Die Bereiche zwischen diesen Linien kennzeichnen die quaternären Verbindungen (also zwei Elemente der Gruppe III plus zwei Verbindungen der Gruppe V, Beispiel InGaAsP). Die waagerechten Linien kennzeichnen hier die Verbindungen mit gleicher Gitterkonstante, bei den nicht waagerechten Linien sind die Gitte der Komposition verspannt (strained- layer). Die dünnen Verbindungslinien beispielsweise zwischen GaP und AIP und AIP und AI As kennzeichnen indirekte Halbleiterübergänge. Zur Verstärkung von Laserstrahlung beispielsweise im Wellenlängenbereich von 750 - 900 nm werden so vorzugsweise GaAlAs oder InGaAsP-Strukturen verwendet, über 900 nm bis ca. 1120 nm InAsP, InGaAs oder InGaAsP- Materialien. GaAsP ist besonders auch zur Verstärkung im Wellenlängenbereich um 630 nm geeignet. Die Auswahl der Halbleiter- Verstärkermaterialien richtet sich nach dem konkreten Wellenlängenbereich der zu erzeugenden Laserfarbe bzw. der hierfür erforderlichen frequenzzuvervielfachenden Grundwellenlänge. Die jeweilige Auswahl ist im weiteren anhand der konkreten Beispiele für rote, grüne und blaue Laserfarben dargestellt. Interessant sind hier sowohl Materialkombinationen der ternären Verbindungen (also entlang der Linien) wie auch quarternärer Verbindungen (also im Zwischenbereich zwischen den Linien). Im Diagramm sind die besonders interessanten Bereich hierfür punktiert unterlegt und gekennzeichnet mit A für den Bereich jener Laserstrahlung, die verstärkt werden soll zur Erzeugung von roter Laserstrahlung , B für die Erzeugung grüner Laserstrahlung und C zur Erzeugung blauer Laserstrahlung mittels auf die Verstärkung folgender Frequenzverdopplung. Der Bereich D bezeichnet Materialkombinationen, welche, wie weiter unten ausgeführt, insbesondere zur Verstärkung roter Laserstrahlung geeignet sind, welche durch Frequenz Verdopplung vor der Verstärkung erzeugt wurde.
Die Verstärkungskurve solcher Halbleiterverstärker ist typisch 50-60 nm breit (Fig. 4, entnommen aus Ebeling /Unger, Zusammenfassung zum 2. Zwischenbericht F+E-Förderkennzeichen 13 N 6374/3, Universität Ulm), ihr Schwerpunkt kann durch Wahl der Dicke der Epitaxieschicht (Breite des Quantenfilms QW) und Dotierung der Materialien entsprechend eingestellt werden. Fig. 5 (entnommen ebenda) zeigt eine typische Schichtenfolge für einen InGaAs- Verstärker. Durch die Breite des Quantenfilms QW wird insbesondere auch auf die Trägerdichte (Carrier Concentration) Einfluß genommen, welche den Verstärkungschwe unkt beeinflußt (Fig. 6, entnommen ebenda). Die Verstärkung solcher Halbleiterstrukturen, welche vorzugsweise elektrisch durch Ladungsträger-Injektion gepumpt werden, ist im allgemeinen ausgesprochen effizient und beträgt typisch 50%, die erforderliche Sättigungsintensität zur Erzeugung von Laserstrahlung im Wattbereich typisch 5-10 mW (Fig 7, entnommen ebenda).
