WO2016146094A1 - Laser - Google Patents

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electrode
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Andreas Richter
Malte Gather
Nils KRONENBERG
Irma Slowik
Markus Franke
Georgi Paschew
Hartmut FRÖB
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    • H01S5/36—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising organic materials

Definitions

  • the invention relates to a laser.
  • a conventional laser 100 shown in FIG. 1 comprises at least
  • an optical resonator 60 with a transparent resonator layer which is located between at least two mirrors and which serves to generate at least one resonant wavelength band ⁇ 64, 65 formed at a defined resonator length / wavelength spectrum in the region of the resonator 60,
  • a laser-active material for generating the wavelength band 64, 65 from the wavelength spectrum, wherein the laser-active material 18 is located at least in a part of the resonator layer, and
  • the emitted wavelength band 64, 65 of the laser 100 is formed at a predetermined pump power 63 from a superposition of the wavelength spectrum of the laser-active material 18 with the resonant modes of the resonator 60.
  • It is a laser with external cavities with an adjustable external mirror in the publication Zavellani-Rossi, Lanzani, De Silvestre, Barbarelle: single-mode tunable organic lasers based on electroluminescent oligothiophene, Appl. Phys. Lett. 79 (2001), p. 4082.
  • a tunable laser with a wedge-shaped resonator is described in Scdazzling, Goethe, Hintschisch, Sudzius, Fröb, Lysenko, Leo: Continuously tunable laser emission from a wedge-shaped organic microcavity, Appl. Phys. Lett. 92, 163309 (2008).
  • the fabrication of the air-filled cavity 25 requires the use of lithographic processes as well as the use of an ultra-thin membrane 24 (layer thickness ⁇ 1 pm) which faces the prestructured substrate with spacers
  • the membrane 24 is designed as a flexible mirror and as an electrode.
  • a laser-active material 18 is located on the highly reflective mirror 3, which is provided with a preferably transparent electrode 5 which is in contact with a carrier layer 1.
  • the elastic membranes 24 change their position upon application of a voltage V to the two electrodes.
  • the document US 2003/0 012 250 A1 describes an external laser resonator - a tunable filter for wavelength selection. By introducing two interferometers (etalons) into the beam path of the resonator, a wavelength filtering is performed.
  • Etalon and filter are arranged separately.
  • both etalons would have to be made tunable and controlled in relation to each other. This process is complicated.
  • the described mechanism of variation of the optical layer thickness of the etalon is caused by a temperature change.
  • the Temperature change is achieved by current-carrying electrodes, which heat up due to the converted power at the ohmic resistance. Due to the temperature change, the volume of the material changes according to their thermal expansion coefficient.
  • the laser presented in document US 2004/0 258 107 A1 consists of an external laser resonator (3 mm - 25 mm), in which a separate filter element is introduced.
  • the filtering of the wavelength is found in the publication US 2004/0 258 107 A1 by means of a micromechanical Component (MEMS) instead.
  • MEMS micromechanical Component
  • the publication US 5 218 610 A also describes a tunable laser in an external resonator.
  • the variation of the wavelength is converted by an additionally introduced into the beam path filter element.
  • the filter element consists of a phase plate and a filter element of liquid crystals.
  • the mechanism of wavelength selectivity here refers to the filtering of a particular phase and not to the variation of the optical cavity length.
  • US 2010/0 134 803 A1 shows the possibility to vary the wavelength of an external laser resonator, in which the position of the two mirrors is shifted from each other. Again, this is an external resonator, not a one-piece device with a layer stack. In US 2010/0 134 803 A1 there is no one-piece device, instead an external laser resonator.
  • the wavelength is only positionally adjustable
  • the invention is therefore based on the object to provide a laser which is designed such that at least one displaceable emission wavelength band for a laser medium with a broad emission spectrum can be achieved, that the operating voltage can be significantly reduced and that the effort to create the laser resonator is reduced.
  • the laser includes at least
  • an optical resonator with a transparent resonator layer which is located between at least two mirrors and which serves to generate at least one resonant wavelength band ⁇ formed at a defined resonator length from a wavelength range determined by the structure of the resonator,
  • a laser-active material for generating the wavelength band from the wavelength spectrum, wherein the laser-active material is located at least in a part of the resonator layer,
  • the resonator belongs to a thin-film actuator and the thin-film actuator forms an optical interference filter together with the resonator as a layer stack,
  • the thin-film actuator has an actuator layer between two electrodes, which are connected to a voltage control unit and are spaced apart from one another and are in contact with the actuator layer,
  • the actuator layer forms at least a portion of the resonator layer which consists at least in part of elastic resonator length / voltage varying material
  • the elastic material is reversibly deformable and a dielectric elastomer
  • the laser may at least include
  • a first carrier layer formed as a substrate
  • a metal electrode which is in contact with the transparent resonator layer, wherein the metal electrode is assigned a metal mirror facing the transparent resonator layer as a second mirror,
  • the transparent resonator layer is formed of elastic material
  • the electrodes and the actuator layer in the form of a layer stack between the electrodes forms an adjustable voltage V actuatable Oünntikaktuator
  • the elastic material of the resonator layer with a mixed into the elastic material laser active material to a formed resonator layer which has a wavelength spectrum generated after an optical or electrical energy pumping, is in communication.
  • the laser-active material may be added to the elastic material distributed evenly.
  • An optical interference filter associated with the laser may at least comprise
  • a first carrier layer formed as a substrate
  • a transparent resonator layer provided with a clearance, which is in contact with the dielectric first mirror
  • a metal electrode in contact with the transparent resonator layer and located between the transparent resonator layer and the space
  • the transparent resonator layer being formed of elastic material, the stack of layers between the electrodes having the two spaced electrodes being a thin film actuator operable with adjustable applied voltage V, the elastic material having a laser active material mixed into the elastic material and having a wavelength spectrum after one optical or electrical energy pumping is generated, wherein the metal electrode is formed with transparent passages, which is arranged a free space limiting, dielectric second mirror opposite to the formation of a resonator with the layers.
  • the dielectric second mirror may be disposed opposite the metal electrode outside of the thin film actuator, and the existing clearance may be adjustable or displaceable between the dielectric second mirror and the metal electrode.
  • the dielectric second mirror can be in the form of a layer with a spatially variable second carrier layer.
