WO2008152041A2 - Laserverstärkersystem - Google Patents

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WO2008152041A2
WO2008152041A2 PCT/EP2008/057243 EP2008057243W WO2008152041A2 WO 2008152041 A2 WO2008152041 A2 WO 2008152041A2 EP 2008057243 W EP2008057243 W EP 2008057243W WO 2008152041 A2 WO2008152041 A2 WO 2008152041A2
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laser
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Frank Demaria
Fernando Rinaldi
Adolf Giesen
Uwe Brauch
Ivan Safonov
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Landesstiftung Baden-Württemberg gGmbH
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Definitions

  • the invention relates to a laser amplifier system comprising a solid body thermally coupled to a heat sink with a laser-active volume range, in which at least one laser-active quantum structure made of semiconductor material is arranged in a plurality of surfaces extending parallel to each other and at least one of them Quantum structures are separated by a barrier structures arranged on both sides of the surfaces, a pump radiation source for pumping the laser-active volume range, such that the absorption of pump radiation from the pump radiation field in the laser-active quantum structure is equal to or greater than the absorption of pump radiation through the barrier structures, and an amplifier optics defining the laser amplifier volume field which passes through the laser active volume region,
  • Such laser amplifier systems are known from the prior art, for example from WO 03/100922 A2.
  • quantum structures form at least one quantum structure group within which the barrier structures lying between each two quantum structures are formed as tunnel barrier structures and tunneling of charge carriers between the respective adjacent to these tunnel barrier structures Allow quantum structures.
  • tunneling of the charge carriers between the quantum structures makes it possible to optically pump quantum structures via the pump radiation field without the stimulated emission from these quantum structures having to be used for amplifying the laser amplifier radiation field.
  • tunneling makes it possible to exchange charge carriers between locally differently arranged quantum structures, For example, to provide quantum structures different from the absorbing quantum structure with charge carriers, which then recombine in one or more of the quantum structures by stimulated emission and contribute to amplifying the laser amplifier radiation field.
  • the advantages of the quantum structures for both the absorption of pump radiation from the pump radiation field and the stimulated emission of laser amplifier radiation are in particular that efficient pumping near the laser wavelength is possible, combined with an increase in the material gain at the laser wavelength and an increase the carrier density concentration in the vicinity of the band edge, so that they can optimally contribute to the gain of a laser mode with a corresponding wavelength.
  • the tunnel barrier structures have tunnel-limited lifetimes for the charge carriers which are smaller than the carrier lifetime without consideration of the tunneling effect in the respective quantum structure in the typical conditions prevailing in laser operation , In this case, it is particularly favorable if the tunnel barrier structures have a tunnel-limited lifetime for the charge carriers, which is at least approximately a factor of five smaller than the charge carrier lifetime in the respective quantum structure.
  • tunnel barrier structures have a tunnel-limited lifetime for the charge carriers which is smaller by at least a factor of ten than the charge carrier lifetime in the respective quantum structure.
  • these charge carriers in semiconductor materials are electrons and holes.
  • the charge carriers are electrons and so-called light holes, that is, holes with a low effective mass.
  • the tunnel barrier structures have a thickness which lies in the range between approximately 0.5 nm and approximately 10 nm. It is particularly favorable if the tunnel barrier structures have a thickness which is between approximately 2 nm and approximately 6 nm.
  • the high tunneling probabilities that are required to achieve an exchange of the charge carriers between the quantum structures can be realized in a simple manner.
  • the tunneling probability or the tunnel-limited lifetime of the charge carriers does not only depend on the thickness of the tunnel barrier structures, but also on the band gap in the tunnel barrier structures.
  • the tunnel barrier structures have a band gap which is at least 30 meV larger than the band gap of the adjacent quantum structure, so that the quantum structure still remains in the usual temperature range as a quantum structure and does not lose its advantageous properties.
  • the tunnel barrier structure has a band gap which is at most about 800 meV larger than the band gap of the neighboring quantum structure, since a larger band gap would otherwise also reduce the tunneling probability too much and increase the tunnet-limited lifetime.
  • the tunnel barrier structure has a bandgap ranging from about 1.01 times to about 2 times the band gap, preferably about 1.05 times and about 1.5 times the band gap adjacent quantum structure, on the one hand to maintain the quantum structure as such in terms of their properties and on the other hand to obtain a sufficiently high tunneling probability and thus a sufficiently low tunnel-limited lifetime of the charge carriers.
  • the pump radiation field has locally migrating intensity maxima as long as the locally traveling intensity maxima are in the range of a quantum structure.
  • the pumping radiation field in the region of the at least one quantum structure group has a locally standing pump radiation intensity profile, i. a Stehwellenfetd, so that the pump radiation intensity curve in the region of the quantum structure group is constant.
  • the at least one quantum structure group has at least one quantum structure which lies in a region of the pump radiation intensity profile with at least half the maximum intensity. It is even better if the at least one quantum structure group has at least one quantum structure which, in the region of the pump radiation intensity profile, has at least approximately two thirds! the maximum intensity is.
  • Optimal conditions can be achieved if the at least one quantum structure group has at least one quantum structure which lies in a region of the pump radiation intensity profile around the maximum intensity, so that the at least one quantum structure is optically pumped with optimal efficiency.
  • the laser amplifier radiation field in the region of the at least one quantum structure group has a locally located amplifier radiation intensity profile, i. a standing wave field.
  • the stimulated emission from a quantum structure of the quantum structure group then transmits efficiently to the laser amplifier radiation field in when the at least one quantum structures ⁇ group having at least one quantum structure sector- in the range of the amplifier radiation intensity profile with at least half of the maximum intensity It is even better if the at least one quantum structure group has at least one quantum structure which lies in the region of the amplifier radiation intensity profile with at least approximately two thirds of the maximum intensity.
  • Optimal conditions can be achieved if the at least one quantum structure group has at least one quantum structure that lies in the region of the amplifier radiation intensity profile around the maximum intensity.
  • the ratios can be further improved by increasing the number of quantum structures in a region of the amplifier radiation intensity profile with at least half the maximum intensity.
  • the at least one quantum structure group has an extension in the direction of the optical axis which corresponds at least to a distance between mutually adjacent maxima of the pump radiation intensity profile and the intensifier radiation intensity profile.
  • the effect of the laser-active volume range can still be optimized if not only a quantum structure group is provided, but if a plurality of quantum structure groups are provided in the iaser-active volume range.
  • the spatial arrangement of the same is also relative to one another in relation to each other.
  • the quantum structure groups have a center distance from each other that corresponds to at least one distance, or an integral multiple of this distance, of maxima of the pump radiation intensity profile.
  • the quantum structure groups have a center distance from each other which corresponds at most to a distance, or an integral multiple of this distance, from maxima of the intensifier radiation intensity profile.
  • successive quantum-structure groups are arranged in such a way that in each case one is in the range of one each of successive maxima of the intensifier radiation intensity profile.
  • the ratio of the absorption of pump radiation in the quantum structure to the absorption of pump radiation in the barrier structure no further details have been given so far.
  • a particularly favorable solution provides that the absorption of pump radiation in the at least one quantum structure outweighs the absorption of pump radiation in the barrier structure adjacent to the quantum structure.
  • the semiconductor material of the quantum structure is formed so that it has a smaller band gap than the semiconductor material of the barrier structures, wherein the band gap of the barrier structures is preferably so large that absorption of pump radiation is no longer possible.
  • an expedient solution provides that the quantum structures have a thickness transverse to the respective surface which is less than 20 nm.
  • the quantum structures have a thickness transverse to the respective surface which is less than 10 nm.
  • the quantum structures can be formed in the simplest case as a quantum well, which extends over the entire cross section of the solid as a continuous layer. However, it is also conceivable to form the quantum well in such a way that it extends in the direction of the surface only over a partial region of the cross section of the solid.
  • the quantum structure is formed of quantum wires
  • the quantum structure is formed of quantum dots.
  • the quantum structures within a quantum structure group could have different energy levels, the position of the energy levels being dependent on the one hand on the material and on the other hand on the thickness of the material across the respective surface,
  • a quantum structure of the quantum structures arranged on either side of a tunnel barrier structure has a lowest energy level which approximately corresponds to an energy level of the other quantum structure, but the energy level of the other quantum structure can not be a lowest energy level in extreme cases can also be a higher energy level, namely, when the quantum structures have different levels of lowest energy levels.
  • Another advantageous embodiment which assumes different lowest energy levels of the quantum structures, provides that the lowest energy level of the quantum optically pumped by the pump radiation field is higher than the lowest energy level of the quantum structures contributing substantially to the stimulated emission.
  • This solution has the advantage that it offers the possibility of increasing the tunneling probability from the quantum structures pumped by the pump radiation field in the direction of the quantum structures contributing to the stimulated emission, but a back tunneling from the quantum structures contributing to the stimulated emission into the quantum structures optically pumped by the pump radiation field so as to increase the carrier concentration in the lowest energy levels of the quantum structures contributing to the stimulated emission and thus lower the lasing threshold.
  • this solution also has the advantage that the lowest energy level of the quantum structures optically pumped by the pump radiation field changes so far in relation to the lowest energy level of the structures contributing substantially to the stimulated emission allows the quantum structures optically pumped by the pumping field to absorb, to a lesser extent, the stimulated emission contributing to the laser amplifier radiation field, which again can lower the laser threshold.
  • the lowest energy level of the substantially optically pumped by the pumping radiation field quantum structures have so far to move towards the lowest energy level of the contributing in Wesentiichen stimulated emission quantum structures, that the absorption of the stimulated emission by the substantially from the pump ⁇ radiation field optically pumped quantum structures, at best is negligible.
  • the pump radiation field passes through the laser-active volume region approximately in the direction of an optical axis extending transversely to the surfaces in which the quantum structures extend.
  • the amplifier radiation field passes through the laser-active cavity region approximately in the direction of an optical axis extending transversely to the surfaces in which the quantum ⁇ structures extend.
  • the pump radiation field passes through the same surface of the solid as the laser amplifier radiation field.
  • the guidance of the pump radiation field and the laser amplifier radiation field in the solid state no further details were given.
  • the solid body it would be conceivable to arrange the solid body on an optically transparent heat sink, so that the guidance of the pump radiation field and of the laser amplifier radiation field could be effected by external optical elements.
  • the solid body has a rear-side internal reflector formed by semiconductor layers on a side facing the heat sink, so that it is already possible to generate a standing wave field with it.
  • Such a rear-side internal reflector is designed in particular such that it serves as a reflector both for the pump radiation fiefd and for the laser amplifier radiation fi eld.
  • the rear-side internal reflector is designed such that it is formed from a highly reflective multilayer system, for example a Bragg reflector.
  • Such a multilayer system makes it possible to achieve the highest possible reflection in the area of a rear side of the solid body both for the pump radiation field and for the laser amplifier radiation field. With such a rear-side internal reflector, it is thus ensured that both the pump radiation field and the laser amplifier radiation field are reflected, the further guidance of the pump radiation field not yet being defined in more detail.
  • the pump radiation field could be reflected by an external reflector back into the solid state, as is known from the prior art.
  • the solid has an internal reflector for the pump radiation field on a side of the laser-active volume region facing away from the rear-side internal reflector.
  • Such an internal reflector for the pump radiation field makes it possible to form a microcavity within the solid together with the rear-side internal reflector, in which a standing wave field of the pump radiation field can form, so that a locally stationary pump radiation intensity profile in the laser-active volume range with excessive maxima is present, relative to which the quantum structure groups and the quantum structures within the quantum structure groups can then be optimally arranged.
  • an external reflector is preferably provided for the laser amplifier radiation field.
  • an external reflector which cooperates with the rear-side internal reflector in the solid, has the disadvantage that this allows a variety of longitudinal modes.
  • the solid body In order to select preferred longitudinal modes from this multiplicity of longitudinal modes, provision is preferably made for the solid body to have a partially transmissive reflector for the laser amplifier radiation field on a side of the laser-active vofuum region facing away from the rear-side internal reflector.
  • This partially transmissive reflector for the laser amplifier radiation field can basically be separate from the internal reflector for the pump radiation field. However, it is particularly favorable if the partially transmissive reflector for the laser amplifier radiation field and the internal reflector for the pump radiation field are formed by a reflector.
  • the amplifier radiation intensity profile corresponds to a mode N of the microcavity and the pump radiation intensity profile also corresponds to mode N or a mode N + 1 of the microcavity.
  • Such a reflector lying opposite the rear-side internal reflector is in the simplest case a boundary layer, preferably as a multi-layer system, but with fewer layers than the rear-side internal reflector.
  • a front-side semiconductor layer absorbs pump radiation due to surface effects
  • a front-side semiconductor layer disposed opposite to the rear-side internal reflector is arranged relative to the pump radiation intensity profile to be in the range of less than one third of the maximum intensity to prevent this protective layer absorbs pumping radiation to a high degree.
  • the front-side semiconductor layer is arranged relative to the pump radiation intensity profile such that it lies in the region of a minimum intensity of the pump radiation intensity profile.
  • the front Halbieiter Mrs should also be designed so that it also absorbs the amplifier radiation field as possible to a small extent. Since the front-side semiconductor layer absorbs laser radiation due to surface effects, it is expedient for a front-side semiconductor layer arranged opposite the rear-side internal reflector to be arranged relative to the amplifier radiation intensity profile such that it lies in the region of less than one third of the maximum intensity.
  • the front half-liter layer is arranged relative to the intensification intensity course in such a way that it lies in the region of a minimum intensity.