Fig. 1 zeigt eine solches Ausführungsbeispiel eines diodengepumpten Festkörperlasers, bestehend aus Pumplaserdiode (1), deren Strahlung gegebenenfalls über eine Lichtleitfaser (3) übertragen wird und Festkörper- Lasermaterial (4), in diesem Beispiel als monolithisch mit den erforderlichen Spiegelschichten bedampfter Mikrokristall ausgeführt, dessen Strahlung in eine Halbleiter- Verstärkereinheit (5) eingekoppelt wird. Die für die jeweilige Ankopplung verwendeten optischen Elemente (Linsen) 2a-c sind ebenfalls eingezeichnet. Die eingezeichnete Lichtleitfaser zur Übertragung des Pumplichts zum Mikrokristall-Laser wie auch alle Linsen sind hier optional und können gegebenenfalls weggelassen werden. Der Halbleiterverstärker (5) wird vorzugsweise elektrisch über eine entsprechende Zuleitung (7) gepumpt durch Injektion von Ladungsträgern in die pn-Grenzschicht. Die räumliche Struktur (6) des Verstärkers kann vorzugsweise entweder quaderförmig (Breitstreifen) oder wie in der Figur beispielhaft eingezeichnet trapezförmig sein, letzteres mit dem Vorteil einer besseren Strahlqualität am Verstärkerausgang. Zur Fokussierung können hier Linsen oder andere Elemente mit linsenähnlichen Eigenschaften (Hologramme, Stablinsen etc.) verwendet werden. Als Festkörperlaser werden vorzugsweise miniaturisierte diodengepumpte Festkörperlaser wie Mikrokristall-Laser, monolithische Ringlaser oder generell longitudinal gepumpte Laser verwendet. Da das Halbleiterelement nur als Verstärker, also nicht in Resonanz betrieben wird, bleibt die Schmalbandigkeit der Laserlinie in erster Ordnung erhalten. Somit wird durch die Kombination der guten Lasereigenschaften von Festkörperlasern mit der hohen und effizienten Verstärkung elektrisch gepumpter Halbleiterelemente ein miniaturisiertes, effizientes Lasersystem geschaffen, das Ausgangsleistungen im Wattbereich bei ausgesprochen geringer Laserlinienbreite erzeugt.
Der Mikrokristall-Laser als Oszillator stellt hierbei eine besonders bevorzugte erfindungsgemäße Ausführung dar, da er neben ausgezeichneten Lasereigenschaften, wie sie gerade für die externe Frequenzverdopplung erforderlich sind (schmale Linienbreite bis zu 40 Hz, ausgezeichnetes Strahlprofil M^ typisch < 1.2, vergl. Schmitt) , insbesonders auch bereits stark miniaturisiert ist. Typische Abmesungen des gesamten Mikrokristall-Lasers ohne Pumpdiode und Ankopplungsoptik, welcher beispielsweise aus einem monolithisch bedampften Kristallstück besteht, betragen 2-3 mm Durchmesser und typisch 200-700 μm Dicke. Der Durchmesser kann weiter auf 1 mm reduziert werden. Damit ist der Mikrokristall-Laser in der Größenordnung der Halbleiter- Verstärkerstrukturen (typisch einige 100 μm in zwei lateralen Dimensionen und 50-100 μm in der Dicke) und kann so leicht mit diesem in ein gemeinsames Gehäuse gebracht werden, was sowohl der Kostenreduktion bei der Herstellung als auch der Miniatruisierung des Lasersystems entgegenkommt. Die Pumplaserdiode, die typisch ebenfalls einige 100 μm in jeder Dimension sowie 50-100 μm in der Dicke mißt, sowie die Koppeloptiken können entweder ebenfalls in das Gehäuse eingebracht werden oder aber die Puimlaserdiode wird über eine Lichtleitfaser gekoppelt in einem separaten und Gehäuse angeordnet sein, wobei letzteres die Austauschbarkeit verbessert. Der Mikrokristall-Laser wie auch die Koppeloptiken können seitlich metallisiert sein und somit ebenso wie der Halbleiter- Verstärker sowie gegebenenfalls die Pumplaserdiode in ein Hybridhgehäuse gelötet werden.
In besonderen Ausführungen können auch Mikrokristall-Laser und Halbleiterverstärker beispielsweise auf diesselbe Wärmesenke montiert werden, was eine wesentliche Erhöhung der mechanischen Stabilität ermöglicht.
Anstatt des Mikrokristall-Lasers, dessen Funktionsprinzip darin besteht, daß der Resonator der Länge L hinreichend kurz ist, so daß nur eine einzige longitudinale Resonatormode im Verstärkungsbereich δv des Lasermateriales liegt liegt, geschrieben als L < c/(-n-δv) (n ist der Brechungsindex des resonatorinternen Mediums; vergl. N. Schmitt, Abstimmbare Festkörperlaser), können aber prinzipiell auch andere miniaturisierte, frequenzstabile Einfrequenzlaser verwendet werden. Dies können beispielsweise diodengepumpte Laser mit hochdotierten Materialien sein, welche in der Nähe des eines Spiegels angebracht sind, womit das räumliche "Lochbrennen" vermieden wird (vergl. G. J. Kintz et. al, IEEE J. Quant. Electron. 26 (1990) 1457). Weiter können es auch monolithische Ringlaser sein, wie etwa in T. J. Kane, Opt. Lett. 10 (1985) 65, beschrieben.