  • At least one further optical interference filter of the laser may comprise
  • a first carrier layer formed as a substrate
  • the transparent resonator layer is formed of elastic material, wherein the layer stack formed in the said order forms between the electrodes with the two electrodes a thin film actuator operable with adjustable applied voltage V, the elastic material comprising a laser active material having a wavelength spectrum after an optical or electrical energy pumping, communicating,
  • the laser-active material as a single layer on the one hand with the transparent resonator layer made of elastic material and on the other hand with the metal electrode in connection and is part of the optical resonator.
  • the laser-active material may be mixed evenly distributed in the elastic material of the resonator.
  • Another optical interference filter of another laser can be any optical interference filter of another laser.
  • the transparent layer is disposed in optical contact between the two opposing mirrors to form an interference of a wavelength spectrum
  • the interference filter also includes a thin film actuator that at least identifies
  • a voltage control unit having contacting terminals to the electrodes, the transparent layer being in electrical contact with the two electrodes,
  • the transparent layer is formed as an elastic transparent layer of an elastic material whose physical layer thickness change ⁇ is voltage-dependent, wherein the elastic transparent layer is disposed between the mirrors and the two electrodes, wherein the support layer, the first electrode, the first mirror and the elastic transparent layer, the second mirror and the second electrode in the order named represent a composite integral layer stack, wherein between the first electrode and the second electrode during the operation of the Dünnllaktuators an adjustable voltage V is applied and wherein the adjustable applied voltage V, the layer thickness z of the elastic transparent layer by a physical layer thickness change ⁇ can expand or compress, so that with the physical layer thickness change / deformation ⁇ an optical resonator length / is achieved in which selective filtering of at least one emissive wavelength band ⁇ dependent on the set layer thickness change ⁇ can be achieved from the wavelength spectrum generated by an attached laser-active material as a result of an energy pumping process.
  • the carrier layer may be transparent and a glass layer / a glass substrate.
  • Oe dielectric elastomer may be a silicone gel.
  • the first electrode may be an indium tin oxide (ITO) electrode.
  • the second electrode may be a silver electrode.
  • the first carrier layer may be formed as a flexible substrate in the form of films with applied flexible electrode.
  • the first electrode and the first carrier layer can be transparent and in the mode of operation of the laser in reflection of the incident beam, the first electrode and / or the first carrier layer can not be permeable.
  • the electrodes of the interference filter can be used as
  • the two opposing mirrors can be formed on both sides as mutually facing metal mirror.
  • elastic material such as dielectric elastomers, ferroelectric polymers, liquid crystals, electrostrictive polymers, hydrogels may be used.
  • a laser can with at least one inorganic semiconductor, in particular a III-V or III-VI semiconductor may be formed as a laser-active material.
  • a laser may be provided with at least one organic laser active material for the layer as a mixture in the dielectric elastomer rhodamine dyes e.g. Rhodamine B (9- (2-carboxyphenyl) -3, e-bis (diethylamino) xanthylium chloride),
  • Pyrromethene 567 (Difluoro ⁇ 3-ethyl-5- [1- (4-ethyl-3,5-dimethyl-2-pyrrol-2-ylidenes / V) ethyl] -2,4-dimethyl-1H-pyrrolato-N ⁇ boron) or pyrromethene 597 (difluoro (4- (1,1-dimethylethyl) -2- ⁇ 1- [4- (1,1-dimethylethyl) -3,5-dimethyl-2H-pyrrol-2-ylidene-A / Ethyl-ethyl-ethyl-1-methyl-1-ethyl-1-ethyl-1-ethyl-1-yl-pyridato-A /) boron) or
  • the laser active material is mixed in the elastomer.
  • the structure between the two mirrors is used without metal
  • the elastomer upon application of a voltage between the lower first electrode and the spaced metal contacts, the elastomer is displaced into the open areas between the metal contacts, since the volume of the elastic layer is incompressible,
  • the advantages of the invention include, among other things, that thin film actuators of dielectric elastomers are a cost effective and easily implementable alternative to conventional lasers with interference filters.
  • thin film actuators of dielectric elastomers are a cost effective and easily implementable alternative to conventional lasers with interference filters.
  • they are versatile structurable, since the structure is not limited by the use of a deformable membrane. Furthermore, it is not necessary to use expensive lithographic processes for the production.
  • the emission wavelength of a laser is dependent on the length / and the shape of the resonator.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a laser for the production of
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a laser resonator with MEMS according to the prior art
  • Fig. 3 is a schematic representation of an interference filter of a laser for generating predetermined wavelength bands from the generated wavelength spectrum with optical resonator and
  • Thin film actuator including associated voltage control unit, wherein a portion of the emitted wavelength bands are registered by a detector
  • Fig. 4 is a schematic representation of a layer stack construction of a
  • Interference filter according to the invention for a laser in which a laser-active material in the form of dye particles in the
  • Resonator layer consisting of elastic material, is mixed in,
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a layer stack construction of an interference filter according to the invention for a laser, in which, similar to FIG. 4, laser material is mixed with the elastic material and
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a layer stack structure of an interference filter according to the invention for a laser, wherein in the layer structure a single layer / layer of laser active material is applied in the layer connection to the elastic layer,
  • Fig. 7 is an illustration of the capacitance (C) / voltage (V) curve of the component
  • Fig. 8 are schematic representations of simple Dünl Anlagenuatoren according to the prior art, wherein
  • FIG. 8a shows a thin film actuator without applied voltage V and FIG. 8b shows the thin film actuator with applied voltage V and a
  • FIG. 9a shows an exploded view of the optical interference filter and FIG. 9b shows a top view of the optical interference filter according to FIG. 9a, FIG.
  • FIG. 10 is an illustration of an optical layer thickness () wavelength (A) curve for a thin elastic transparent layer
  • FIG. 11 is an illustration of an optical layer thickness (/) wavelength (A) curve for a thick elastic transparent layer
  • V voltage
  • A wavelength
  • FIG. 13 shows a representation of a wavelength (A) / voltage (V) curve and an associated layer thickness deformation (Ziz) / voltage (V) curve
  • 14 shows representations of transmission (T) / wavelength (A) curves with parameter: applied voltage V
  • FIG. 15 shows representations of a wavelength (A) / voltage (V) curve and associated layer thickness defrosting (Az) / voltage (V) curve
  • FIG. 16a shows a layer thickness deformation (Az) / position (z) curve in space.
  • Fig. 16b shows a layer thickness deformation (Az) / position (z) curve at spatial
  • FIGS. 3 and 4 are considered together.