  • the front-side semiconductor layer is arranged as close as possible to the minimum of the amplifier radiation intensity profile.
  • the front-side semiconductor layer is expediently chosen such that it forms the protective layer.
  • a dielectric layer is preferably provided on the surface of the solid body through which the pump radiation field and the amplifier beam enter. Such a reflective layer also results in reflections of both the pump radiation field and the laser amplifier radiation fiber.
  • a dielectric layer arranged opposite the rear reflector has a thickness which corresponds approximately to a quarter period (lambda-so-called!) Of the amplifier radiation intensity profile.
  • a dielectric layer opposite the rear reflector has a thickness such that reflections of the laser amplifier radiation field have such a phase shift at their boundary surfaces that they approximately compensate each other.
  • Figure 1 is a schematic representation of a laser amplifier system according to the invention
  • FIG. 2 enlarged schematic representation of the laser amplifier system in the region of the solid body with an indication of the layer structure
  • FIG. 3 shows a representation of the layer structure of the solid based on the refractive index profile in the direction of an optical axis over a representation of a pump radiation intensity profile and a laser radiation intensity curve within the solid body over individual positions along the optical axis;
  • FIG. 4 is a fragmentary enlarged view of the layer structure of the solid body of FIG. 3 in the iaser-active volume range over the correspondingly enlarged illustration of the pump radiation intensity profile and the intensifier radiation intensity profile;
  • FIG. 5 is a fragmentary enlarged view of quantum structures, tunnel barrier structures and barrier structures in the region of a quantum structure group in the first exemplary embodiment of a laser amplifier system according to the invention, wherein the band edge relevant for electrons is plotted over the optical axis;
  • Figure 6 is a schematic representation similar to Figure 5 of a second embodiment of a laser amplifier system according to the invention;
  • Figure 7 is a schematic representation similar to Figure 5 of a third embodiment of a laser amplifier system according to the invention.
  • FIG. 8 shows a schematic representation similar to FIG. 5 of a fourth exemplary embodiment of a laser amplifier system according to the invention.
  • FIGS. 1 and 2 An exemplary embodiment of a laser amplifier system according to the invention, illustrated in FIGS. 1 and 2, comprises a solid body 10 made up of semiconductor layers, which has a cooling surface 12 provided with a metallization 14, wherein the metallization 14 forms a solder layer 16 with a surface 18 of a is connected as a whole with 20 designated heatsink, wherein by the planar connection between the surface 18 of the heat sink 20 and the cooling surface 12 of the solid 10, a good thermal coupling between the solid 10 and the heat sink 20 to efficiently heat from the solid 10 in remove the heat sink 20.
  • the solid 10 is used for optical amplification of a laser amplifier radiation field 30, which propagates along an optical axis 32, which extends transversely, preferably perpendicular to the cooling surface 12.
  • the laser amplifier radiation field 30 is primarily determined by an amplifier optics, formed by an internal reflector 40 formed in the solid body 10 following the cooling surface 12 by semiconductor layers and an external reflector 42 arranged on a side of the solid 10 opposite the reflector 40, so that the laser amplifier radiation-resistant 30 passes through a surface 44 of the solid 10 which lies opposite the internal reflector 40 and thus also faces the cooling surface 12, wherein the optical axis 32 likewise extends transversely to the surface 44, preferably perpendicular to the surface 44,
  • an iaser active region 50 is provided between the internal reflector 40 and the surface 44 of the solid 10, in which iaser-active quantum structures 54 of semiconductor material are arranged in a plurality of mutually parallel surfaces 52 , 54 barrier structures 56, 58 are provided between these quantum structures.
  • the quantum structures 54 are combined to form quantum structure groups 60, each quantum structure group 60 being formed of a plurality of quantum structures 54 extending in the areas 52, and those between the quantum structures 54 of a quantum structure group 60, for example the quantum structure group 6Oi or the quantum structure group 6O 2 or the quantum structure group 6O 3 lying barrier structures 56 are formed as tunnel barrier structures 58, whose function will be explained in detail below.
  • the surfaces 52 in which the quantum structures 54 lie extend transversely to the optical axis 32 and preferably approximately parallel to the cooling surface 12 and approximately parallel to the surface 44 of the solid 10.
  • a pumping of the quantum structures 54 in the laser-active volume region 50 is preferably effected by a pump radiation field designated as a whole by 70, which enters the solid 10 starting from a pump radiation source 72 and impinges obliquely on the surface 44, for example, and due to the refraction approximately arrives in the solid body 10 Direction of the optical axis 32 to the reflector 40 propagates.
  • the pump radiation field 70 is also reflected by the internal reflector 40 and propagates in the solid 10 again in the direction of the surface 44 of the same, but is reflected in the solid 10 by a the internal reflector 40 opposite auskoppel disorderen reflector 80, which between the laser Volumetric range 50 and the surface 44 of the solid 10 is arranged and together with the internal reflector 40 for the pump radiation field 70 forms a microcavity in the solid 10, so that - as will be explained in detail below - in the solid state 10, in particular in the laser Voiumen Scheme 50 of the solid 10, locally standing intensity maxima of the pump radiation Fefdes 70 form.
  • the detailed structure of the solid body 10 of layers of semiconductor ⁇ material results, for example, from Table 1.
  • Table 1 the heat sink 20 is noted, on which by means of the solder layer 16, the metallization 14 of the solid 10 is fixed.
  • the layers of which the internal back reflector 40 is formed are Immediately adjacent to the metallization 14 are the layers of which the internal back reflector 40 is formed, which in this case is referred to as the
  • DBR Distributed Bragg Reflector
  • This internal reflector 40 reflects both the laser amplifier radiation field 30 and the pump radiation field 70.
  • Such a Bragg reflector is constructed, for example, from a sequence of layers with an alternating refractive index of the optical thickness of half the Bragg wavelength.
  • the internal reflector 40 is followed by an outer barrier structure 56i of semiconductor material, which on the one hand represents a barrier for charge carriers in the quantum structures 54 and on the other hand has a band gap such that it neither absorbs the pump radiation field 70 nor the laser amplifier radiation field 30.
  • the thickness of the barrier structure 56i may also serve to adjust the phase position of the reflected radiation fields.
  • Each of the quantum structure groups 60 includes, as shown in Table 1, for example, a total of five quantum structures 54, on both sides of each of the quantum structures 54 is a barrier structure 56 2 is provided, wherein the barrier structures shown in Table 1 56 2 due to the representation of the layer structure each Barrier structures 56 2 represent half thickness, since five successive arrangement of the layers shown in Table 1, two superposed barrier structures 56 2 between two quantum structures 54 within a quantum structure group 60 has a thickness of 2 x 2.5 nm, ie 5 nm, and thus constitute a tunnel barrier structure 58.
  • the respective outer barrier structures 56 2 of a quantum structure group 60 are then directly to barrier structures 56 at 2 and unite with this structure to a barrier that allows already because of their thickness not more tunnel effect.
  • the quantum structures 54 are made, for example, of the semiconductor material GaAs and have a thickness of the order of 8 nm.
  • the quantum structures 54 may have a thickness across the surfaces 52 which are at most on the order of ten times, more preferably the simple, of the electron beam length in the semiconductor material forming the quantum structure 54.
  • the thickness is about 5 nm to about 10 nm.
  • the quantum structures 54 can represent, for example, planar films with a two-dimensional electron gas extending in the areas 52, quantum wires extending in the areas 52 with a one-dimensional electron gas, or even quantum dots arranged with a nu-dimension electron gas in the areas 52.
  • the barrier structures 58 only have a thickness of the order of 5 nm, for example, it is possible that the optical pumping by means of the pump radiation field 70 in FIG the quantum structures 54 generated holes and electrons through the
  • the electrons and holes generated by the pump radiation field 70 will also be distributed among the remaining quantum structures 54 of this quantum structure group 60.
  • Such tunneling of electrons and holes is primarily not done by all types of holes, but primarily by so-called "light holes" and electrons.
  • a tunnel barrier structure 58 is formed between two quantum structures 54 within a quantum structure group 60 such that the tunnel-limited lifetime for the charge carriers, ie, the light holes and the electrons, is at least about a factor of 5, more preferably at least about a factor of 10, is smaller than the charge carrier lifetime in the respective quantum structure 54.
  • the thickness of the tunnel barrier structures 58 is suitably in the range between about 0.5 nm and about 10 nm, preferably in the range of about 2 nm to about 6 nm.
  • the tunnel barrier structures 58 have a band gap which is at least 32 meV greater than the band gap of the quantum structure 54, wherein the band gap of the tunnel barrier structure 58 in the illustrated embodiment about 380 meV is greater than the band gap of the quantum structure 55 in the case of GaAs.
  • the laser-active volume region 50 with, for example, three quantum-structure groups 60i, 6O 2 and 6O 3 are again followed by barrier structures 56 2 and 50 1 , in the same way as are provided between the internal Bragg reflector 40 and the laser-active volume region 50.
  • the outcoupling-side reflector 80 which is likewise constructed as a Bragg mirror (DBR) from semiconductor layers and is constructed in a similar manner to the rear-side Bragg mirror 40, but with fewer mirror layers.
  • DBR Bragg mirror
  • the outcoupling-side reflector 80 forms, together with the rear-side reflector 40, the already described microcavity, which is important for the pump radiation field 70 and, as shown in FIGS.
  • the pump radiation field 70 embodied as a standing field is also selected as a standing wave field of an ion-relative mode N or N + 1 in such a way that the maxima PM lie as exactly as possible at the location of a quantum structure 54 of a quantum structure group 60.
  • the standing wave field of the pump radiation field 70 is selected such that the maximum PMi lies at the location of the quantum structure 54a of the quantum structure group 6Oi closest to the rear-side internal reflector 40, ie coincides locally with this, so that a Pumping this quantum structure 54 with maximum intensity is possible.
  • the maximum PM 2 of the standing wave field of the pump radiation field 70 coincides with the quantum structure 54a of the quantum structure group 6O 2 closest to the rear-side internal reflector 40
  • the maximum PM 3 coincides with the quantum structure 54a of the quantum structure group 6O 3
  • Reflector 40 is closest to, locally together, so that in each of the quantum structures groups 60i, 6O 2 and 6O 3 one of the quantum structures 54a, namely those closest to the rear-side internal reflector 40 is optically pumped with maximum intensity of the pump radiation field 70 to create charge carriers, namely electrons and holes.
  • Protective layer 86 for example of GaAs, by a spacer layer denoted 84 in Table 1, formed by barrier structures 56i, positioned such that the front-side semiconductor layer 86 is at or near a minimum of the pump radiation intensity profile of the pump radiation field 70 defined by the microcavity ,
  • a dielectric layer designated by 88 in Table 1 which is formed as a dielectric lambda-quarter layer of semiconductor material and prevents the optically "hard” transition between the semiconductor material and the air with a very large refractive index jump forms a maximum of the standing wave field of the pump radiation field 70.
  • This dielectric layer 88 serves to form on the surface 44 an intensity maximum of the standing wave field of the laser radiation field 30 and also, if possible, of the pump radiation field 70, so that the next following minimum of the respective standing wave field lies in the protective layer 86.
  • the outcoupling-side reflector 80 not only acts on the pump radiation field 70, but also on the laser amplifier radiation field 30 whose longitudinal modes are primarily due to the backside internal
  • Reflector 40 and the external reflector 42 are defined, however, an additional selection by the microcavity defined between the outcoupling-side reflector 80 and the rear reflector 40 experience, so that, as shown in Figure 3 and 4, in the laserakt ⁇ ven volume range 50 by inter- the reflected laser radiation field 30 forms an amplifier radiation intensity profile in the form of a standing wave field with a longitudinal mode IM of the microcavity which has the intensity maxima LMi, LM 2 and LM 3 , for example in the laser-active volume area 50.
  • the maxima LMi, LM 2 and LM 3 lie in the direction of the optical axis 32 at a distance from the maxima PMi, PM 2 and PM 3 and thus in each case locally at the location of a quantum structure 54e which does not coincide with the Quantum structure 54a within the respective quantum structure group 60 coincides. Rather, for example, the quantum structure 54e in the respective quantum structure group 60 is that quantum structure 54 which is arranged closest to the surface 44 of the solid 10.
  • the quantum structure 54e is pumped only insignificantly through the standing wave field of the pump radiation field 70, since the intensity of the standing wave field of the pump radiation field 70 is low, if not minimum, in the region of this quantum structure 54e.
  • the tunneling of the charge carriers within a quantum structure group 60 across the tunnel barrier structures 58 thus enables, on the one hand, optimal direct pumping of at least one quantum structure 54 within one of the quantum structure groups 60 and locally thereof in the direction of the optical axis 32 different from at least one of the quantum structures 54, for example the quantum structure 54e, by stimulated emission an optimal contribution to the gain of the laser amplifier radiation field 30, as shown in Figure 4,
  • An optical pumping by the absorption of pump radiation from the pump radiation field 70 takes place, as shown in FIG. 4, within the respective quantum structure group 60 not only in the one quantum structure 54a which is locally at the location of the respective intensity maximum PMi, PM 2 and PM 3 , but also in the remaining quantum structures 54 of this quantum structure group 60, but to a lesser extent due to the lower intensity of the pump radiation intensity profile of the pump radiation field 70 at its location.