In einem typischen Anwendungsbeispiel (Fig. 8a) wird als Laseroszillator beispielsweise zur Erzeugung blauer Laserstrahlung ein diodengepumpter Einfrequenz-Festkörperlaser (vorzugsweise Mikrokristall-Laser) (4) verwendet, welcher im Bereich zwischen 920 nm und 950 nm emittiert (beispielsweise durch Verwendung der quasi-Drei-Niveau-Übergänge Nd- dotierter Kristall- oder Glasmaterialien, vergl. Kaminskii, Laser Crystals, Springer- Verlag) , dessen Strahlung sodann im Halbleiterelement (5) verstärkt wird und dann in einen schmalbandigen externen Resonator (bestehend aus den Spiegeln 8a und 8b) eingekoppelt wird, welcher ein geeignetes nichtlineares Element (9) (beispielsweise in LBO- oder BBO-Kristall oder ähnliches) zur Frequenzverdopplung enthält. Dieser wandelt die nahe infrarote Strahlung in blaue Laserstrahlung um. Zur Frequenzabstimmung kann entweder der Laser auf die Frequenz des externen Verdopplungs-Resonators abgestimmt werden, oder der externe Verdopplungs-Resonator wird auf die Frequenz des Lasers abgestimmt. Zur Frequenzabstimmung kommen sowohl thermische Abstimmung als auch (oder in Kombination) Abstimmung unter Verwendung von bewegbaren Spiegeln o.a. in Frage (vergl. Schmitt, Abstimmbare Mikrokristall-Laser). Alternativ oder ergänzend kann auch zwischen Festkörperlaser und Verstärker ein Modulator (10), beispielsweise als integriert-optischer Wellenleiter-Modulator ausgeführt, bestehend aus einem elektrooptischen Substrat, in welches ein Wellenleiter (11) strukturiert und mit Elektroden (12a, 12b) versehen ist, zur Frequenz- oder Phasenmodulation eingesetzt werden, über welchen die Ankopplung ("locken") der Resonatorfrequenzen erfolgt (Fig. 9) und ggf. die Ausgangsleistung der frequenzvervielfachten Strahlung moduliert werden kann. Alternativ kann auch über eine Modulation der Strahlung der Pumplaserdiode (1) eine Frequenzmodulation der Festkörperlaserstrahlung erfolgen.
Die erfindungsgemäße Anordnung weist hier zudem den wesentlichen Vorteil auf, daß lediglich die geringe Leistung des Festkörperlasers vor der Verstärkung moduliert werden muß, was sehr viel einfacher geschehen kann als die Modulation hoher Leistungen (beispielsweise durch integriert-optische Wellenleiterstrukturen, Fasermodulatoren o.a.).
Bei dem Modulator (10) kann es sich aber auch um einen Amplitudenmodulator handeln.. Dieser ermöglicht die schnelle Modulation auch des frequenzvervielfachten Laserlichtes, wie es beispielsweise in der Displaytechnik erforderlich ist. Diese Anordnung des Modulators im Bereich relativ niedriger Laserleistung bei Modulation der gesamten Ausgangsleistung stellt weiter ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung dar.
Eine alternative Form der Amplitudenmodulation ist auch die Frequenzmodulation des Festkörperlasers oder des externen Vervielfachungs- Resonators, was zu einer Frequenz-Fehlanpassung führt und so eine effiziente Frequenzverdopplung fürden Moment der Modulation verhindert. Durch Ein- und Ausschalten dieser Störung kann ebenfalls die Amplitude des sichtbaren Laserstrahles moduliert werden.