  • a schematically illustrated in Fig. 3 laser 10 comprises at least
  • an optical resonator with a transparent resonator layer which is located between at least two mirrors and which serves to generate at least one resonant wavelength band ⁇ 28, 29 formed at a defined resonator length, from a wavelength spectrum generated in the region of the resonator,
  • a laser-active material for generating the wavelength band 64, 65 from the wavelength spectrum, wherein the laser-active material is located at least in a part of the resonator layer, and
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of an optical interference filter 27 of the laser 10, which at least comprises
  • a laser-active material 18 designed to generate the wavelength spectrum, at least in a part of the resonator layer 6,
  • the emitted wavelength spectrum of the laser 10 at a certain pump power consists of a superposition of the wavelength spectrum of the laser-active material 18 and the resonant modes of the resonator 19.
  • the resonator 19 belongs to a thin film actuator 14 and the thin film actuator 14 forms a monolithic layer stack together with the resonator 19 an optical interference filter 27,
  • the thin-film actuator 14 has an actuator layer 13 between two electrodes 2, 5 connected to a voltage control unit 21, spaced apart and connected to the actuator layer 13, the actuator layer 13 containing at least a portion 4 of the resonator layer 6 which is at least partially made of elastic , the resonator length / voltage-changeable material.
  • the optical interference filter 27 comprises at least
  • a first carrier layer formed as a substrate
  • the transparent resonator layer 6 is formed of elastic material, wherein the electrodes 2 and 5 and the actuator layer 13 in the form of a layer stack between the electrodes 2 and 5 forms an adjustable voltage V actuated actuated thin-film actuator 14, wherein the elastic material of the resonator 6 with a laser-active material 18 blended into the elastic material to form a resulting resonator layer 4 with laser-active material 18, which generates the wavelength spectrum after optical or electrical energy pumping.
  • the elastic material constitutes a dielectric elastomer.
  • the laser-active material 18 defined in FIG. 4 is admixed uniformly distributed to the elastic material of the actuator layer 13 or the resonator layer 4.
  • the optical interference filter 27 is held by a filter holder 66.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a layer stack construction of a second optical interference filter 27 for a second laser 20, wherein, similar to FIG. 3, a laser-active material 18 is mixed with the elastic material and the metal electrode 5 has a plurality of transparent passages 15 or openings ,
  • the second optical interference filter 27 of the second laser 20 shown in a schematic representation in FIG. 5 comprises at least
  • a first carrier layer 1 formed as a substrate
  • a transparent resonator layer 6 provided with an adjustable free space 17, which is in contact with the dielectric first mirror 3,
  • a metal electrode 5 in contact with the transparent resonator layer 6 and located between the transparent resonator layer 6 and the space 17.
  • the transparent resonator layer 4 is formed from elastic material, wherein the layer stack / the actuator layer 13 between the electrodes 2 and 5 with the two spaced electrodes 2, 5 is an adjustable voltage V actuatable thin film actuator 14, wherein the elastic material with a in the elastic material mixed laser-active material 18, which generates the wavelength spectrum after an optical or electric energy pump, is connected, wherein the metal electrode 5 is formed with transparent passages 15, the dielectric space limiting the free space 17 second mirror 11 opposite to the formation of a resonator 19th with the layers 3-4-17-11 is arranged, wherein at set voltage V, the passages 15 between the second electrode 5 increasingly filled with elastic material and thus changes the resonator layer thickness in this area.
  • the dielectric second mirror 11 faces the metal electrode 5 outside of the thin-film actuator 14, so that there is the clearance 17 between both.
  • the free space 17 can be adjusted by a displacement 22 directed perpendicularly to the thin-film actuator 14, ie reduced or enlarged become.
  • the second dielectric mirror 11 as a layer of the resonator 19 can in this case be connected to a spatially variable second carrier layer 12.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a layer stack construction of a further optical interference filter 27 for a third laser 30, which at least comprises
  • the transparent resonator layer 6 is made of elastic material, on which a layer 7 of laser-active material 18 is located, wherein the layer stack between the electrodes 2 and 5 with the two electrodes 2, 5 an actuated with adjustable applied voltage V n thin-film actuator 14 is formed, wherein the elastic material is in communication with the laser active material 18 which generates the wavelength spectrum after optical or electrical energy pumping,
  • the laser-active material 18 as a single layer 7 on the one hand with the transparent resonator layer 6 made of elastic material and on the other hand with the metal electrode 5 in combination and is part of the optical resonator 19.
  • a single layer / layer 7 of laser-active material is attached following the elastic material of the resonator layer 6.
  • laser dye in the resonator 19 either as a single layer 7 or evenly distributed within the elastic resonator layer 4, in each case an electrically tunable organic solid-state laser 10, 20, 30 upon optical excitation of the laser dye 18 via an external pump light source or an electric pump source be generated.
  • the laser-active material may be a laser dye which can be introduced either by admixture in the preparation of the transparent elastic material by uniform mixing or by vapor deposition of the elastic transparent layer 6 as a single layer 7 with the laser dye 18.
  • the position of the layer 7 can be optionally set.
  • the actual laser source is integrated within the optical resonator 19.
  • the mode of operation of the first laser 10, taking into account the resonator 19 and the thin-film actuator 14 as the optical interference filter 27, is explained in more detail below:
  • n is the refractive index of the resonator layer 6, / the resonator length required for the set resonance.
  • gel-like solid, reversibly deformable, dielectric elastomers with a very low modulus of elasticity (Y ⁇ 20 kPa) and high viscosity are used.
  • the high breakdown voltage V z of the elastomers (V / z> 10 kV / mm) allows the use of voltages up to several 100 V voltage for thin-film actuators 14 with layer thicknesses z of a few micrometers.
  • a voltage control unit 21 is associated with the respective optical interference filter 27, wherein a variable voltage V can be applied to the electrodes 2, 5 via contact connections in the form of electrical lines 8, 9, which are connected to the respective electrodes 2, 5.
  • the voltage V is value-dependent predetermined such that they each have a wavelength ⁇ or a wavelength range .DELTA. ⁇ of the optical interference filter 27 leaving beam 28, 29, the / from the interference of the radiated from the laser active material 18 wavelength spectrum at resonance in the optical resonator 19 results, corresponds. Due to the structure of the elastic transparent actuator layer 13 or resonator layer 6, modes with high optical quality are generated as a function of the layer thickness z in the transmission spectrum or reflection spectrum.
  • the reversibly deformable, elastic material in the form of e.g. of a silicone gel of the transparent layer 6 is compressed.
  • a change of the optical path length ⁇ is generated in the resonator 19, which is e.g. causes an actuator-related displacement of the optical resonances.