  • quantum structures 54e within the quantum structure groups 60 that are at the location of the maxima LMi, LM 2 and LM 3 are effective for the amplification of the laser amplifier radiation field 30, but also the remaining quantum structures 54 within the quantum structure groups 60, but due to the lower intensity the amplifier radiation intensity profile of the laser amplifier radiation field 30 at the location thereof to a lesser extent.
  • the position of the front-side semiconductor layer 86, which acts as a protective layer, relative to the standing wave field of the laser intensity radiation field 30 is also relevant, so that the spacers 84 act as spacers 84 Barrier layers 56 i are also selected such that the protective layer 86 is at or near a minimum of the amplifier radiation intensity profile of the laser amplifier radiation field 30.
  • the dielectric layer 88 is also selected as the lambda insulating layer such that the minimum of the standing-wave field lies with the front-side semiconductor layer.
  • the quantum structure groups 60i, 6O 2 and 6O 3 for the amplifier radiation intensity profile of the laser amplifier radiation field 30 form a resonant periodic amplification structure, since each of the quantum structure groups 60 i; Is 6O 2 and 6O 3 is arranged so that the stimulated emission of at least one of the intensity distribution occurs of the quantum structures 54 in the region of one of the maxima LMi, LM 2 and LM 3 of Verellrstrahlungs- and simultaneously form the quantum structures groups 60i, 6O 2 and 6O 3 due to their arrangement in the solid state 10, to absorb an optimum resonant periodic absorber structure around the pump radiation field 70 in the region of the maxima PMi, PM 2 and PM 3 of the pump radiation intensity profile of the pump radiation field 70.
  • the quantum structures 54 and the tunnel barriers 58 are formed with the same layer thickness and each of the same material.
  • the energetics of the first embodiment for the case of electrons are again shown for clarity in Figure 5, whereby also the different band gap for the semiconductor materials of the barrier structures Bo 1 and 56 2 and the layer thickness are shown.
  • the tunnel-limited lifetime of the carriers is more than a factor 10 smaller than the lifetime of the carriers in the quantum structures 54a, it can be assumed that at substantially identical lowest energy level El for all quantum structures 54 due to the tunneling processes through the Tunnel barrier structures 58 an equal distribution of the concentration of the charge carriers in the lowest energy level El in all quantum wells 54 takes place.
  • the stimulated emission then takes place at least from the quantum structure 54e, with the uniform distribution of the concentration of the charge carriers still being maintained by the tunneling processes.
  • two quantum structures 54 namely the quantum structures 54a and 54b are formed with a larger band gap, while the two other quantum structures 54d and 54e have a smaller band gap.
  • the tunnel barrier structure 58 'between the quantum structure 54b and the quantum structure 54d is designed with a smaller thickness, for example a thickness of 2 nm, so that the tunneling probability from the quantum structure 54b to the quantum structure ö4d increased. This results in that the tunneling probability for charge carriers from the quantum structures 54a and 54b into the quantum structures 54d and 54e is increased.
  • the quantum structures 54a and 54b may have a greater thickness, for example, a thickness of 10 nm, than the quantum structures 54d and 54e.
  • the quantum structures 54a and 54b are arranged such that they primarily absorb the pump radiation field 70, namely in the lowest energy levels EP1, which, since they are quantum structures, have a high density of states ,
  • the quantum structures 54a and 54b are designed such that their lowest energy levels EP1 are energetically at least slightly higher than the lowest energy levels EL1 of the quantum structures 54d and 54e from which the stimulated emission is to take place. This has the advantage that the stimulated emission from the energy levels EL1 of the quantum structures 54d and 54e is not or only slightly absorbed by the lowest energy levels EP1 of the quantum structures 54a and 54b which are to absorb the pump radiation field 70.
  • the quantum structures 54a and 54b as well as the quantum structures 54d and 54e are matched to one another such that the lowest energy levels EP1 of the quantum structures 54a and 54b and those over the lowest Energy levels ELl next higher energy levels EL2 of the quantum structures 54d and 54e are approximately at the same level, as also indicated in Figure 6.
  • the advantage of the second exemplary embodiment according to FIG. 6 is therefore that it is possible to optimally pump quantum structures, namely the quantum structures 54a and 54b, but to design the quantum structures 54a and 54b such that they emit the stimulated emission from the lowest Absorb energy levels ELl of the quantum structures 54d and 54e as little as possible.
  • the quantum structures 54a and 54b can be arranged so that their location is optimally in the range of a maximum PM of the pump radiation field 70, while the quantum structures 54d and 54e are arranged so that their location as optimal as possible in the region of a maximum LM of the laser amplifier radiation field 30 lies.
  • the tunnel barrier structures 58 and 58 ' are formed so that they each have the same band gap.
  • the tunnel barrier structure 58 ' has a smaller band gap between the quantum structure 54b and the quantum structure 54d, which likewise increases the tunneling probability and thus the tunnel-limited Lifespan of the charge carriers, in this case the electrons leads, so that also by the concentration of the charge carriers in the quantum structures 54d and 54e can be increased, for example, in addition to reducing the thickness of the quantum structure 58 '.
  • quantum structures 54a and 54b and the quantum structures 54d and 54e are formed with the same thickness as in the second embodiment.
  • the quantum structure 54a ' is embodied as a widened quantum structure, for example with a width of 20 nm, but has a varying band gap, which decreases in the direction of the quantum structure 54d.
  • the tunneling probability in the direction of the quantum structures 54d and 54e can be additionally increased, so that an increase in the concentration of the charge carriers in the quantum structures 54d and 54b between the quantum structure 54a 1 and 54d of small thickness, for example of 3 nm, occurs particularly in the case of a tunnel barrier 58 ' 54e and thus, in the majority of cases, the charge carriers resulting from absorption in the quantum structure 54a 'pass into the quantum structures 54d and 54e by tunneling, in order to contribute there by stimulated emission for amplifying the laser radiation field 30.

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Abstract

Um ein Laserverstärkersystem, umfassend einen mit einem Kühlkörper (20) thermisch gekoppeltem Festkörper (10) mit einem laseraktiven Volumenbereich (50), in welchem in mehreren, sich parallel zueinander erstreckenden Flächen (52) jeweils mindestens eine laseraktive Quantenstruktur (54) aus Halbleitermaterial angeordnet ist und in welchem die Quantenstrukturen (54) durch Barrierenstrukturen (56) voneinander getrennt sind, eine ein Pumpstrahlungsfeld (70) erzeugende Pumpstrahlungsquelle (72) und eine ein Laserverstärkerstrahlungsfeld (30) definierende Verstärkeroptik (40, 42, 80), derart zu verbessern, dass eine weniger genaue Anordnung der Quantenstrukturen (54) erforderlich ist, wird vorgeschlagen, dass die Quantenstrukturen (54) mindestens eine Quantenstrukturengruppe (60) bilden, innerhalb von welcher die zwischen jeweils zwei der Quantenstrukturen (54) liegenden Barrierenstrukturen (58) als Tunnelbarrierenstrukturen ausgebildet sind und ein Tunneln von Ladungsträgern zwischen den jeweils an diese Tunnelbarrierenstrukturen angrenzenden Quantenstrukturen (54) zulassen.

Description

La se r ve rstä r ke rsy stem
Die Erfindung betrifft ein Laserve rstä rkersystem umfassend einen mit einem Kühlkörper thermisch gekoppelten Festkörper mit einem laseraktiven Volumenbereich, in welchem in mehreren, sich parallel zueinander erstreckenden Flächen jeweils mindestens eine sich zumindest über Teilbereiche der Fläche erstreckende laseraktive Quantenstruktur aus Halbleitermaterial angeordnet ist und in weichem die Quantenstrukturen durch beider- seits der Flächen angeordnete Barrierenstrukturen voneinander getrennt sind, eine ein sich quer zu den Flächen ausbreitendes Pumpstrahlungsfeld erzeugende Pumpstrahlungsquelle zum optischen Pumpen des laseraktiven Volumenbereichs derart, dass die Absorption von Pumpstrahlung aus dem Pumpstrahlungsfeld in der laseraktiven Quantenstruktur gleich oder größer als die Absorption von Pumpstrahlung durch die Barrierenstrukturen ist, und eine ein den laseraktiven Volumenbereich durchsetzendes Laserverstärker- strahiungsfeld definierende Verstärkeroptik,
Derartige Laserverstärkersysteme sind aus dem Stand der Technik, beispiels- weise aus der WO 03/100922 A2 bekannt.
Bei derartigen Laserverstärkersystemen besteht das Problem, dass eine sehr exakte Anordnung der Quantenstrukturen relativ zu Maxima des Pumpstrahlungsfeldes erforderlich ist, um in einer zur Verfügung stehenden Quantenstruktur durch optisches Pumpen Ladungsträger zu erzeugen. Andererseits besteht das Problem, dass Quantenstrukturen mit Ladungsträgern möglichst exakt relativ zu Maxima des Laserverstärkerstrahtungsfeldes angeordnet sein sollten, um eine möglichst gute Ankopplung der stimulierten Emission an das Laserverstärkerstrahlungsfeld zum Verstärken desselben zu erhalten.
Bereits diese Voraussetzungen lassen sich nur schwer in Einklang bringen. Darüber hinaus besteht die Forderung, das Pumpstrahlungsfeld mit möglichst effizienten vorhandenen Pumpstrahlungsqueilen erzeugen zu können.
Diese Aufgabenstellung wird bei einem Laserverstärkersystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Quantenstrukturen mindestens eine Quantenstrukturengruppe bilden, innerhalb von welcher die zwischen jeweils zwei Quantenstrukturen liegenden Barrieren- Strukturen als Tunneibarrierenstrukturen ausgebildet sind und ein Tunneln von Ladungsträgern zwischen den jeweils an diese Tunneibarrierenstrukturen angrenzenden Quantenstrukturen zulassen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist somit darin zu sehen, dass durch das Tunneln der Ladungsträger zwischen den Quantenstrukturen die Möglichkeit besteht, Quantenstrukturen über das Pumpstrahlungsfeld optisch zu pumpen, ohne dass aus diesen Quantenstrukturen die stimulierte Emission zum Verstärken des Laserverstärkerstrahlungsfeldes eingesetzt werden muss. Vielmehr besteht durch das Tunneln die Möglichkeit, zwischen lokal verschieden angeordneten Quantenstrukturen Ladungsträger auszutauschen, beispielsweise von der absorbierenden Quantenstruktur verschiedene Quantenstrukturen mit Ladungsträgern zu versorgen, die dann in einer oder mehreren der Quantenstrukturen durch stimulierte Emission rekombinieren und zum Verstärken des Laserverstärkerstrahlungsfeldes beitragen.
Damit lässt sich somit eine örtliche Trennung der Absorption der Pumpstrahlung von der stimulierten Emission realisieren, ohne dass auf die Vorteile der Verwendung von Quantenstrukturen sowohl zur Absorption des Pumpstrahlungsfeldes als auch zur stimulierten Emission von Laserverstärker- Strahlung verzichtet werden muss.
Die Vorteile der Quantenstrukturen sowohl für die Absorption von Pumpstrahlung aus dem Pumpstrahlungsfeld als auch die stimulierte Emission von Laserverstärkerstrahlung sind insbesondere darin zu sehen, dass ein effi- zientes Pumpen nahe der Laserwellenlänge möglich ist, verbunden mit einer Steigerung des Materialgewinns bei der Laserwellenlänge und einer Erhöhung der Ladungsträgerdichtekonzentration in der Nähe der Bandkante, so dass diese optimal zum Gewinn einer Lasermode mit einer entsprechenden Wellenlänge beitragen können.
Um eine möglichst günstige Verteilung der Ladungsträger in den Quantenstrukturen einer Quantenstrukturgruppe zu erreichen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Tunnelbarrierenstrukturen tunnelbegrenzte Lebensdauern für die Ladungsträger aufweisen, die kleiner als die Ladungsträgeriebensdauer ohne Berücksichtigung des Tunneleffekts in der jeweiligen Quantenstruktur bei den typischen im Laserbetrieb vorherrschenden Bedingungen sind. Besonders günstig ist es dabei, wenn die Tunnelbarrierenstrukturen eine tunnelbegrenzte Lebensdauer für die Ladungsträger aufweisen, die mindestens um ungefähr einen Faktor fünf kleiner als die Ladungsträgerlebensdauer in der jeweiligen Quantenstruktur ist.
Noch besser ist es, wenn die Tunnelbarrierenstrukturen eine tunnelbegrenzte Lebensdauer für die Ladungsträger aufweisen, die mindestens um ungefähr einen Faktor zehn kleiner als die Ladungsträgerlebensdauer in der jeweiligen Quanten Struktur ist.
Allerdings hat die Reduzierung der tunnelbegrenzten Lebensdauer ihre Grenze dann, wenn die Quantenstrukturen ihre vorteilhaften Eigenschaften in nennenswertem Maß verlieren.
Hinsichtlich der durch die Tunnelbarrierenstrukturen tunnelnden Ladungsträger wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. Prinzipiell sind diese Ladungsträger in Halbleitermaterialien Elektronen und Löcher. Insbesondere handelt es sich bei den Ladungsträgern jedoch um Elektronen und so genannte leichte Löcher, das heißt Löcher mit einer geringen effektiven Masse.
Hinsichtlich der Tunnelbarrierenstrukturen wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbetspiele keinen näheren Angaben gemacht. So sieht eine vorteiihafte Lösung vor, dass die Tunnei- barrierenstrukturen eine Dicke aufweisen, die im Bereich zwischen ungefähr 0,5 nm und ungefähr 10 nm liegt. Besonders günstig ist es, wenn die Tunnelbarrierenstrukturen eine Dicke aufweisen, die zwischen ungefähr 2 nm und ungefähr 6 nm liegt.