Ein weiteres alternatives Verfahren besteht in der Modulation des Strom zum Pumpen des Halbleiterverstärkers. Alle Verfahren, sowohl Frequenz- oder Amplitudenmodulation vor dem Verstärker wie auch Frequenzverstimmung von Festkörperlaser oder externem Resonator sowie die Modulation des Pumpstromes des Halbleiterverstärkers, erlauben eine ausgesprochen hohe Dynamik der Amplitudenmodulation im Vergleich zur herkömmlichen Modulation der leistungsstarken sichtbaren Laserstrahlung selbst, da hier ihre Wirkungsweise nichtlinear in die Erzeugung der sichtbaren Laserstrahlung eingeht. Weiter erlauben alle diese Verfahren auch die Kombination untereinander.
Zur Erzeugung grüner Laserstrahlung wird ebenfalls eine Anordnung nach Fig. 1 verwendet, wobei hier der Festkörperlaser so gestaltet ist, daß er Laserstrahlung im Bereich von etwa 1045-1080 nm emittiert. Hier liegen beispielsweise sehr viele Laserübergänge Nd-dotierter Kristall- oder Glasmaterialien (vergl wiederum Kaminskii, Laser Crystals).
Die Energiebilanz, zu vergleichen mit der eingangs beschriebenen Bilanz zur Erzeugung grüner Laserstrahlung, rechnet sich hier etwa wie folgt: Bei einer elektrischen Eingangsleistung von 0.75 W (optische Pumpleistung 250 mW) kann aus einem Mikrokristall-Laser eine einfrequente Ausgangsleistung von ca. 50 mW gewonnen werden. Diese wird im Halbleiterverstärker mit einer Effizienz von 50% auf 1-3 W verstärkt (elektrische Eingangsleistung 2-6 W) und anschließend resonant wie oben beschrieben frequenzverdoppelt (unter Verwendung von KTP, KTA, LBO o.a.). Hierzu wird wie oben von einer Verdopplungseffizienz von 70% ausgegangen, wobei diese hier realistischer zu erreichen ist, da der Mikrokristall-Laser über eine extrem geringe Linienbreite verfügt, was es erlaubt, den Verdopplungsresontor entsprechend schmalbandig auszulegen bei hoher Resonatorgüte und daraus folgend entsprechend großer Leistungsüberhöhung am Ort des Verdopplerkristalles. Insgesamt kann so eine Effizienz elektrisch zu optisch von 1/2.75 bis 3/6.75, also 36-44% erreicht werden. Zur Erzeugung roter Laserstrahlung kann entweder nach gleichem Schema ein Festkörperlaser im Bereich zwischen 1200 und 1350 nm verwendet werden. Spezielle Anwendungen erfordern jedoch hier Wellenlängen der roten Laserstrahlung um 630 nm. Im Wellenlängenbereich um 1200-1300 nm gibt es einige wenige bekannte Laserkristalle mit relevanten Laserübergängen, insbesondere aber auch breitbandig abstimmbare mit Übergangs-Metallen dotierte Kristalle wie etwa Forsterit. Schwierig ist es jedoch, auch ein Halbleitermaterial zu finden, welches in diesem Wellenlängenbereich verstärkt; es müßte dann im Bereich "A" nach Figur 3 liegen..
Ein alternatives Schema und damit weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gedankens besteht nun darin, den Festkörperlaser im Bereich zwischen 1200 und 1350 nm zunächst zu verdoppeln (oder einen Laser noch größerer Wellenlänge entsprechend zu vervielfachen), und sodann die hiermit erzeugte rote Strahlung geringer Leistung nach der Verdopplung zu verstärken, Hier werden die bekannten Halbleitermaterialien aus obiger Aufstellung (bzw. eine Auswahl hieraus) gut verwendet werden, so daß auch hier sichtbare Laserstrahlung hoher Leistung unter Verwendung eines (diodengepumpten) Festkörperlasers geringer Leistung sowie eines Halbleiter- Verstärkerelementes erzeugt wird. Die Frequenzvervielfachung des Festkröperlasers kann hier entwedre wiederum resonant erfolgen (Fig. 10a), oder aber, da vor der Verstärkung stattfindend, im Resonator (bestehend aus dem Spiegel (8b) sowie einem auf den Mikrokristall aufgedampften Spiegel) des Festkörperlasers (intra-cavity) (Fig. 10b). Im letzteren Falle wird wiederum von der hohen Leistungsdichte im Laseroszillator selbst Gebrauch gemacht; der Laser muß in diesem Falle nicht einfrequent emittieren. Für den Fall der resonatorinternen Frequenzverdopplung vor der Verstärkung ist es nicht unbedingt erforderlich, daß der Festkörperlaser einfrequent und schmalbandig emittiert. Hier können auch auf mehreren longitudinalen Moden emittierende Laser verwendet werden, wobei dann allerdings wiederum, wie eingangs beschrieben, Vorkehrungen zur Reduktion des Amplitudenrauschens vorzusehen sind.