  • the relation between the layer thickness z and the applied voltage V makes it possible to selectively select individual wavelengths ⁇ of high resolution from a broad spectrum.
  • the deformation of the elastic transparent resonator layer 6 causes a Displacement of the wavelength band ⁇ in the wavelength spectrum of the incident beam, which allows selective filtering of individual wavelengths / wavelength bands in the functioning of the filter in transmission or in the operation of the filter in reflection.
  • the thin film actuator 14 shown in FIG. 8a without voltage becomes transparent layer 6, consisting of the elastic dielectric elastomer, due to the electrostatic attraction in the electric field E between the electrodes 2 and 5 according to FIG 8b compressed.
  • V is the controllably applied voltage and z is the physical layer thickness z shown in Fig. 6a of the transparent layer 6 of the shape-changing elastomer.
  • the actuation processes z -> z - ⁇ ⁇ > z are reversible, so that the thin-film actuator 14 after switching off the electric field E or the voltage V in its initial configuration, which is shown in Fig. 8a, returns
  • ⁇ 0 represents the electric field constant
  • ⁇ ⁇ the relative permittivity
  • V the controllably applied voltage
  • Y the modulus of elasticity
  • z 0 the output layer thickness of the elastic transparent layer 6.
  • the layer thickness change ⁇ of the transparent layer 6 shown in FIG. 8b thus takes place according to equation (III) in a quadratic dependence on the applied electric field E.
  • FIG. 12 shows the relationship between the applied voltage V and the wavelengths ⁇ of the resonant modes 28.
  • the amplitude of the layer thickness deformation ⁇ is dependent on material parameters such as the permittivity ⁇ ⁇ and the modulus of elasticity Y. Therefore, a deformable elastomer of the transparent layer 6 is high Permittivity ( ⁇ ⁇ > 2 for 100 kHz) and a modulus of elasticity (Y ⁇ 20 kPa) assigned.
  • the metal electrode 5 By applying the metal electrode 5 to the transparent layer 6, the effective elastic modulus of the thin film actuator 14 increases depending on the layer thickness of the metal of the second electrode 5 and its morphology. Therefore, the material of the metal electrode 5 and its extent plays a crucial role in the performance of the thin-film actuator 14.
  • each resonator 19 used is determined by the reflectivity of the two mirrors 3, 11, i. of the number of layers of the dielectric mirror 3 as well as morphology and layer thickness of the metal mirror 11 on the metal electrode 5.
  • the thin-film actuator 14 is combined with the properties of an optical resonator 19.
  • the electrically tunable optical interference filter 27 comprises at least:
  • a voltage control unit 21 which is connected to electrical Kunststoff istsan- connections 8, 9 to the first electrode 2 and the second electrode 5 in combination.
  • the optical resonator 19 is formed as a thin film actuator 14 with respect to the electrodes 2 and 5.
  • the transparent layer 6 of dielectric elastomer can be compressed. This reduces the layer thickness z and its layer thickness change ⁇ and thus shifts the spectrum of the resonant modes 28 of the resonator 19 to smaller wavelengths.
  • the interference filter 27 may function for a single resonant mode 26 or multiple resonant modes 28. In the case of a single mode 28, as shown in FIG.
  • the optical thickness / transparent layer 6 is half the wavelength ⁇ / 2 of the resonant mode 28.
  • a plurality of resonant wavelengths A appear as shown in FIG is.
  • the width of the resonant modes 28 is dependent on the optical quality of the resonator 19.
  • the optical quality is determined by the reflectivity of the two mirrors 3, 11, ie the number of layers of the dielectric mirror 3 and the morphology and layer thickness of the metal mirror 11 on the metal electrode.
  • the metal electrode 5 consists of a plurality of divided metal contact strips. In the following an embodiment is given.
  • a first electrode 2 made of a conductive transparent oxide, e.g.
  • ITO Indium tin oxide ITO with a layer thickness of 90 nm
  • a dielectric mirror 3 with twenty-one layers of titanium oxide and silicon oxide, each alternating with an optical layer thickness of K / 4 of the design wavelength of the mirror 3 at 630 nm,
  • a second metal electrode 5 made of silver with a layer thickness of 20 nm to 50 nm, with a metal mirror 11 facing the transparent layer 6 of the shape-changing elastomer, a filter holder 66 and
  • a voltage control unit 21 with electrical contacting connections 8, 9 to the electrodes 2, 5.
  • the glass substrate as a carrier layer 1 with the ITO contacts of the electrode 2 is commercially available.
  • the dielectric mirror 3 is deposited on the glass substrate 1 by physical vapor deposition.
  • the gel conformable elastomer commercially available Gel 8100 from Nusil (polydimethylsiloxane), consists of two liquid components which mixed with each other in the volume ratio of 1: 1 and deposited by spin coating on the dielectric mirror 3.
  • the laser active material 18 can be mixed. After deposition, a thermally induced crosslinking reaction takes place between the individual polymer chains, so that a gel-like, elastic, shape-changeable, but solid layer is formed.
  • the layer thickness z of the elastomer 6 is significantly determined by the rotational speed.
  • layer thicknesses z of 5 pm to 16 pm are used.
  • the electrically tunable interference filter 27 of the laser 10 by means of a thin-film actuator 14, it is possible to produce layer thicknesses z of a few hundred nanometers to several micrometers. Thicker actuator layers must be operated at higher voltages V. The spectrum in this case has a plurality of resonant modes.
  • the metal mirror 11 associated with the metal electrode 5 on the transparent layer 6 can be applied by thermal vapor deposition or by sputtering.
  • the choice of the mirror material has a decisive influence on the performance of the interference filter 27.
  • the reflectivity and the absorption of the metal of the second electrode 5 have an influence on the optical quality of the resonator 19. For high optical quality, therefore, metals with low absorption and high reflectivity selected in the desired spectral range.
  • the metal electrode 5 causes a stiffening of the elastomer, ie an increase in the effective modulus of elasticity of the component. The thicker the metal layer, the greater the influence of the electrode 5 on the elasticity of the reversibly deformable elastomer.
  • the reflectivity of the metal layer of the mirror 1 1 increases with increasing layer thickness z.
  • silver layers in the range between 20 nm and 50 nm prove to be expedient.
  • the transmission spectrum of such a resonator 19 is shown by way of example in FIG. 14 (layer structure: 50 nm silver, 16 ⁇ m layer of elastomer, DBR, ITO 90 nm, glass substrate).
  • V voltage between the lower first ITO electrode 2 and the second metal electrode 5
  • the elastomer 6 at the edge of the second metal electrode 5 is deformed. Due to the electrostatic attraction between the electrodes 2, 5, the elastic material is displaced under the second electrode 5 and thus accumulates outside the active surface.