Mit einer derartigen Dicke der Tunnelbarrierenstrukturen lassen sich in einfacher Weise die hohen Tunnelwahrscheinlichkeiten realisieren, die erforderlich sind, um einen Austausch der Ladungsträger zwischen den Quantenstrukturen zu erreichen.
Die Tunnelwahrscheinlichkeit oder die tunnelbegrenzte Lebensdauer der Ladungsträger hängt jedoch nicht nur von der Dicke der Tunnelbarrierenstrukturen ab, sondern auch von dem Bandabstand in den Tunnelbarrierenstrukturen.
Einerseits ist es günstig, wenn die Tunnelbarrierenstrukturen einen Bandabstand aufweisen, der um mindestens 30 meV größer ist als der Bandabstand der benachbarten Quantenstruktur ist, so dass die Quantenstruktur im üblichen Temperaturbereich noch als Quantenstruktur bestehen bleibt und nicht ihre vorteilhaften Eigenschaften verliert.
Andererseits ist es sinnvoll, dass die Tunnelbarrierenstruktur einen Bandabstand aufweist, der maximal um ungefähr 800 meV größer als der Bandabstand der benachbarten Quantenstruktur ist, da ein größerer Bandabstand ansonsten ebenfalls wiederum die Tunnelwahrscheinlichkeit zu stark redu- zieren und die tunnetbegrenzte Lebensdauer erhöhen würde. Ailgemein ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Tunnelbarrierenstruktur einen Bandabstand aufweist, der im Bereich zwischen dem ungefähr 1,01- fachen und dem ungefähr 2-fachen des Bandabstandes, vorzugsweise dem ungefähr 1,05-fachem und dem ungefähr 1,5-fachem, der benachbarten Quantenstruktur liegt, um einerseits die Quantenstruktur als solche hinsichtlich ihrer Eigenschaften aufrecht zu erhalten und andererseits eine ausreichend hohe Tunnelwahrscheinlichkeit und somit eine ausreichend geringe tunnelbegrenzte Lebensdauer der Ladungsträger zu erhalten.
Grundsätzlich ist es im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung denkbar, dass das Pumpstrahlungsfeid lokal wandernde Intensitätsmaxima aufweist, solange die lokal wandernden Intensitätsmaxima im Bereich einer Quantenstruktur liegen.
Besonders günstig ist es jedoch, wenn das Pumpstrahiungsfeid im Bereich der mindestens einen Quantenstrukturgruppe einen lokal stehenden Pumpstrahlungsintensitätsverlauf, d.h. ein Stehwellenfetd, aufweist, so dass der Pumpstrahlungsintensitätsverlauf im Bereich der Quantenstrukturgruppe kon- stant ist.
Besonders günstig ist es, wenn die mindestens eine Quantenstrukturgruppe mindestens eine Quantenstruktur aufweist, die in einem Bereich des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs mit mindestens halber Maximalintensität liegt. Noch besser ist es, wenn die mindestens eine Quantenstrukturgruppe mindestens eine Quantenstruktur aufweist, die im Bereich des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs mit mindestens ungefähr zwei Dritte! der Maximalintensität liegt.
Optimale Verhältnisse lassen sich dann erreichen, wenn die mindestens eine Quantenstrukturgruppe mindestens eine Quantenstruktur aufweist, die in einem Bereich des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs um die Maximalintensität liegt, so dass die mindestens eine Quantenstruktur mit optimaler Effizienz optisch gepumpt wird.
Desgleichen ist es ebenfalls denkbar, im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung mit einem lokal wandernden Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf zu arbeiten, solange der Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf so ist, dass die stimulierte Emission aus einer Quanten struktur der Quantenstrukturgruppe mit nennenswerter Wirkung zur Verstärkung des Verstärkerstrahiungsfeldes beiträgt.
Besonders günstig ist es jedoch, wenn das Laserverstärkerstrahlungsfeld im Bereich der mindestens einen Quantenstrukturengruppe einen lokal stehenden Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf, d.h. ein Stehwellenfeld, aufweist.
Bei einer derartigen Lösung trägt die von stimulierter Emission aus einer Quantenstruktur der Quantenstrukturgruppe dann effizient zum Laser- verstärkerstrahlungsfeld bei, wenn die mindestens eine Quantenstrukturen¬ gruppe mindestens eine Quantenstruktur aufweist, die im Bereich des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs mit mindestens halber Maximalintensität liegt- Noch besser ist es, wenn die mindestens eine Quantenstrukturengruppe mindestens eine Quantenstruktur aufweist, die im Bereich des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs mit mindestens ungefähr zwei Drittel der Maximalintensität liegt.
Optimale Verhältnisse sind dann erreichbar, wenn die mindestens eine Quantenstrukturengruppe mindestens eine Quantenstruktur aufweist, die im Bereich des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs um die Maximalintensität liegt.
Noch weiter verbessern lassen sich die Verhältnisse durch Vergrößerung der Zahl der Quantenstrukturen in einem Bereich des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs mit mindestens halber Maximaiintensität.
Im Zusammenhang mit den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden keine näheren Ausführungen zur Ausdehnung der Quantenstrukturengruppe quer zu den Flächen, das heißt in Richtung der optischen Achse, gemacht.
Eine besonders günstige Lösung sieht dabei vor, dass die mindestens eine Quantenstrukturengruppe in Richtung der optischen Achse eine Ausdehnung aufweist, die mindestens einem Abstand zwischen einander benachbarten Maxima des Pumpstrahlungsintensitätsveriaufs und des Verstärkerstrahlungs- intensitätsverlaufs entspricht. Die Wirkung des laseraktiven Volumenbereichs lässt sich jedoch noch optimieren, wenn nicht nur eine Quantenstrukturengruppe vorgesehen ist, sondern wenn in dem iaseraktiven Volumenbereich mehrere Quanten- Strukturengruppen vorgesehen sind.
Hinsichtlich der mehreren Quantenstrukturengruppen ist ebenfalls die räumliche Anordnung derselben reiativ zueinander relevant.
So ist es günstig, wenn die Quantenstrukturengruppen einen Mittenabstand voneinander aufweisen, der mindestens einem Abstand, oder einem ganzzahligen Vielfachen dieses Abstandes, von Maxima des Pumpstrahlungs- intensitätsverlaufs entspricht.
Ferner ist es günstig, wenn die Quantenstrukturengruppen einen Mittenabstand voneinander aufweisen, der maximal einem Abstand, oder einem ganzzahligen Vielfachen dieses Abstands, von Maxima des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs entspricht.
Ferner ist es bei der Anordnung mehrerer Quantenstrukturengruppen günstig, wenn aufeinander folgende Quantenstrukturen so angeordnet sind, dass jeweils eine im Bereich von jeweils einem von aufeinander folgenden Maxima des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs liegt.
Ferner ist günstigerweise vorgesehen, dass aufeinander folgende Quantenstrukturengruppen so angeordnet sind, dass jeweils eine im Bereich von jeweils einem von aufeinander folgenden Maxima des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs liegt. Hinsichtiich des Verhältnisses der Absorption von Pumpstrahlung in der Quantenstruktur zur Absorption von Pumpstrahlung in der Barrierenstruktur wurden bislang keine näher detaillierten Angaben gemacht. Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass die Absorption von Pumpstrahiung in der mindestens einen Quantenstruktur die Absorption von Pumpstrahlung in der an die Quantenstruktur angrenzenden Barrierenstruktur überwiegt.
Noch besser ist es, wenn die Absorption von Pumpstrahlung in der Barrieren- struktur gegenüber der Absorption von Pumpstrahlung in der Quantenstruktur vernachlässigbar ist.
Vorzugsweise ist dabei das Halbleitermaterial der Quantenstruktur so ausgebildet, dass es einen geringeren Bandabstand aufweist als das Halbleiter- material der Barrierenstrukturen, wobei der Bandabstand der Barrieren- Strukturen vorzugsweise so groß ist, dass keine Absorption von Pumpstrahlung mehr möglich ist.
Hinsichtlich der Dicke der Quantenstrukturen quer zu der jeweiligen Fläche, das heißt insbesondere in Richtung der optischen Achse, wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sieht eine zweckmäßige Lösung vor, dass die Quanten Strukturen quer zu der jeweiligen Fläche eine Dicke aufweisen, die weniger als 20 nm beträgt.
Noch besser ist es, wenn die Quantenstrukturen quer zu der jeweiligen Fläche eine Dicke aufweisen, die weniger als 10 nm beträgt. Die Quantenstrukturen können dabei im einfachsten Fall als Quantenfiim ausgebildet sein, welcher sich über den gesamten Querschnitt des Festkörpers als durchgehende Schicht erstreckt. Es ist aber auch denkbar, den Quantenfüm so auszubilden, dass er sich in Richtung der Fläche lediglich über einen Teilbereich des Querschnitts des Festkörpers erstreckt.
Eine andere Möglichkeit sieht vor, dass die Quantenstruktur aus Quantendrähten gebildet ist,
Wieder eine andere Möglichkeit sieht vor, dass die Quantenstruktur aus Quantenpunkten gebildet ist.
Hinsichtlich der energetischen Verhältnisse der Quantenstrukturen wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. Prinzipiell könnten die Quantenstrukturen innerhalb einer Quantenstrukturgruppe unterschiedliche Energie- niveaus aufweisen, wobei die Lage der Energieniveaus einerseits von dem Material und andererseits von der Dicke des Materials quer zu der jeweiligen Fläche abhängig ist,
Um jedoch ein Tunneln durch die Tunnelbarrierenstrukturen zu optimieren ist vorzugsweise vorgesehen, dass eine Quantenstruktur der beiderseits einer Tunnelbarrierenstruktur angeordneten Quantenstrukturen ein niedrigstes Energieniveau aufweist, welches ungefähr einem Energieniveau der anderen Quantenstruktur entspricht, wobei das Energieniveau der anderen Quantenstruktur nicht ein niedrigstes Energieniveau sein kann, sondern im Extremfall auch ein höheres Energieniveau sein kann, nämlich dann, wenn die Quantenstrukturen unterschiedlich hoch liegenden niedrigste Energieniveaus aufweisen.
In diesem Fall besteht die Möglichkeit, eines so genannten resonanten Tunnelns der Ladungsträger durch die Tunnelbarrierenstruktur.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform, die unterschiedlichen niedrigsten Energieniveaus der Quantenstrukturen ausgeht, sieht vor, dass das niedrigste Energieniveau der im Wesentlichen vom Pumpstrahlungsfeld optisch gepumpten Quanten Strukturen hoher liegt als das niedrigste Energieniveau der im Wesentlichen zur stimulierten Emission beitragenden Quantenstrukturen.
Diese Lösung hat den Vorteil, dass damit die Möglichkeit besteht, die Tunnel- Wahrscheinlichkeit von den vom Pumpstrahlungsfeld gepumpten Quantenstrukturen in Richtung der zur stimulierten Emission beitragenden Quantenstrukturen zu erhöhen, jedoch ein Rϋcktunneln aus den zur stimulierten Emission beitragenden Quantenstrukturen in die vom Pumpstrahlungsfeld optisch gepumpten Quantenstrukturen zu reduzieren, so dass sich die Ladungsträgerkonzentration in den niedrigsten Energieniveaus der zur stimulierten Emission beitragenden Quantenstrukturen vergrößern und somit die Laserschwelle senken lässt.
Außerdem hat diese Lösung noch den Vorteil, dass sich das niedrigste Energieniveau der vom Pumpstrahiungsfeld optisch gepumpten Quantenstrukturen so weit energetisch gegenüber dem niedrigsten Energieniveau der im Wesentlichen zur stimulierten Emission beitragenden Strukturen verändern lässt, dass die vom Pumpstrahfungsfeld optisch gepumpten Quantenstrukturen in geringerem Maße ihrerseits die stimulierte Emission, die zum Laser- verstärkerstrahlungsfeld beiträgt, absorbieren, wodurch ebenfalls wiederum die Laserschwelle erniedrigt werden kann.
Im optimalen Fall lassen sich die niedrigsten Energieniveaus der im Wesentlichen vom Pumpstrahlungsfeld optisch gepumpten Quantenstrukturen soweit gegenüber den niedrigsten Energieniveaus der im Wesentiichen zur stimulierten Emission beitragenden Quantenstrukturen verschieben, dass die Absorption der stimulierten Emission durch die im Wesentlichen vom Pump¬ strahlungsfeld optisch gepumpten Quantenstrukturen, günstigstenfalls ver- nachiässigbar ist.
Hinsichtlich des Verlaufs des Pumpstrahlungsfeldes im Festkörper wurden bis- lang keine näheren Angaben gemacht. So ist es besonders günstig, wenn das Pumpstrahlungsfeld den laseraktiven Volumenbereich ungefähr in Richtung einer quer zu den Flächen, in denen sich die Quanten Strukturen erstrecken, verlaufenden optischen Achse durchsetzt.
Ferner ist vorzugsweise hinsichtlich des Verstärkerstrahlungsfeides vorgesehen, dass das Verstärkerstrahlungsfeld den laseraktiven Voiumenbereich ungefähr in Richtung einer quer zu den Flächen, in denen sich die Quanten¬ strukturen erstrecken, verlaufenden optischen Achse durchsetzt.