Alternativ zu den hier beschriebenen Frequenzverdopplungsverfahren (intern oder resonant extern), welche im allgemeinen auf der Verwendung nichtlinearer Kristalle wie KTP, LBO, BBO, LiNbθ3, LiTaθ3, CBO, KTA oder ähnlichen beruhen, können auch qasi-phasenangepaßte Materialien verwendet werden,, beispielsweise periodisch gepoltes LiNbθ3, KTP, RTA oder ähnliches. Diese weisen auch bei einfachem Durchgang eine hohe nichtlineare Frequenzverdopplungseffizeiriz auf, so daß hier die Anforderung der Leistungsüberhöhung in einem Resonator entfällt und somit auch die Forderung nach zwingend einfrequenter Laserstrahlung.
Eine besonders miniaturisierte, mechanisch stabile und kostengünstig zu fertigende Lösung erhält man, indem zumindest der (Mikrokristall-)Laser (4), gegebenenfalls der Modulator (10) und der Halbleiterverstärker (5), eventuell auch die Laserdiode (1) auf einer gemeinsamen Basis, beispielsweise auf einer Montageplatte oder in einem Gehäuse untergebracht sind. In besonderen Ausführungen können Mikrokristall-Laser (4) und Halbleiterverstärker (5) sogar auf dieselbe Wärmesenke montiert werden, welche dann durch ein gemeinsames Temperierelement, beispielsweise ein Peltierelement, gemeinsam temperiert wird und was eine wesentliche Erhöhung der mechanischen Stabilität ermöglicht. Sollte der Mikrokristall jedoch durch thermische Abstimmung frequenzstabilisiert oder -abgestimmt werden, so ist dieser thermisch isoliert gegen das Halbleiter- Verstärkerelement anzuordnen und mit einem eigenen Temperierelement zu versehen.
Insgesamt kann ein erfindungsgemäßer Laser zur Erzeugung von roter, grüner oder blauer Laserfarbe Abmessungen von etwa 3-5 cm^ für die Grundwellenlänge plus ca. 5-10 cm3 für die Frequenzverdopplung, insgesamt also etwa kleiner 15 cm3 aufweisen.
Zusammenfassend wird vorgeschlagen, die Strahlung eines leistungsschwachen Festkörperlasers, vorzüglich eines schmalbandigen kontinuierlich emittierenden Festkörperlasers wie etwa Mikrokristall-Laser, geeignet zu verstärken, wobei das Halbleitermaterial zur Verstärkung entsprechend dem jeweiligen Wellenlängenbereich in Zsuammensetzung und Struktur auszuwählen und zu gestalten ist, wobei die Verstärkung entweder vor der Frequenzumwandlung stattfindet oder aber zunächst eine Frequenzumwandlung vorgenommen wird und dieses nunmehr sichtbare Laserlicht anschließend verstärkt wird. Welches Schema jeweils anzuwenden ist, ergibt sich, wie weiter oben gezeigt, aus dem Spektralbereich der möglichen Verstärkungsmaterialien.

Claims

Patentansprüche
1. Laser- und Verstärker-System, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung eines diodengepumpten Festkörperlasers geringer Leistung, vorzugsweise aus Seltenerd- oder Übergangsmetall-dotierten Kristall- oder Glasmaterialien bestehend, eingekoppelt wird in einen Halbleiter- Verstärker- Chip, welcher vorzugsweise aus GaAs, GaAlAs, InGaAs oder InGaAsP besteht, und welcher durch Wahl des Materialsystems sowie der epitaktischen Strukturierung auf die Emissionswellenlänge des Festkörperlasers angepaßt die Strahlung des Festkörperlasers verstärkt und somit einen gegenüber der eingekoppelten Laserstrahlung verstärkten Ausgangsstrahl erzeugt.