  • the volume remains constant.
  • a spatially varying layer thickness change ⁇ occurs with a maximum (image above) outside the area (image below) and a minimum (image above) within the area (image below) of the metal electrode 5, as shown in FIG. 16a.
  • the actuation of the elastic material can be detected by impedance spectroscopy.
  • the capacitance of device C 0 can be described as a plate capacitor as follows with Equation (IV):
  • FIG. 7 shows the parabolic variation of the capacitance C of the component / interference filter 27 as a function of the applied voltage V.
  • the two mutually opposite mirrors 3 and 11 may be formed on both sides as mutually facing metal mirror, which also makes the formation of a flexible, flexible interference filter 27 possible.
  • the carrier layer 1, 12 may be transparent and a glass layer / glass substrate.
  • the elastic material may be a dielectric elastomer in the form of a silicone gel.
  • the first electrode 2 may be an indium tin oxide (ITO) electrode.
  • ITO indium tin oxide
  • the second electrode 5 may preferably be a silver electrode.
  • the carrier layer 1, 12 may be formed as a flexible substrate in the form of films with a flexible electrode 2 applied.
  • the first electrode 2 and the carrier layer 1 transparent and in the functioning of the interference filter of the laser 10, 20, 30 in reflection of the incident beam, the first electrode 2 and / or the carrier layer 1 may be formed not permeable.
  • the electrodes 2, 5 of the interference filters 27 of the lasers 10, 20, 30 can be referred to as
  • elastic material such as dielectric elastomers, ferroelectric polymers, liquid crystals, electrostrictive polymers, hydrogels may be used.
  • a laser essentially consists of the following components:
  • a pump source to excite the laser active material 18, which can be done electrically in the form of a laser diode representing the laser active material 18 or optically by means of diodes, lasers, flash lamps or chemically,
  • an optical resonator 19 which determines the mode spectrum (position, sharpness and shape) by resonator length and resonator shape.
  • the wavelength spectrum of a laser at sufficiently high pump power 63 consists of a superposition of the emission spectrum of the laser-active material and the resonant modes of the resonator 19.
  • the laser-active material 18 is mixed in the elastomer 6
  • a separate laser-active layer 7 may be incorporated in the resonator 19,
  • laser-active material 18 either integrated in elastic material according to point 1 or as a separate layer 7 according to point 2,
  • the resonator used is the structure between the two mirrors without metal
  • lasers with at least one inorganic semiconductor, for example in the form of III-V semiconductors, III-VI semiconductors, as the laser-active material 18. It is also possible to use lasers according to item 1 with at least one organic active medium, for example for the layer 6 as a mixture in the elastomer
  • Rhodamine dyes for example, rhodamine B (9- (2-carboxyphenyl) -3,6-bis (diethylamino) xanthylium chloride), pyrromethene 567 (difluoro ⁇ 3-ethyl-5- [1- (4-ethyl-3,5-dimethyl) 2W-pyrrol-2-ylidenes / v) ethyl] -2,4-dimethyl-1H-pyrrolato-N, boron) or pyrromethenes 597 (difluoro (4- (1,1-dimethylethyl) -2- ⁇ 1- [ 4- (1,1-dimethylethyl) -3,5-dimethyl-2H-pyrrol-2-ylidenes / yl ethyl ⁇ -3,5-dimethyl-1-y-pyrrol-2-ylidenes / v] ethyl ⁇ - 3,5-dimethyl-1
  • DCM aluminum tris (8-hydroxyquinoline doped with 4- (dicyanomethyl) -2-methyl-6- (4-dimethylamino-styryl) -4-H-pyran) be educated.
  • the said lasers 10, 20, 30 can be both optically pumped and electrically pumped.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Laser (10), der zumindest umfasst - einen optischen Resonator (19) mit einer transparenten Resonatorschicht (6), die sich zwischen mindestens zwei Spiegeln (3, 11) befindet und die zur Erzeugung mindestens eines sich bei einer definierten Resonatorlänge / ausbildenden resonanten Wellenlängenbandes Δλ aus einem durch den Aufbau des Resonators (19) bestimmten Wellenlängenbereich dient, - ein laseraktives Material (18) zur Erzeugung des Wellenlängenbandes aus dem Wellenlängenspektrum, wobei sich das laseraktive Material (18) zumindest in einem Teil der Resonatorschicht (6) befindet, - eine Pumpquelle zur Anregung des laseraktiven Materials (18), wobei das emittierte Wellenlängenband des Lasers (10) bei einer bestimmten Pumpleistung aus einer Überlagerung des Wellenlängenspektrums des laseraktiven Materials (18) und den resonanten Moden des Resonators (19) entsteht. Dabei gehört der Resonator (19) zu einem Dünnschichtaktuator (14) und der Dünnschichtaktuator (14) als Schichtstapel bildet gemeinsam mit dem Resonator (19) einen optischen Interferenzfilter (27) aus, wobei der Dünnschichtaktuator (14) eine Aktuatorschicht (13) zwischen zwei an eine Spannungssteuereinheit (21) angeschlossenen, voneinander beabstandeten und mit der Aktuatorschicht (13) in Verbindung stehenden Elektroden (2, 5) aufweist, wobei die Aktuatorschicht (13) zumindest einen Teil (4) der Resonatorschicht (6) bildet, die zumindest zum Teil aus elastischem, die Resonatorlänge / unter Spannung veränderndem Material besteht und wobei das elastische Material reversibel formveränderbar und ein dielektrischer Elastomer ist.

Description

Laser
Die Erfindung betrifft einen Laser.
Ein in Fig. 1 dargestellter herkömmlicher Laser 100 umfasst zumindest
- einen optischen Resonator 60 mit einer transparenten Resonatorschicht, die sich zwischen mindestens zwei Spiegeln befindet und die zur Erzeugung mindestens eines sich bei einer definierten Resonatorlänge / ausbildenden resonanten Wellenlängenbandes ΔΛ 64, 65 aus einem im Bereich des Resonators 60 erzeugten Wellenlängenspektrum dient,
- ein laseraktives Material zur Erzeugung des Wellenlängenbandes 64, 65 aus dem Wellenlängenspektrum, wobei sich das laseraktive Material 18 zumindest in einem Teil der Resonatorschicht befindet, und
- eine Pumpquelle 61 zur Anregung des laseraktiven Materials,
wobei das emittierte Wellenlängenband 64, 65 des Lasers 100 bei einer vorgegebenen Pumpleistung 63 aus einer Überlagerung des Wellenlängenspektrums des laseraktiven Materials 18 mit den resonanten Moden des Resonators 60 entsteht. Es ist ein Laser mit externen Kavitäten mit einem verstellbaren externen Spiegel in der Druckschrift Zavellani-Rossi, Lanzani, De Silvestre, Barbarelle: Single-mode tunable organic Laser based on an electroluminescent oligothiophene, Appl. Phys. Lett. 79 (2001), S. 4082, beschrieben.