Besonders günstig für die Strahlungsführung ist es, wenn das Pump- strahlungsfeid dieselbe Oberfläche des Festkörpers durchsetzt wie das Laser- verstärkerstrahlungsfeld. Hinsichtlich der Führung des Pumpstrahlungsfeldes und des Laserverstärker- strahlungsfeldes im Festkörper wurden ferner keine weiteren Angaben gemacht. So wäre es beispielsweise denkbar, den Festkörper auf einem optisch durchlässigen Kühlkörper anzuordnen, so dass die Führung des Pumpstrahlungsfeldes und des Laserverstärkerstrahlungsfeides durch externe optische Elemente erfolgen könnte.
Eine konstruktiv besonders günstige Lösung sieht jedoch vor, dass der Fest- körper auf einer dem Kühlkörper zugewandten Seite einen durch Halbleiterschichten gebildeten rückseitigen internen Reflektor aufweist, so dass mit diesem bereits die Möglichkeit besteht, en Stehwellenfeld zu erzeugen.
Ein derartiger rückseitiger interner Reflektor ist insbesondere so ausgebildet, dass er sowohl für das Pumpstrahlungsfefd als auch für das Laserverstärker- strahlungsfeld als Reflektor dient.
Zweckmäßigerweise ist dabei der rückseitige interne Reflektor so ausgebildet, dass er aus einem hochreflektierenden Mehrschichtsystem ausgebildet ist, bei- spielsweise ein Braggreflektor ist.
Ein derartiges Mehrschichtsystem schafft die Möglichkeit, im Bereich einer Rückseite des Festkörpers eine möglichst hohe Reflektion sowohl für das Pumpstrahlungsfefd als auch für das Laserverstärkerstrahlungsfeld zu erreichen. Mit einem derartigen rückseitigen internen Reflektor ist somit sichergestellt, dass sowohl das Pumpstrahlungsfeld als auch das Laserverstärkerstrahlungs- feld reflektiert werden, wobei die weitere Führung des Pumpstrahlungsfeldes noch nicht näher definiert ist.
So könnte beispielsweise das Pumpstrahlungsfeld durch einen externen Reflektor wieder zurück in den Festkörper reflektiert werden, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Eine besonders günstige Lösung sieht jedoch vor, dass der Festkörper auf einer dem rückseitigen internen Reflektor abgewandten Seite des laseraktiven Volumenbereichs einen internen Reflektor für das Pumpstrahlungsfeld aufweist.
Ein derartiger interner Reflektor für das Pumpstrahlungsfeld schafft die Möglichkeit, innerhalb des Festkörpers zusammen mit dem rückseitigen internen Reflektor eine Mikrokavität zu bilden, in welcher sich ein Stehwellenfeld des Pumpstrahlungsfeldes ausbilden kann, so dass ein lokal stationärer Pumpstrahlungsintensitätsverlauf im laseraktiven Volumenbereich mit überhöhten Maxima vorliegt, relativ zu dem sich dann die Quantenstrukturen- gruppen und die Quantenstrukturen innerhalb der Quantenstrukturengruppen optimal anordnen lassen.
Ferner ist für das Laserverstärkerstrahiungsfeld vorzugsweise ein externer Reflektor vorgesehen. Ein externer Reflektor, welcher mit dem rückseitigen internen Reflektor im Festkörper zusammenwirkt, hat jedoch den Nachteil, dass dieser eine Vielzahl von longitudinalen Moden zulässt.
Um aus dieser Vielzahl von longitudinalen Moden bevorzugte longitudinale Moden auszuwählen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Festkörper auf einer dem rückseitigen internen Reflektor abgewandten Seite des laseraktiven Vofumenbereichs einen teiidurchlässigen Reflektor für das Laserverstärker- strahiungsfeld aufweist.
Dieser teildurchlässige Reflektor für das Laserverstärkerstrahlungsfeld kann grundsätzlich separat vom internen Reflektor für das Pumpstrahlungsfeid sein. Besonders günstig ist es jedoch, wenn der teildurchiässige Reflektor für das Laserverstärkerstrahlungsfeld und der interne Reflektor für das Pumpstrahlungsfeld durch einen Reflektor gebildet werden.
Mit diesem teildurchlässigen Reflektor für das Laserverstärkerstrahlungsfeld entsteht somit in dem Festkörper ebenfalls eine Mikrokavität, die ein Steh- wellenfeld des Verstärkerstrahiungsfeides mit überhöhten Maxima festlegt, wobei diese Mikrokavität longitudinale Moden des durch den externen Reflektor und den rückseitigen internen Reflektor definierten Laserverstärker- strahlungsfeldes selektiert,
Durch diese selektierten longitudinalen Moden entsteht somit in dem laseraktiven Volumenbereich ebenfalls ein Stehwellenfeld mit lokal festgelegtem Verstärkerstrahlungsintensitätsveriauf, relativ zu weichem sich dann die Quantenstrukturengruppen und insbesondere auch die Quantenstrukturen innerhalb der Quantenstrukturgruppen optimal ausrichten lassen.
Der Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf entspricht dabei einer Mode N der Mikrokavität und der Pumpstrahlungsintensitätsverlauf ebenfalls der Mode N oder einer Mode N+l der Mikrokavität.
Ein derartiger dem rückseitigen internen Reflektor gegenüberliegender Reflektor ist im einfachsten Fall eine Grenzschicht, vorzugsweise als Mehr- schichtsystem, allerdings mit weniger Schichten als der rückseitige interne Reflektor, ausgebildet.
Da eine frontseitige Halbleiterschicht aufgrund von Oberflächeneffekten Pumpstrahlung absorbiert, ist vorzugsweise vorgesehen, dass eine dem rückseitigen internen Reflektor gegenüberliegend angeordnete frontseitige Halbleiterschicht relativ zu dem Pumpstrahlungsintensitätsverlauf so angeordnet ist, dass sie im Bereich von weniger als einem Drittel der Maximalintensität liegt, um zu verhindern, dass diese Schutzschicht in hohem Maße Pumpstrahlung absorbiert.
Noch besser ist es, wenn die frontseitige Halbleiterschicht relativ zum Pumpstrahlungsintensitätsverlauf so angeordnet ist, dass sie im Bereich einer Minimalintensität des Pumpstrahiungsintensitätsverlaufs liegt.
Desgleichen sollte die frontseitige Halbieiterschicht ebenfalls so ausgebildet sein, dass sie das Verstärkerstrahlungsfeld ebenfalls möglichst in geringem Maße absorbiert. Da die frontseitige Halbleiterschicht aufgrund von Oberflächeneffekten Laserstrahlung absorbiert, ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass eine dem rückseitigen internen Reflektor gegenüberliegend angeordnete frontseitige HaIb- leiterschicht relativ zu dem Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf so angeordnet ist, dass sie im Bereich von weniger als einem Drittel der Maximalintensität liegt.
Noch besser ist es, wenn die frontseitige Halbieiterschicht relativ zum Ver- stärkerstrahiungsintensitätsverlauf so angeordnet ist, dass sie im Bereich einer Minimalintensität liegt.
Ergeben sich Unterschiede in der Lage der Minimalintensität des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs und des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs, so wir die frontseitige Halbleiterschicht möglichst nahe dem Minimum des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs angeordnet.
Bei einem Aufbau der Festkörper aus Schichten aus Halbleitermaterial ist es günstig, auf einer dem rückseitigen internen Reflektor gegenüberliegenden Seite des laseraktiven Volumenbereichs eine Schutzschicht vorzusehen, die die Halbleiterschichten schützt, welche die Barrierestrukturen und Quantenstrukturen bilden,
Eine derartige Schutzschicht hat vielfach aufgrund materialbedingter Not- wendigkeiten einen Bandabstand, der der näherungsweise dem der Quantenstrukturen entspricht. Aus diesem Grund ist zweckmäßigerweise die frontseitige Halbleiterschicht so gewählt, dass diese die Schutzschicht bildet.
Darüber hinaus ist vorzugsweise an der Oberfläche des Festkörpers, durch welchen das Pumpstrahlungsfeld und das Verstärkerstrah Iu ngsfefd eintreten, eine dielektrische Schicht vorgesehen. Auch eine derartige Entspiegefungs- schicht hat Reflexionen sowohl des Pumpstrahfungsfeldes als auch des Laser- verstärkerstrahlungsfefdes zur Folge.
Aus diesem Grund ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass eine dem rückseitigen Reflektor gegenüberliegend angeordnete dielektrische Schicht eine derartige Dicke aufweist, die ungefähr einer Viertelperiode (lambdavierte!) des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs entspricht.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass eine dem rückseitigen Reflektor gegenüberliegende dielektrische Schicht eine derartige Dicke aufweist, dass Reflexionen des Laserverstärkerstrahlungsfeldes an deren Grenzflächen eine derartige Phasenverschiebung aufweisen, dass sich diesen näherungsweise kompensieren.
Weitere Merkmale und Vorteile sind Gegenstand der nachfolgenden Detailbeschreibung sowie der Tabelle 1 und den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems;
Figur 2 vergrößerte schematische Darstellung des Laserverstärkersystems im Bereich des Festkörpers mit andeutungsweiser Darstellung des Schichtaufbaus;
Figur 3 eine Darstellung des Schichtaufbaus des Festkörpers anhand des Brechzahlverlaufs in Richtung einer optischen Achse über einer Darstellung eines Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs sowie eines Laserstrahlungsintensitätsverlaufs innerhalb des Festkörpers über einzelnen Positionen längs der optischen Achse;
Figur 4 eine ausschnittsweise vergrößerte Darstellung des Schichtaufbaus des Festkörpers aus Figur 3 im iaseraktiven Volumenbereich über der entsprechend vergrößerten Darstellung des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs und des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs;
Figur 5 eine ausschnittsweise vergrößerte Darstellung von Quantenstrukturen, Tunnelbarrierenstrukturen und Barrierenstrukturen im Bereich einer Quantenstrukturengruppe beim ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems wobei die für Elektronen relevante Bandkante über der optischen Achse aufgetragen ist; Figur 6 eine schematische Darstellung ähnlich Figur 5 eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems;
Figur 7 eine schematische Darstellung ähnlich Figur 5 eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems und
Figur 8 eine schematische Darstellung ähnlich Figur 5 eines vierten Aus- führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems, dargestellt in Figur 1 und 2, umfasst einen aus Halbleiterschichten aufge- bauten Festkörper 10, welcher eine Kühlfläche 12 aufweist, die mit einer Metallisierung 14 versehen ist, wobei die Metallisierung 14 mitteis einer Lotschicht 16 mit einer Oberfläche 18 eines als Ganzes mit 20 bezeichneten Kühlkörpers verbunden ist, wobei durch die flächenhafte Verbindung zwischen der Oberfläche 18 des Kühlkörpers 20 und der Kühlfläche 12 des Festkörpers 10 eine gute thermische Kopplung zwischen dem Festkörper 10 und dem Kühlkörper 20 erfolgt, um effizient Wärme aus dem Festkörper 10 in den Kühlkörper 20 abzuführen.
Der Festkörper 10 dient zur optischen Verstärkung eines Laserverstärker- strahlungsfeides 30, weiches sich längs einer optischen Achse 32 ausbreitet, die quer, vorzugsweise senkrecht zur Kühlfläche 12 verläuft. Das Laserverstärkerstrahlungsfeld 30 wird dabei primär festgelegt durch eine Verstärkeroptik, gebildet durch einen im Anschluss an die Kühlfläche 12 im Festkörper 10 durch Halbleiterschichten gebildeten internen Reflektor 40 und einen auf einer dem Reflektor 40 gegenüberliegenden Seite des Festkörpers 10 angeordneten externen Reflektor 42, so dass das Laserverstärker- strahlungsfefd 30 eine dem internen Reflektor 40 gegenüberliegende und somit auch der Kühlfläche 12 gegenüberliegende Oberfläche 44 des Festkörpers 10 durchsetzt, wobei die optische Achse 32 ebenfalls quer zur Oberfläche 44, vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche 44 verläuft,
Zum Verstärken des Laserverstärkerstrahlungsfeldes 30 ist, wie in Figur 1 und 2 dargestellt, zwischen dem internen Reflektor 40 und der Oberfläche 44 des Festkörpers 10 ein iaseraktiver Voiumenbereich 50 vorgesehen, in welchem in mehreren sich parallel zueinander erstreckenden Flächen 52 iaseraktive Quantenstrukturen 54 aus Halbleitermaterial angeordnet sind, wobei zwischen diesen Quantenstrukturen 54 Barrierenstrukturen 56, 58 vorgesehen sind.
Dabei sind die Quantenstrukturen 54 zu Quantenstrukturgruppen 60 zusammengefasst, wobei jede Quantenstrukturgruppe 60 aus mehreren sich in den Flächen 52 erstreckenden Quantenstrukturen 54 gebildet sind, und die zwischen den Quantenstrukturen 54 einer Quantenstrukturgruppe 60, beispielsweise der Quantenstrukturgruppe 6Oi oder der Quantenstrukturgruppe 6O2 oder der Quantenstrukturgruppe 6O3 liegenden Barrierenstrukturen 56 als Tunnelbarrierenstrukturen 58 ausgebildet sind, deren Funktion nachfolgend noch im Einzelnen erläutert wird. Insbesondere erstrecken sich die Flächen 52, in welchen die Quantenstrukturen 54 liegen, quer zur optischen Achse 32 und vorzugsweise ungefähr parallel zur Kühlfläche 12 sowie ungefähr paralfei zur Oberfläche 44 des Festkörpers 10.