2. Laser- und Verstärkersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterverstärker elektrisch gepumpt ist.
3. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Halbleiterverstärker eine quaderförmige verstärkende Struktur aufweist.
4. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Halbleiterverstärker eine trapezförmige verstärkende Struktur aufweist.
5. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung des Festkörperlasers im transversalen Grundmode (TEM00) erfolgt.
6. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung des Festkörperlasers einfrequent ist und vorzugsweise ein Mikrokristall-Laser oder aber ein monolithischer Ringlaser zu deren Erzeugung verwendet wird.
7. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Halbleiterverstärker eine Anordnung zur Frequenzvervielfachung der verstärkten Laserstrahlung erfolgt.
8. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzvervielfachung resonant in einem hierzu eigens geformten Resonator erfolgt.
9. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur resonanten Frequenzverdopplung entweder der externe Resonatoren zur Frequenzverdopplung auf die Frequenz des Festkörperlasers abgestimmt wird oder die Frequenz des Festkörperlasers auf die Resonanz des Verdoppler- Resonators abgestimmt wird.
10. Laser- und Verstärker System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Festköφerlaser und Halbleiterverstärker ein Modulator eingebracht wird, welcher eine Frequenzabstimmung der Festköφerlaserstrahlung auf die Resonanzfrequenz des Verdopplerresonators erlaubt.
11. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung des Festköφerlasers geringer Leistung zunächst frequenzvervielfacht wird und dann die frequenzvervielfachte Strahlung in einen Halbleiterverstärker eingekoppelt wird, welcher durch Wahl des Materialsystems sowie der epitaktischen Strukturierung auf die Emissionswellenlänge der frequenzvervielfachten Festköφerlaserstrahlung angepaßt ist und so die frequenzvervielfachte Strahlung des Festköφerlasers verstärkt und somit einen gegenüber der eingekoppelten Laserstrahlung verstärkten Ausgangsstrahl erzeugt.
12. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Festköφerlaser und Halbleiterlaser ein Modulator eingebracht ist, welcher die Phase, Frequenz oder Amplitude der Festköφerlaserstrahlung moduliert.
13. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festköφerlaser gegen die Resonanzfrequenz des externen Ferquenzvervielfachungsresonators oder der externe Frequenzvervielfachungsresonator gegen die Laserferquenz derart verstimmt (frequenzmoduliert) wird, daß durch eine entsprechende Fehlanpassung der Resonatoren eine Amplitudenmodulation der frequenzvervielfachten Laserstrahlung resultiert.
14. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung des Laserstrahles in den Modulator und/oder den Halbleiterchip Linsen oder ähnliche Elemente zur Fokussierung angeordnet sind.
15. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Phasen-, Frequenz oder Amplitudenmodulation des Festköφerlasersystemes durch eine Strommodulation der Pumpdiode erzeugt wird.
16. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Modulation der verstärkten Laserstrahlung durch eine Sfrommodulation des Halbleiterverstärkers erzeugt wird.
17. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festköφerlaser fest mit dem Halbleiterverstärker kontaktiert ist.
18. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festköφerlaserkristall und der Halbleiterverstärker auf derselben Wärmesenke angebracht sind
19. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Festköφerlaser auf einer vom Halbleiterverstärker getrennten Wärmesenke angebracht ist und am Festköφerlaser und Wärmesenke ein Heiz- und oder Kühlelement angebracht ist, welches eine thermisch induzierte Frequenzabstimmung der Festköφerlaserstrahlung erlaubt.
20. Laser- und Verstärkersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festköφerlaser, gegebenenfalls die Pumplaserdiode, insbesondere jedoch auch der Halbleiterverstärker und optional ein zwischen Festköφerlaser und Halbleiterverstärker angeomdeter Phasen-, Frequenz- oder Amplitudenmodulator in einem einzigen Gehäuse angeordnet sind.
EP97951155A 1996-11-19 1997-11-10 Laser- und verstärkersystem zur erzeugung von laserstrahlung im sichtbaren wellenlängenbereich Withdrawn EP0939979A1 (de)

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