Ein durchstimmbarer Laser mit einem keilförmigen Resonator ist in der Druckschrift Schütte, Goethe, Hintschisch, Sudzius, Fröb, Lyssenko, Leo: Continously tunable laser emission from a wedge-shaped organic microcavity, Appl. Phys. Lett. 92, 163309 (2008) beschrieben.
Es sind elektrisch einstellbare Gitterstrukturen (Veränderung der Gitterkonstante) auf Basis von formveränderbaren, dielektrischen Elastomer-Aktuatoren (DEA, engl. Dielectric Elastomer Actuator), welche mit Hochspannung betrieben werden müssen, in der Druckschrift S. Döring, M. Kollosche, T. Rabe, J. Stumpe, G. Kofod: Electrically Tunable Polymer, DFB Advanced Materials, 2011 , S. 4265-4269 beschrieben. Die darin beschriebene Verwendung von Elastomeren mit relativ hohem E-Modul als elastisches Material hat zur Folge, dass die Aktuation des elastischen Materials und damit die Veränderung der Gitterkonstanten unter Hochspannung erfolgen müssen. Die Betriebsspannung liegt im Bereich bis zu 4,5kV bzw. 3,25kV.
Ein in Fig. 2 dargestellter Interferenzfilter eines durchstimmbarer) organischen Lasers mit MEMS ist in der Druckschrift W. Chang, A. Wang, A. Murarka, G. M. Akselrod, C. Packard, J. H. Lang, V. Bulovic: Electrically tunable organic vertical- cavity surface-emitting laser, Appl. Phys. Lett. 105, 073303 (2014) beschrieben, wobei der elektrisch einstellbare Laserresonator 60 eine luftgefüllte Kavität (MEMS)
25 aufweist. Die Herstellung der luftgefüllten Kavität 25 erfordert die Nutzung lithografischer Prozesse sowie die Verwendung einer ultra-dünnen Membran 24 (Schichtdicke < 1 pm), welche auf das vorstrukturierte Substrat mit Abstandhaltern
26 übertragen werden. Sowohl die Verarbeitung als auch das Übertragen der dünnen Membranen 24 auf die Oberfläche sind verhältnismäßig aufwändige Prozesse, die mit hoher Präzision erfolgen müssen, um ein reproduzierbares Resultat zu erzielen. Die Membran 24 ist als flexibler Spiegel und als Elektrode ausgebildet. Ein laseraktives Material 18 befindet sich auf dem hochreflektierenden Spiegel 3, der mit einer vorzugsweise transparenten Elektrode 5 versehen ist, die im Kontakt mit einer Trägerschicht 1 steht. Die elastischen Membranen 24 ändern ihre Position bei Anlegen einer Spannung V an die beiden Elektroden. In der Druckschrift US 2003 / 0 012 250 A1 wird ein externer Laserresonator - ein durchstimmbarer Filter zur Wellenlängenselektion - beschrieben. Durch das Einbringen von zwei Interferometem (Etalons) in den Strahlengang des Resonators, wird eine Wellenlängenfilterung vorgenommen. Aufgrund der großen optischen Schichtdicke der Interferometer im Vergleich zur Wellenlänge des laseraktiven Materials tritt ein Multimoden-Spektrum mit äquidistanten Energieabständen zwischen den Moden in Abhängigkeit der optischen Schichtdicke des Etalons auf, wie in Fig. 3 der Druckschrift US 2003 / 0 012 250 A1 erkennbar ist. Aufgrund der verschiedenen optischen Schichtdicken der beiden Etalons haben beide Filter verschiedene Transmissionsspeaks. Durch die Überlagerung beider Spektren kann eine spezielle Wellenlänge gefiltert werden. Um eine Variation der gefilterten Wellenlänge zu erreichen, muss das Transmissbnsspektrum eines der beiden Filter durchstimmbar sein. Dies wird in der US 2003 / 0 012 250 A1 durch eine Verkippung eines der beiden Etalons oder durch eine Änderung der Schichtdicke mittels einer Steuereinheit erreicht.
Etalon und Filter sind separat angeordnet. Um in dem Laser von US 2003 / 0 012 250 A1 eine kontinuierliche Variation der Laserwellenlänge zu erreichen, müssten beide Etalons durchstimmbar gestaltet werden und in Bezug zu einander angesteuert werden. Dieses Verfahren ist aufwändig.
Der beschriebene Mechanismus der Variation der optischen Schichtdicke des Etalons wird durch eine Temperaturveränderung verursacht. Die Temperaturänderung wird durch Strom durchflossene Elektroden erzielt, welche sich aufgrund der umgesetzten Leistung am ohmschen Widerstand erwärmen. Durch die Temperaturänderung ändert sich das Volumen des Materials entsprechend deren thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Der in Druckschrift US 2004 / 0 258 107 A1 vorgestellte Laser besteht aus einem externen Laserresonator (3 mm - 25 mm), in dem ein separates Filterelement eingebracht wird Das Filtern der Wellenlänge findet in der Druckschrift US 2004 / 0 258 107 A1 mittels eines mikromechanischen Bauelements (MEMS) statt.
In der US 2004 / 0 258 107 A1 sind
- zwei separat angeordnete Elemente: externer Laserresonator und ein
Filterelement
- sowie ein mikromechanisches Element, welches aufwändig in der Herstellung ist,
notwendig.
In der Druckschrift US 5 218 610 A ist ebenso ein durchstimmbarer Laser in einem externen Resonator beschrieben. Die Variation der Wellenlänge wird durch ein zusätzlich in den Strahlengang eingebrachtes Filterelement umgesetzt. Das Filterelement besteht aus einer Phasenplatte und einem Filterelement aus Flüssigkristallen. Der Mechanismus der Wellenlängenselektivität bezieht sich hier auf das Filtern einer speziellen Phase und nicht auf die Variation der optischen Resonatorlänge.
In der US 5 218 610 A gibt es zwei separat angeordnete Elemente: einen externen Laserresonator und ein Filterelement.