Ein Pumpen der Quantenstrukturen 54 im laseraktiven Volumenbereich 50 erfolgt vorzugsweise durch ein als Ganzes mit 70 bezeichnetes Pumpstrahlungsfeld, welches ausgehend von einer Pumpstrahlungsquelle 72 in den Festkörper 10 eintritt und dabei beispielsweise schräg auf der Oberfläche 44 auftrifft und aufgrund der Brechung sich im Festkörper 10 näherungsweise in Richtung der optischen Achse 32 zum Reflektor 40 hin ausbreitet.
Das Pumpstrahlungsfeld 70 wird ebenfalls von dem internen Reflektor 40 reflektiert und breitet sich im Festkörper 10 wiederum in Richtung der Ober- fläche 44 desselben aus, wird aber in dem Festkörper 10 durch einen dem internen Reflektor 40 gegenüberliegenden auskoppelseitigen Reflektor 80 reflektiert, welcher zwischen dem laseraktiven Volumenbereich 50 und der Oberfläche 44 des Festkörpers 10 angeordnet ist und zusammen mit dem internen Reflektor 40 für das Pumpstrahlungsfeld 70 eine Mikrokavität im Festkörper 10 bildet, so dass - wie nachfolgend noch im Einzelnen erläutert wird - sich im Festkörper 10, und zwar insbesondere im laseraktiven Voiumenbereich 50 des Festkörpers 10, lokal stehende Intensitätsmaxima des Pumpstrahlungsfefdes 70 ausbilden.
Der detaillierte Aufbau des Festkörpers 10 aus Schichten aus Halbleiter¬ material ergibt sich beispielhaft aus der Tabelle 1. In der Tabelle 1 ist der Kühlkörper 20 vermerkt, auf welchem mittels der Lotschicht 16 die Metallisierung 14 des Festkörpers 10 fixiert ist.
Unmittelbar an die Metallisierung 14 schließen sich die Schichten an, aus denen der interne rückseitige Reflektor 40 gebildet ist, der in diesem Fail als
Braggspiegel oder auch Distributed Bragg Reflector (DBR) aufgebaut ist.
Dieser interne Reflektor 40 reflektiert sowohl das Laserverstärkerstrahlungs- feld 30 als auch das Pumpstrahlungsfeld 70.
Ein derartiger Bragg reflektor ist beispielsweise aus einer Folge von Schichten mit alternierender Brechzahl der optischen Dicke von einer halben Bragg- wellenlänge aufgebaut.
Auf den internen Reflektor 40 folgt eine äuBere Barrierenstruktur 56i aus Halbleitermaterial, die einerseits eine Barriere für Ladungsträger in den Quantenstrukturen 54 darstellt und andererseits eine derartige Bandlücke aufweist, dass sie weder das Pumpstrahlungsfeid 70 noch das Laserverstärker- strahlungsfeld 30 absorbiert.
Die Dicke der Barrierenstruktur 56i kann außerdem noch zum Einstellen der Phasenlage der reflektierten Strahiungsfelder dienen.
Weitere Barrierenschichten 562 aus Halbieitermaterial dienen dazu, die einzelnen Quantenstrukturgruppen 60 im Abstand von der äußeren Barrierenstruktur 56i anzuordnen. Jede der Quantenstrukturgruppen 60 umfasst, wie in Tabelle 1 dargestellt, beispielsweise insgesamt fünf Quantenstrukturen 54, wobei beiderseits jeder der Quantenstrukturen 54 eine Barrieren struktur 562 vorgesehen ist, wobei die in der Tabelle 1 dargestellten Barrierenstrukturen 562 aufgrund der Dar- Stellung des Schichtaufbaus jeweils Barrierenstrukturen 562 mit halber Dicke darstellen, da bei fünfmaliger aufeinander folgender Anordnung der in Tabelle 1 dargestellten Schichten zwei aufeinander liegende Barrierenstrukturen 562 zwischen zwei Quantenstrukturen 54 innerhalb einer Quantenstrukturgruppe 60 eine Dicke von 2 x 2,5 nm, also 5 nm, aufweisen und somit eine Tunnel- barrierenstruktur 58 darstellen.
Die jeweils außen liegenden Barrieren Strukturen 562 einer Quantenstrukturgruppe 60 liegen dann unmittelbar an Barrierenstrukturen 562 an und vereinigen sich mit diesen zu einer Barrieren struktur, die bereits aufgrund ihrer Dicke keinen Tunneleffekt mehr zulässt.
Die Quantenstrukturen 54 sind beispielsweise aus dem Halbleitermaterial GaAs herstellt und haben eine Dicke in der Größenordnung von 8 nm.
Allgemein können die Quantenstrukturen 54 quer zu den Flächen 52 eine Dicke aufweisen, die maximal in der Größenordnung des zehnfachen, noch besser des einfachen der Weilenlänge der Elektronen in dem die Quantenstruktur 54 bildenden Halbleitermaterial sind. Typischerweise beträgt bei dem Halbieitermaterial GaAs die Dicke ungefähr 5 nm bis ungefähr 10 nm. Damit legen die Quantenstrukturen 54 eine Ausdehnung eines in diesem vorhandenen Elektronengases fest, so dass ein dimensionslimitiertes Elektronengas vorliegt
Dabei können die Quantenstrukturen 54 beispielsweise a!s sich in den Flächen 52 erstreckende flächige Filme mit einem zweidimensionalen Elektronengas, sich in den Flächen 52 erstreckende Quantendrähte mit einem eindimensionalen Elektronengas oder auch sich in den Flächen 52 angeordnete Quantenpunkte mit einem nuildimensionalen Elektronengas darstellen.
Die Beschreibung derartiger Quantenstrukturen findet sich beispielsweise in dem Buch von Karl Joachim Ebeling, Integrierte Optoelektronik, Springer Verlag 1992, Seite 215 bis 221.
Dadurch, dass innerhalb der jeweiligen Quantenstrukturgruppe 60 zwischen unmittelbar in Richtung der optischen Achse 32 aufeinander folgenden Quantenstrukturen 54 die Barrierenstrukturen 58 lediglich eine Dicke beispielsweise in der Größenordnung von 5 nm haben, besteht die Möglichkeit, dass die durch das optische Pumpen mittels des Pumpstrahlungsfeldes 70 in den Quantenstrukturen 54 erzeugten Löcher und Elektronen durch die
Barrierenstrukturen 58 hindurchtunnetn und somit sich innerhalb der jeweiligen Quantenstrukturgruppe auf die Quantenstrukturen 54 verteilen.
Erfolgt beispielsweise ein optisches Pumpen in nur einer der Quanten- Strukturen 54, so verteilen sich die Elektronen und Löcher, die durch das Pumpstrahlungsfeld 70 erzeugt werden, auch auf die übrigen Quantenstrukturen 54 dieser Quantenstrukturgruppe 60. Ein derartiges Tunneln von Elektronen und Löchern erfolgt primär nicht von allen Arten von Löchern, sondern primär von so genannten "leichten Löchern" und Elektronen. Vorzugsweise ist eine derartige Tunnelbarrierenstruktur 58 zwischen zwei Quantenstrukturen 54 innerhalb einer Quantenstrukturgruppe 60 so ausgebildet, dass die tunnelbegrenzte Lebensdauer für die Ladungsträger, das heißt die leichten Löcher und die Elektronen, mindestens um ungefähr einen Faktor 5, noch besser mindestens um ungefähr einen Faktor 10, kleiner ist als die Ladungsträgerlebensdauer in der jeweiligen Quanten- struktur 54.
Um dies zu erreichen, liegt die Dicke der Tunnelbarrierenstrukturen 58 zweckmäßigerweise im Bereich zwischen ungefähr 0,5 nm und ungefähr 10 nm, vorzugsweise im Bereich von ungefähr 2 nm bis ungefähr 6 nm.
Die Tunnelbarrierenstrukturen 58 haben dabei eine Bandlücke, die um mindestens 32 meV größer ist als die Bandiücke der Quantenstruktur 54, wobei die Bandlücke der Tunnelbarrierenstruktur 58 im dargestellten Ausführungsbeispiel ungefähr 380 meV größer ist als die Bandlücke der Quanten- struktur 55 im Fall von GaAs.
Die Bandlücke der Tunnelbarrierenstrukturen lässt sich dabei bei dem beispielsweise verwendeten System von AI(x)Ga(l-x)As durch den Gehalt von Ai einstelien, wobei beispielsweise in diesem Fall die Tunnelbarrierenstrukturen 58 einen Al-Gehalt von x=0,30 aufweisen. Auf den laseraktiven Volumenbereich 50 mit den beispielsweise drei Quantenstrukturgruppen 60i, 6O2 und 6O3 folgen wiederum Barrierenstrukturen 562 und 5O1, in gleicher Weise wie sie zwischen dem internen Braggreflektor 40 und dem laseraktiven Volumenbereich 50 vorgesehen sind.
Auf diese Barrierenstrukturen 56χ und 562 folgt der auskoppelseitige Reflektor 80, weicher ebenfalls als Braggspiegel (DBR) aus Halbleiterschichten ausgebildet ist und ähnlich wie der rückseitige Braggspiegel 40 aufgebaut ist, allerdings mit weniger Spiegelschichten. Damit bildet der auskoppelseitige Reflek- tor 80 zusammen mit dem rückseitigen Reflektor 40 die bereits beschriebene Mirkokavität, die für das Pumpstrahlungsfeld 70 von Bedeutung ist und, wie in Figur 3 und 4 dargestellt, dazu führt, dass sich im Festkörper 10, insbesondere im laseraktiven Volumenbereich 50, durch Interferenz der reflektierten Pumpstrahlungsfelder 70 ein Pumpstrahlungsintensitätsverlauf in Form eines Steh- welienfeldes mit Intensitätsüberhöhungen ausbildet, das in Richtung der optischen Achse 32 gesehen an definierten Positionen Intensitätsmaxima, beispielsweise die Maxima PM1, PM2 und PM3 aufweist.
Das als Stehweilenfeld ausgebildete Pumpstrahlungsfeld 70 wird als Steh- wellenfeld einer iongitudinalen Mode N oder N+l außerdem so gewählt, dass die Maxima PM möglichst exakt am Ort einer Quantenstruktur 54 aus einer Quantenstrukturengruppe 60 liegen. So ist beispielsweise, wie in Figur 4 dargestellt, das Stehwellenfeld des Pumpstrahlungsfeldes 70 so gewählt, dass das Maximum PMi am Ort der dem rückseitigen internen Reflektor 40 nächst- liegenden Quantenstruktur 54a der Quantenstrukturengruppe 6Oi liegt, das heißt lokal mit dieser zusammenfällt, so dass ein Pumpen dieser Quantenstruktur 54 mit maximaler Intensität möglich ist. Desgleichen fällt das Maximum PM2 des Stehwellenfeldes des Pump- strahiungsfeldes 70 mit der dem rückseitigen internen Reflektor 40 nächst- liegenden Quantenstruktur 54a der Quantenstrukturengruppe 6O2 zusammen und auch das Maximum PM3 fällt mit der Quantenstruktur 54a der Quantenstrukturengruppe 6O3, die dem rückseitigen internen Reflektor 40 am nächsten liegt, lokal zusammen, so dass in jeder der Quantenstrukturengruppen 60i, 6O2 und 6O3 eine der Quantenstrukturen 54a, nämlich jeweils die, die dem rückseitigen internen Reflektor 40 am nächsten liegt, mit maximaler Intensität des Pumpstrahlungsfeldes 70 optisch gepumpt wird, um dort Ladungsträger, nämlich Elektronen und Löcher, zu erzeugen.
Um das durch den auskoppelseitigen Reflektor 80 erhältliche Stehwelienfeld des Pumpstrahlungsfeldes 70 nicht zu stören, wird eine für den Schutz der AIGaAs-Halbieiterschichten notwendige frontseitige Halbleiterschicht als
Schutzschicht 86, beispielsweise aus GaAs, durch eine in der Tabelle 1 mit 84 bezeichnete Abstandshalterschicht, gebildet durch Barrierenstrukturen 56i, derart positioniert, dass die frontseitäge Halbleiterschicht 86 in einem Minimum oder nahe eines Minimums des durch die Mikrokavität definierten Pump- Strahlungsintensitätsverlauf des Pumpstrahlungsfeldes 70 liegt.
Ferner liegt zwischen der Schutzschicht 86 und der Oberfläche 44 des Festkörpers 10 noch eine in Tabelle 1 mit 88 bezeichnete dielektrische Schicht, die durch als dielektrische Lambdaviertelsschicht aus Halbleitermaterial ausge- bildet ist und verhindert, dass sich am optisch "harten" Übergang zwischen dem Halbleitermaterial und der Luft mit einem sehr großen Brechzahlensprung ein Maximum des Stehwellenfeldes des Pumpstrahlungsfeldes 70 ausbildet. Diese dielektrische Schicht 88 dient dazu, dass sich an der Oberfläche 44 ein Intensitätsmaximum des Stehwellenfeldes des Laserstrahlungsfeldes 30 und auch wenn möglich des Pumpstrahlungsfeldes 70 ausbildet, so dass das nächstfolgende Minimum des jeweiligen Stehweüenfeides in der Schutzschicht 86 liegt.
Der auskoppelseitige Reflektor 80 wirkt jedoch nicht nur auf das Pump- strahlungsfeid 70, sondern auch auf das Laserverstärkerstrahlungsfeid 30, dessen longitudinale Moden zum primär durch den rückseitigen internen
Reflektor 40 und den externen Reflektor 42 definiert sind, jedoch eine zusätzliche Auswahl durch die zwischen dem auskoppelseitigen Reflektor 80 und dem rückseitigen Reflektor 40 definierte Mikrokavität erfahren, so dass, wie in Figur 3 und 4 dargestellt, sich in dem laseraktϊven Volumenbereich 50 durch Inter- ferenz der reflektierten Laserstrahlungsfeider 30 ein Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf in Form eines Stehwellenfeides mit einer longitudinalen Mode IM der Mikrokavität ausbildet, die beispielsweise in dem laseraktiven Volumenbereich 50 die Intensitätsmaxima LMi, LM2 und LM3 aufweist,
Wie sich ebenfalls aus Figur 4 ergibt, liegen die Maxima LMi, LM2 und LM3 in Richtung der optischen Achse 32 im Abstand von den Maxima PMi, PM2 und PM3 und somit jeweils lokal am Ort einer Quantenstruktur 54e, die nicht mit der Quantenstruktur 54a innerhalb der jeweiligen Quantenstrukturengruppe 60 zusammenfällt. Vielmehr ist beispielsweise die Quantenstruktur 54e in der jeweiligen Quantenstrukturengruppe 60 diejenige Quantenstruktur 54, die der Oberfläche 44 des Festkörpers 10 nächstliegend angeordnet ist.
Die Quantenstruktur 54e wird jedoch, wie sich ebenfalls aus Figur 4 ergibt, nur unwesentlich durch das Stehwellenfeld des Pumpstrahlungsfeldes 70 gepumpt, da die Intensität des Stehwellenfeldes des Pumpstrahlungsfeldes 70 im Bereich dieser Quantenstruktur 54e jeweils gering, wenn nicht minima!, ist.
Aufgrund der Tatsache, dass nun aufgrund der Tunnelbarrierenstruktur 58 innerhalb der jeweiligen Quantenstrukturengruppe 60 ein Tunneln der Ladungsträger, insbesondere der Elektronen und (eichten Löcher, zwischen den Quantenstrukturen 54 der jeweiligen Quantenstrukturengruppe 60 erfolgt, findet innerhalb der jeweiligen Quantenstrukturengruppe 60 ein Ausgleich der Ladungsträgerkonzentration zwischen den Quantenstrukturen 54a und den Quantenstrukturen 54e statt, so dass aus den Quantenstrukturen 54e stimulierte Emission erfolgt, die zur Verstärkung des Laserverstärkerstrahlungs- feldes 30 beiträgt, insbesondere da der Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf des Laserverstärkerstrahlungsfeldes 30 am Ort der jeweiligen Quantenstruktur 54e ihr jeweiliges ϊntensitätsmaximum, nämlich das Intensitätsmaximum LMi, LM2 und LM3 aufweist.
Das Tunneln der Ladungsträger innerhalb einer Quantenstrukturengruppe 60 über die Tunnelbarrierenstrukturen 58 hinweg ermöglicht somit einerseits optimales unmittelbares Pumpen mindestens einer Quantenstruktur 54 innerhalb einer der Quantenstrukturengruppen 60 und lokal hiervon in Richtung der optischen Achse 32 verschieden aus mindestens einer der Quantenstrukturen 54, beispielsweise der Quantenstruktur 54e, durch stimulierte Emission einen optimalen Beitrag zur Verstärkung des Laserverstärkerstrahlungsfeldes 30, wie in Figur 4 dargestellt,
Ein optisches Pumpen durch die Absorption von Pumpstrahlung aus dem Pumpstrahlungsfeld 70 erfolgt, wie in Figur 4 dargestellt, innerhalb der jeweiligen Quantenstrukturengruppe 60 nicht nur in der einen Quantenstruktur 54a, die lokal am Ort des jeweiligen Intensitätsmaximums PMi, PM2 und PM3 liegt, sondern auch in den übrigen Quantenstrukturen 54 dieser Quantenstrukturengruppe 60, allerdings aufgrund der geringeren Intensität des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs des Pumpstrahlungsfeldes 70 am Ort derselben in geringerem Maße.
Desgleichen sind für die Verstärkung des Laserverstärkerstrahlungsfeldes 30 nicht nur die Quantenstrukturen 54e innerhalb der Quantenstrukturengruppen 60, die am Ort der Maxima LMi, LM2 und LM3 liegen, wirksam, sondern ebenfalls die übrigen Quantenstrukturen 54 innerhalb der Quantenstrukturengruppen 60, allerdings aufgrund der geringeren Intensität des Verstärker- Strahlungsintensitätsverlaufs des Laserverstärkerstrahlungsfeldes 30 am Ort derselben in geringerem Maße.
Desgleichen ist auch die Position der als Schutzschicht wirksamen frontseitigen Halbleiterschicht 86 relativ zum Stehwellenfeld des La serverstärke r- strahlungsfeides 30 relevant, so dass die als Abstandshalter 84 wirkenden Barriereschichten 56i ebenfalls so gewählt sind, dass die Schutzschicht 86 in einem Minimum oder nahe einem Minimum des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs des Laserverstärkerstrahlungsfeldes 30 liegt.
Darüber hinaus ist auch die dielektrische Schicht 88 als Lambdavierteisschicht gewählt, dass das Minimum des Stehwelienfeldes bei der frontseitigen Halbleiterschicht liegt.
Zusammenfassend bilden somit die Quantenstrukturengruppen 60i, 6O2 und 6O3 für den Verstärkerstrahlungsintensitätsverlauf des Laserverstärker- strahlungsfeldes 30 eine resonante periodische Verstärkungsstruktur, da jede der Quantenstrukturgruppen 60i; 6O2 und 6O3 so angeordnet ist, dass die stimulierte Emission aus mindestens einer der von deren Quantenstrukturen 54 im Bereich eines der Maxima LMi, LM2 und LM3 des Verstärkerstrahlungs- intensitätsverlaufs auftritt und gleichzeitig bilden die Quantenstrukturengruppen 60i, 6O2 und 6O3 aufgrund ihrer Anordnung im Festkörper 10 eine optimale resonante periodische Absorberstruktur um das Pumpstrahlungsfeld 70 im Bereich der Maxima PMi, PM2 und PM3 des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs des Pumpstrahlungsfeldes 70 zu absorbieren.
Bei dem in Figur 1 bis 4 dargestellten und vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel sind, wie sich aus Tabelle 1 ergibt, innerhalb einer Quantenstrukturengruppe 60 die Quantenstrukturen 54 und die Tunnel- barrieren 58 mit der gleichen Schichtdicke und jeweils aus demselben Material ausgebildet. Die energetischen Verhältnisse des ersten Ausführungsbeispiels für den Fall von Elektronen sind nochmals zur Verdeutlichung in Figur 5 dargestellt, wobei auch der unterschiedliche Bandabstand für die Halbleitermaterialien der Barrierenstrukturen Bo1 und 562 und die Schichtdicke dargestellt sind.
Vorausgesetzt, dass die tunnelbegrenzte Lebensdauer der Ladungsträger um mehr als einen Faktor 10 kleiner ist als die Lebensdauer der Ladungsträger in den Quantenstrukturen 54a, kann davon ausgegangen werden, dass bei im Wesentlichen identischem niedrigstem Energieniveau El bei allen Quanten- Strukturen 54 aufgrund der Tunnelprozesse durch die Tunnelbarrierenstrukturen 58 eine Gleichverteilung der Konzentration der Ladungsträger im niedrigsten Energieniveau El in allen Quantenstrukturen 54 erfolgt.
Dabei erfolgt dann die stimulierte Emission mindestens aus der Quanten- Struktur 54e wobei die Gleichverteilung der Konzentration der Ladungsträger weiterhin durch die Tunnelprozesse aufrechterhalten wird.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laser- verstärkersystems, dargestellt in Figur 6, sind beispielsweise zwei Quanten- Strukturen 54, nämlich die Quantenstrukturen 54a und 54b mit einem größeren Bandabstand ausgebildet, während die zwei anderen Quantenstrukturen 54d und 54e einen geringeren Bandabstand aufweisen.
Ferner ist noch beispielsweise die Tunnelbarrierenstruktur 58' zwischen der Quantenstruktur 54b und der Quantenstruktur 54d mit geringerer Dicke, beispielsweise einer Dicke von 2 nm, ausgeführt, so dass sich die Tunnelwahrscheinlichkeit von der Quantenstruktur 54b zur Quantenstruktur ö4d vergrößert. Dies führt dazu, dass die Tunnelwahrscheinlichkeit für Ladungsträger aus den Quantenstrukturen 54a und 54b in die Quantenstrukturen 54d und 54e vergrößert ist.
Ferner können beispielsweise die Quantenstrukturen 54a und 54b eine größere Dicke aufweisen, beispielsweise eine Dicke von 10 nm, als die Quantenstrukturen 54d und 54e.
Dabei sind bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 die Quanten- Strukturen 54a und 54b so angeordnet, dass diese in erster Linie das Pumpstrahlungsfeld 70 absorbieren, und zwar in den niedrigsten Energieniveaus EPl, die, da es sich um Quantenstrukturen handelt, eine hohe Zustandsdichte aufweisen.
Ferner sind die Quantenstrukturen 54a und 54b so konzipiert, dass deren niedrigste Energieniveaus EPl energetisch zumindest geringfügig höher liegen als die niedrigsten Energieniveaus ELl der Quantenstrukturen 54d und 54e, aus denen die stimulierte Emission erfolgen soll. Dies hat den Vorteil, dass die stimulierte Emission aus den Energieniveaus ELl der Quantenstrukturen 54d und 54e nicht oder nur in geringem Maße durch die niedrigsten Energieniveaus EPl der Quantenstrukturen 54a und 54b, die das Pumpstrahϊungsfeld 70 absorbieren sollen, absorbiert wird.
Ferner sind die Quantenstrukturen 54a und 54b sowie die Quantenstrukturen 54d und 54e so aufeinander abgestimmt, dass die niedrigsten Energieniveaus EPl der Quantenstrukturen 54a und 54b sowie die über den niedrigsten Energieniveaus ELl nächst höheren Energieniveaus EL2 der Quantenstrukturen 54d und 54e ungefähr auf gleichem Niveau liegen, wie ebenfalls in Figur 6 angedeutet.
Damit besteht die Möglichkeit eines resonanten Tunnelns der Ladungsträger, im dargestellten Fall der Figur 6 der Elektronen, aus dem niedrigsten Energte- niveau EPl der Quantenstruktur 54b in das nächst höhere Energieniveau EL2 der Quantenstruktur 54d. Zwischen den Quantenstrukturen 54d und 54e, deren Energieniveaus ELl und EL2 ebenfalls im Wesentlichen gleich hoch sind, kann dann ebenfalls ein resonantes Tunneln durch die Tunnelbarrierenstruktur 58 hindurch erfolgen, und außerdem stets eine Relaxation aus dem Energieniveau EL2 in den Energieniveau ELl der jeweiligen Quantenstruktur 54d und 54e, das, da es sich um das niedrigste Energieniveau handelt, eine hohe Zustandsdichte aufweist. Aus diesem niedrigsten Energieniveau ELl der Quantenstrukturen 54d und 54e erfolgt damit die stimulierte Emission zur Verstärkung des Laserstrahlungsfeldes 30.
Der Vorteil des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß Figur 6 ist somit darin zu sehen, dass die Möglichkeit besteht, einerseits Quantenstrukturen, nämlich die Quantenstrukturen 54a und 54b optimal zu Pumpen, die Quantenstrukturen 54a und 54b jedoch so zu konzipieren, dass diese die stimulierte Emission aus den niedrigsten Energieniveaus ELl der Quantenstrukturen 54d und 54e in möglichst geringerem Maße absorbieren.
Ferner besteht die Möglichkeit des resonanten Tunnelns zwischen den niedrigsten Energieniveaus EPl der Quantenstrukturen 54a und 54b in die nächst höheren Energieniveaus EL2 der Quantenstrukturen 54d und 54e, so dass dadurch eine hohe Tunnefwahrscheinlichkeit gegeben ist und außerdem dann eine Relaxation der Ladungsträger in die niedrigsten Energieniveaus ELl der Quantenstrukturen 54d und 54e erfolgt, so dass aus den Quantenstrukturen 54d und 54e die Wahrscheinlichkeit eines Tunnelns der Ladungs- träger zurück in die Quantenstrukturen 54a und 54b gering ist. Somit besteht insgesamt die Möglichkeit, die aufgrund ihrer lokalen Anordnung günstigen Quantenstrukturen 54d und 54e optimal mit Ladungsträgern auf den Energieniveaus ELl zur versorgen, wobei die Ladungsträgerkonzentration auf diesem Energieniveaus ELl größer ist als die Ladungsträgerkonzentration in den Energieniveaus EPl der Quantenstrukturen 54a und 54b, und somit kann eine niedrigere Laserschwelle als beim ersten Ausführungsbeispiel erreicht werden.
Im einfachsten Fall können die Quantenstrukturen 54a und 54b so angeordnet sein, dass deren Ort möglichst optimal im Bereich eines Maximums PM des Pumpstrahlungsfeldes 70 liegt, während die Quantenstrukturen 54d und 54e so angeordnet sind, dass deren Ort möglichst optimal im Bereich eines Maximums LM des Laserverstärkerstrahlungsfeldes 30 liegt.
Dabei sind bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Tunnelbarrierenstrukturen 58 und 58' so ausgebildet, dass diese jeweils denselben Bandabstand aufweisen.