Die Druckschrift US 2010 / 0 134 803 A1 zeigt die Möglichkeit auf, die Wellenlänge eines externen Laserresonators zu variieren, in dem die Position der beiden Spiegel zueinander verschoben wird. Es handelt sich dabei wiederum um einen externen Resonator, nicht um ein einstückiges Bauelement mit Schichtstapel. In der US 2010 / 0 134 803 A1 gibt es kein einstückiges Bauelement, stattdessen einen externen Laserresonator.
Die Nachteile der bekannten Lösungen sind:
- Es gibt kein kompaktes Bauelement, aber dafür eine aufwändigere Herstellung und Justierung sowie eine höhere Laserschwelle,
- die Wellenlänge ist nur positionsabhängig einstellbar,
- die Emission erfolgt an der Kante und nicht von der Oberfläche,
- eine hohe Betriebsspannung und dadurch eine hohe Laserschwelle,
- es erfolgt eine aufwändige Herstellung mit Lithografie und dünnen Membranen, sie können nur in inerter Atmosphäre betrieben werden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Laser anzugeben, der derart ausgebildet ist, dass zumindest ein verschiebbares Emissionswellenlängenband für ein Lasermedium mit breitem Emissionsspektrum erreichbar ist, dass die Betriebsspannung wesentlich gesenkt werden kann und dass der Aufwand zur Erstellung des Laserresonators verringert wird.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der Laser umfasst zumindest
- einen optischen Resonator mit einer transparenten Resonatorschicht, die sich zwischen mindestens zwei Spiegeln befindet und die zur Erzeugung mindestens eines sich bei einer definierten Resonatorlänge / ausbildenden resonanten Wellenlängenbandes Δλ aus einem durch den Aufbau des Resonators bestimmten Wellenlängenbereich dient,
- ein laseraktives Material zur Erzeugung des Wellenlängenbandes aus dem Wellenlängenspektrum, wobei sich das laseraktive Material zumindest in einem Teil der Resonatorschicht befindet,
- eine Pumpquelle zur Anregung des laseraktiven Materials,
wobei das emittierte Wellenlängenband des Lasers bei einer bestimmten Pumpleistung aus einer Überlagerung des Wellenlängenspektrums des laseraktiven Materials und den resonanten Moden des Resonators entsteht, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
der Resonator zu einem Oünnschichtaktuator gehört und der Dünnschichtaktuator als Schichtstapel gemeinsam mit dem Resonator einen optischen Interferenzfilter ausbildet,
wobei der Oünnschichtaktuator eine Aktuatorschicht zwischen zwei an eine Spannungssteuereinheit angeschlossenen, voneinander beabstandeten und mit der Aktuatorschicht in Verbindung stehenden Elektroden aufweist,
wobei die Aktuatorschicht zumindest einen Teil der Resonatorschicht bildet, die zumindest zum Teil aus elastischen, die Resonatorlänge / unter Spannung veränderndem Material besteht, und
wobei das elastische Material reversibel formveränderbar und ein dielektrischer Elastomer ist
Der Laser kann zumindest umfassen
- eine als Substrat ausgebildete erste Trägerschicht,
- eine erste Elektrode, die im Kontakt mit der Trägerschicht steht,
- einen dielektrischen ersten Spiegel, der im Kontakt mit der ersten Elektrode steht,
- eine transparente Resonatorsc licht, die mit dem dielektrischen ersten Spiegel im Kontakt steht,
- eine Metallelektrode, die mit der transparenten Resonatorschicht im Kontakt steht, wobei der Metallelektrode ein der transparenten Resonatorschicht zugewandter Metallspiegel als zweiter Spiegel zugeordnet ist,
wobei die transparente Resonatorschicht aus elastischem Material gebildet ist, wobei die Elektroden sowie die Aktuatorschicht in Form eines Schichtstapels zwischen den Elektroden einen mit einstellbarer angelegter Spannung V betätigbaren Oünnschichtaktuator ausbildet, wobei das elastische Material der Resonatorschicht mit einem in das elastische Material eingemischten laseraktiven Material zu einer ausgebildeten Resonatorschicht, das ein Wellenlängenspektrum nach einem optischen oder elektrischen Energiepumpen erzeugt, in Verbindung steht.
Das laseraktive Material kann dem elastischen Material gleichmäßig verteilt beigemischt sein.
Ein dem Laser zugehöriger optischer Interferenzfilter kann zumindest umfassen
- eine als Substrat ausgebildete erste Trägerschicht,
- eine Elektrode, die im Kontakt mit der Trägerschicht steht,
- einen dielektrischen ersten Spiegel, der im Kontakt mit der Elektrode steht,
- eine mit einem Freiraum versehene transparente Resonatorschicht, die mit dem dielektrischen ersten Spiegel im Kontakt steht,
- eine Metallelektrode, die mit der transparenten Resonatorschicht im Kontakt steht und sich zwischen der transparenten Resonatorschicht und dem Freiraum befindet,
wobei die transparente Resonatorschicht aus elastischem Material gebildet ist, wobei der Schichtstapel zwischen den Elektroden mit den beiden beabstandeten Elektroden einen mit einstellbarer angelegter Spannung V betätigbaren Dünnschichtaktuator darstellt, wobei das elastische Material mit einem in das elastische Material eingemischten laseraktiven Material, das ein Wellenlängenspektrum nach einem optischem oder elektrischem Energiepumpen erzeugt, in Verbindung steht, wobei die Metallelektrode mit transparenten Durchgängen ausgebildet ist, der ein den Freiraum begrenzender, dielektrischer zweiter Spiegel gegenüberliegend zur Ausbildung eines Resonators mit den Schichten angeordnet ist.
Der dielektrische zweite Spiegel kann der Metallelektrode außerhalb des Dünnschichtaktuators gegenüberliegend angeordnet sein und zwischen dem dielektrischen zweiten Spiegel und der Metallelektrode kann der vorhandene Freiraum verstellbar oder verschiebbar sein. Der dielektrische zweite Spiegel kann dabei als Schicht mit einer ortsveränderlichen zweiten Trägerschicht in Verbindung stehen.