Abweichend von einem zweiten Ausführungsbeispiel ist bei einem dritten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Figur 7, vorgesehen, dass die Tunnelbarrieren- struktur 58' zwischen der Quantenstruktur 54b und der Quantenstruktur 54d einen geringeren Bandabstand aufweist, was ebenfalls zur Erhöhung der Tunnelwahrscheinlichkeit und somit zur Erniedrigung der tunnelbegrenzten Lebensdauer der Ladungsträger, in diesem Fall der Elektronen, führt, so dass auch dadurch sich die Konzentration der Ladungsträger in den Quantenstrukturen 54d und 54e vergrößern lässt, beispielsweise ergänzend zur Verringerung der Dicke der Quantenstruktur 58'.
Ferner sind die Quantenstrukturen 54a und 54b sowie die Quantenstrukturen 54d und 54e mit derselben Dicke ausgebildet, wie beim zweiten Ausführungsbeispiel.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Figur 8, ist die Quantenstruktur 54a' als verbreiterte Quantenstruktur, beispielsweise mit einer Breite von 20 nm ausgebildet, hat jedoch einen variierenden Bandabstand, der in Richtung der Quantenstruktur 54d geringer wird.
Damit lässt sich die Tunnefwahrscheinlichkeit in Richtung der Quantenstrukturen 54d und 54e noch zusätzlich erhöhen, so dass insbesondere bei einer Tunnelbarriere 58' zwischen der Quantenstruktur 54a1 und 54d geringer Dicke, beispielsweise von 3 nm, eine Erhöhung der Konzentration der Ladungsträger in den Quantenstrukturen 54d und 54e erreichen lässt und somit mehrheitlich die durch Absorption in der Quantenstruktur 54a' entstehenden Ladungsträger durch Tunneln in die Quantenstrukturen 54d und 54e übergehen, um dort durch stimulierten Emission zur Verstärkung des Laserstrahlungsfeldes 30 beizutragen.
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Claims

PAT E N TA N S P R Ü C H E
1. Laserverstärkersystem umfassend einen mit einem Kühlkörper (20) thermisch gekoppeltem Festkörper (10) mit einem laseraktiven Volumenbereich (50), in welchem in mehreren, sich parallel zueinander erstreckenden Flächen (52) jeweils mindestens eine sich zumindest über Teilbereiche der Fläche (52) erstreckende laseraktive Quantenstruktur (54) aus Halbleitermateria! angeordnet ist und in welchem die Quantenstrukturen (54) durch beiderseits der Flächen (52) angeordnete Barrierenstrukturen (56) voneinander getrennt sind, eine ein sich quer zu den Flächen (52) ausbreitendes Pumpstrahlungsfeld (70) erzeugende Pumpstrahiungsquelle (72) zum optischen Pumpen des laseraktiven Volumenbereichs (50) derart, dass die Absorption von Pumpstrahiung aus dem Pumpstrahlungsfeld (70) in der laseraktiven Quantenstruktur (54) gleich oder größer als die Absorption von Pumpstrahlung durch die Barrierenstrukturen (56) ist, und eine ein den laseraktiven Volumenbereich (50) durchsetzendes Laserverstärkerstrahlungsfeld (30) definierende Verstärkeroptik (40, 42, 80), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Quantenstrukturen (54) mindestens eine Quantenstrukturengruppe (60) bilden, innerhalb von welcher die zwischen jeweils zwei der Quantenstrukturen (54) liegenden Barrierenstrukturen (56) als Tunnelbarrierenstrukturen (58) ausgebildet sind und ein Tunneln von Ladungsträgern zwischen den jeweils an diese Tunnelbarrierenstrukturen (58) angrenzenden Quantenstrukturen (54) zulassen.
2. Laserverstärkersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarrierenstrukturen (58) tunnelbegrenzte Lebensdauern für die Ladungsträger aufweisen, die kleiner als die Ladungsträgerlebensdauer ohne Berücksichtigung des Tunneleffekts in der jeweiligen Quantenstruktur (54) sind.
3. Laserverstärkersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarrierenstrukturen (58) eine tunnelbegrenzte Lebensdauer für die Ladungsträger aufweisen, die mindestens um ungefähr einen Faktor fünf kleiner als die Ladungsträgeriebensdauer in der jeweiligen Quantenstruktur (54) ist,
4. Laserverstärkersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarrierenstrukturen (58) eine tunnelbegrenzte Lebensdauer für die Ladungsträger aufweisen, die mindestens um ungefähr einen Faktor zehn kleiner als die Ladungsträgerlebensdauer in der jeweiligen Quantenstruktur (54) ist.
5. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Tunnelbarrierenstrukturen (58) tunnelnden Ladungsträger Elektronen und leichte Löcher sind.
6. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarrierenstrukturen (58) eine Dicke im Bereich zwischen ungefähr 0,5 nm und ungefähr 10 nm aufweisen.
7. Laserverstärkersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunneibarrierenstrukturen (58) eine Dicke zwischen ungefähr 2 nm und ungefähr 6 nm aufweisen.
8. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunneibarrierenstrukturen (58) einen Bandabstand aufweisen, der um mindestens 30 meV größer als der Bandabstand der benachbarten Quantenstruktur (54) ist.
9. Laserverstärkersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarrierenstruktur (58) einen Bandabstand aufweist, der maximal um ungefähr 800 meV größer als der Bandabstand der benachbarten Quantenstruktur (54) ist.
10. Laserverstärkersystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnelbarrierenstruktur (58) einen Bandabstand aufweist, der im Bereich zwischen dem ungefähr 1,01-fachen und dem ungefähr 2-fachen des Bandabstandes der benachbarten Quantenstruktur (54) liegt.
11. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpstrahlungsfeld (70) im Bereich der mindestens einen Quantenstrukturgruppe (60) einen lokal stehenden Pumpstrahlungsintensitätsverlauf aufweist.
12. Laserverstärkersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Quantenstrukturengruppe (60) mindestens eine Quantenstruktur (54a) aufweist, die in einem Bereich des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs mit mindestens halber Maximaiintensität liegt.
13. Laserverstärkersystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Quantenstrukturengruppe (60) mindestens eine Quantenstruktur (54a) aufweist, die im Bereich des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs mit mindestens ungefähr zwei Dritte! der Maximalintensität liegt.
14. Laserverstärkersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Quantenstrukturengruppe (60) mindestens eine Quantenstruktur (54a) aufweist, die in einem Bereich des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs um die Maximalintensität liegt.
15. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserverstärkerstrahlungsfeld (30) im Bereich der mindestens einen Quantenstrukturengruppe (60) einen lokal stehenden Verstärkerstrahlungsintensitätsveriauf aufweist.
16. Laserverstärkersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Quantenstrukturengruppe (60) mindestens eine Quantenstruktur (54e) aufweist, die im Bereich des Verstärker- strahlungsintensitätsveriaufs mit mindestens halber Maximalintensität liegt.
17. Laserverstärkersystem nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Quantenstrukturengruppe (60) mindestens eine Quantenstruktur (54e) aufweist, die im Bereich des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs mit mindestens ungefähr zwei Drittel der Maximaiintensität liegt.
18. Laserverstärkersystem nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Quantenstrukturengruppe (60) mindestens eine Quantenstruktur (54e) aufweist, die im Bereich des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs um die Maximaiintensität Hegt.
19. Laserverstärkersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Quantenstrukturengruppe (60) in Richtung der optischen Achse (32) eine Ausdehnung aufweist, die mindestens einem Abstand zwischen einander benachbarten Maxima (PM, LM) des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs und des Verstärker- strahlungsintensitätsveriaufs entspricht.
20. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem laseraktiven Volumenbereich (50) mehrere Quantenstrukturengruppen (60) angeordnet sind.
21. Laserverstärkersystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantenstrukturengruppen (60) einen Mittenabstand voneinander aufweisen, der mindestens einem Abstand von Maxima (PM) des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs oder einem ganzzahligen Vielfachen entspricht.
22. Laserverstärkersystem nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantenstrukturengruppen (60) einen Mittenabstand voneinander aufweisen, der maximai einem Abstand von Maxima (LM) des Verstärkerstrahlungsintensitätsveriaufs oder einem ganzzahügen Vielfachen entspricht.
23. Laserverstärkersystem nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinander folgende Quantenstrukturengruppen (60) so angeordnet sind, dass jeweils eine im Bereich von jeweils einem von aufeinander folgenden Maxima (PM) des Pumpstrahlungsintensitätsverlaufs liegt.
24. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinander folgende Quantenstrukturengruppen (60) so angeordnet sind, dass jeweils eine im Bereich von jeweils einem von aufeinander folgenden Maxima (LM) des Verstärkerstrahlungsintensitätsverlaufs liegt.
25. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorption von Pumpstrahlung in der mindestens einen Quantenstruktur (54) die Absorption von Pumpstrahlung in der der an die Quantenstruktur angrenzenden Barrierenstruktur (56) überwiegt.
26. Laserverstärkersystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorption von Pumpstrahlung in der Barrierenstruktur (56) gegenüber der Absorption von Pumpstrahlung in der Quantenstruktur (54) vernachlässigbar ist.
27. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Haibleitermaterial der Quantenstruktur (54) einen geringeren Bandabstand aufweist als das Halbleitermaterial der Barrierenstrukturen (56).
28. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantenstrukturen (54) quer zu der jeweiligen Fläche eine Dicke aufweisen, die weniger als 20 nm beträgt.
29. Laserverstärkersystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantenstrukturen (54) quer zu der jeweiligen Fläche eine Dicke aufweisen, die weniger als 10 nm beträgt.
30. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantenstruktur (54) als Quantenfilm ausgebildet ist.
31. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantenstruktur (54) aus Quantendrähten gebildet ist.
32. Laserverstärke rsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantenstruktur (54) aus Quantenpunkten gebildet ist.
33. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Quantenstruktur (54a, b) der beiderseits einer Tunnelbarrierenstruktur (58) angeordneten Quantenstrukturen (54) ein niedrigstes Energieniveau El aufweist, welche ungefähr einem Energieniveau (El, E2) der anderen Quantenstruktur (54d, e) entspricht.
34. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das niedrigste Energieniveau (EPl) der im Wesentlichen vom Pumpstrahlungsfeld (70) optisch gepumpten Quantenstrukturen (54a, b) höher liegt als das niedrigste Energieniveau (ELl) der im Wesentlichen zur stimulierten Emission beitragenden Quantenstrukturen (54d, e).
35. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpstrahlungsfeld (70) den laseraktiven Volumenbereich (50) ungefähr in Richtung einer quer zu den Flächen (52), in denen sich die Quantenstrukturen (54) erstrecken, verlaufenden optischen Achse (32) durchsetzt.
36. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserverstärkerstrahlungsfeld (30) den laseraktiven Volumenbereich (50) ungefähr in Richtung einer quer zu den Flächen (52), in denen sich die Quanten strukturen (54) erstrecken, verlaufenden optischen Achse (32) durchsetzt.
37. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpstrahlungsfeld (70) dieselbe Oberfläche (44) des Festkörpers (10) durchsetzt wie das Laserverstärkerstrahlungsfeld (30).
38. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper (10) auf einer dem Kühlkörper (20) zugewandten Rückseite einen rückseitigen internen Reflektor (40) aufweist.
39. Laserverstärkersystem nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass der rückseitige interne Reflektor (40) als Mehrschichtsystem ausgebildet ist.
40. Laserverstärkersystem nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass der interne Reflektor in einem Abstand von der Kühlfläche angeordnet ist, der weniger als 10 μm beträgt.
41. Laserverstärkersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper (10) auf einer dem rückseitigen internen Reflektor (40) abgewandten Seite des laseraktiven Volumenbereichs (50) einen internen Reflektor (80) für das Pumpstrahlungsfeld (70) aufweist.
42. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper (10) auf einer dem rückseitigen internen Reflektor (40) abgewandten Seite des laseraktiven Voiumenbereichs (50) einen teildurchlässigen Reflektor (80) für das Laserverstärkerstrahlungsfeld aufweist.
43. Laserverstärkersystem nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, dass der interne Reflektor (80) als Mehrschichtsystem ausgebildet ist.
44. Laserverstärkersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem rückseitigen internen Reflektor (40) gegenüberliegend angeordnete frontseitige Halbleiterschächt (86) relativ zu dem Pump- strahiungsintensitätsverlauf so angeordnet ist, dass sie im Bereich von weniger als einem Dritte! der Maximalintensität liegt.
45. Laserverstärkersystem nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass die frontseitige Halbieiterschicht (86) relativ zum Pumpstrahlungsintensitätsverlauf so angeordnet ist, dass sie im Bereich einer Minimalintensität liegt.
46. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem rückseitigen internen Reflektor (40) gegenüberliegend angeordnete frontseitige Halbieiterschicht (86) relativ zu dem VerstärkerstrahJungsϊntensitätsverlauf so angeordnet ist, dass sie im Bereich von weniger als einem Drittel der Maximalintensität liegt.
47. Laserverstärkersystem nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass die frontseitige Halbleiterschicht (86) relativ zum Verstärkerstrahlungs- intensitätsveriauf so angeordnet ist, dass sie im Bereich einer Minimalintensität liegt.
48. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem rückseitigen Reflektor (40) gegenüberliegend angeordnete dielektrische Schicht (88) eine derartige Dicke aufweist, die ungefähr einer Viertelperiode des Verstärker- strahiungsintensitätsverlaufs entspricht.
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