Ein weiterer optischer Interferenzfilter des Lasers kann zumindest umfassen
- eine als Substrat ausgebildete erste Trägerschicht,
- eine erste Elektrode, die im Kontakt mit der Trägerschicht steht,
- einen dielektrischen ersten Spiegel, der im Kontakt mit der ersten Elektrode steht,
- eine transparente Resonatorschicht, die mit dem dielektrischen ersten Spiegel im Kontakt steht,
- eine Metallelektrode, die mit der transparenten Resonatorschicht im Kontakt steht,
wobei die transparente Resonatorschicht aus elastischem Material gebildet ist, wobei der in der genannten Reihenfolge ausgebildeter Schichtstapel zwischen den Elektroden mit den beiden Elektroden einen mit einstellbarer angelegter Spannung V betätigbaren Dünnschichtaktuator ausbildet, wobei das elastische Material mit einem laseraktiven Material, das ein Wellenlängenspektrum nach einem optischem oder elektrischem Energiepumpen erzeugt, in Verbindung steht,
wobei das laseraktive Material als einzelne Schicht einerseits mit der transparenten Resonatorschicht aus elastischem Material und andererseits mit der Metallelektrode in Verbindung steht und Teil des optischen Resonators ist.
Auch hier kann das laseraktive Material in dem elastischen Material der Resonatorschichten gleichmäßig verteilt beigemischt sein.
Ein anderer optischer Interferenzfilter eines weiteren Lasers kann
zusammenfassend zumindest einen optischen Resonator aufweisen mit
- einer ersten Trägerschicht,
- einem ersten Spiegel,
- einer transparenten, aus einem Material bestehenden Schicht,
- einem zweiten Spiegel, wobei die transparente Schicht zwischen den beiden sich gegenüberliegenden Spiegeln zur Ausbildung einer Interferenz eines Wellenlängenspektrums in optischem Kontakt angeordnet ist,
wobei der Interferenzfilter auch einen Dünnschichtaktuator umfasst, der zumindest ausweist
- eine mit der transparenten Schicht in Verbindung stehende erste Elektrode,
- eine mit der transparenten Schicht in Verbindung stehende zweite Elektrode,
- eine Spannungssteuereinheit, die Kontaktierungsanschlüsse zu den Elektroden aufweist, wobei die transparente Schicht mit den beiden Elektroden in elektrischem Kontakt steht,
wobei die transparente Schicht als eine elastische transparente Schicht aus einem elastischen Material ausgebildet ist, deren physikalische Schichtdickenänderung Δζ spannungsabhängig ist, wobei die elastische transparente Schicht zwischen den Spiegeln und den beiden Elektroden angeordnet ist, wobei die Trägerschicht, die erste Elektrode, der erste Spiegel und die elastische transparente Schicht, der zweite Spiegel sowie die zweite Elektrode in der genannten Reihenfolge einen zusammengesetzten einstückigen Schichtstapel darstellen, wobei zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode während des Betriebs des Dünnschichtaktuators eine einstellbare Spannung V anliegt und wobei die einstellbare angelegte Spannung V die Schichtdicke z der elastischen transparenten Schicht durch eine physikalische Schichtdickenänderung Δζ ausdehnen oder komprimieren lässt, so dass mit der physikalischen Schichtdickenänderung/Deformation Δζ eine optische Resonatorlänge / erreicht wird, bei der aus dem von einem beigefügten laseraktiven Material erzeugten Wellenlängenspektrum infolge eines Energiepumpvorgangs ein selektives Filtern zumindest eines von der eingestellten Schichtdickenänderung Δζ abhängigen emittierbaren Wellenlängenbandes Δλ erreichbar ist.
Die Trägerschicht kann transparent und eine Glasschicht/ein Glassubstrat sein.
Oer dielektrische Elastomer kann ein Silikongel sein. Die erste Elektrode kann eine Indiumzinnoxid (ITO)-Elektrode sein. Die zweite Elektrode kann eine Silberelektrode sein.
Die erste Trägerschicht kann als flexibles Substrat in Form von Folien mit aufgebrachter flexibler Elektrode ausgebildet sein.
Bei der Funktionsweise des Lasers in Transmission des einfallenden Strahlenbündels können die erste Elektrode und die erste Trägerschicht transparent und bei der Funktionsweise des Lasers in Reflexion des einfallenden Strahlenbündels können die erste Elektrode und/oder die erste Trägerschicht nicht durchlässig ausgebildet sein. Die Elektroden des Interferenzfilters können als
- Graphen,
- leitfähige Polymere,
- dünne transparente Metallschichten,
- dicke nicht transparente Metallschichten und
- leitfähiges Polymer durch Zusatz von leitfähigen Partikeln
- leifähigen Nanodrähten
und Kombinationen aus den genannten Varianten ausgebildet sein.
Die beiden sich gegenüberliegenden Spiegel können beidseitig als zueinander zugewendete Metallspiegel ausgebildet sein.
Als transparente Resonatorschicht kann elastisches Material wie dielektrische Elastomere, ferroelektrische Polymere, Flüssigkristalle, elektrostriktive Polymere, Hydrogele eingesetzt sein.
Ein Laser kann mit mindestens einem anorganischen Halbleiter, insbesondere einem III- V- oder Ill-Vl-Halbleiter als laseraktivem Material ausgebildet sein.
Ein Laser kann mit zumindest einem organischen laseraktiven Material für die Schicht als Bemischung in das dielektrische Elastomer Rhodaminfarbstoffe z.B. Rhodamin B (9-(2-Carboxyphenyl)-3,e-bis(diethylamino)xanthyliumchlorid),
Pyrromethene 567 (Difluoro{3-ethyl-5-[1 -(4-ethyl-3,5-dimethyl-2 ^pyrrol-2-ylidene- /V)ethyl]-2,4-dimethyl-1H-pyrrolato-N}boron) oder Pyrromethene 597 (Difluoro(4- (1 , 1 -dimethylethyl)-2-{1 -[4-(1 , 1 -dimethylethyl)-3,5-dimethyl-2H-pyrrol-2-ylidene- A/Jethyl^S.ö-dimethyl-IH^yrrol^-ylidene-A Jethyl^S.S-dimethyl-lAy-pyrrolato- A/)boron) oder
für Laser als separate Schicht z.B. Alq3:DCM (Aluminium-tris(8-hydroxychinolin dotiert mit 4-(Dicyanomethyl)-2-methyl-6-(4-dimethyl-amino-styryl)-4-H-pyran) ausgebildet sein. Aus der Kombination des Laserresonators und des Oünnschichtaktuators aus elastischem Material zu einem optischen Interferenzfilter können sich verschiedene Kombinationen aus Resonator und Aktuator sowie das Einbringen von mindestens einem laseraktiven Material in den optischen Interferenzfilter ergeben:
- 1. das laseraktive Material befindet sich im Elastomer eingemischt.
Durch das Anlegen einer Spannung V zwischen (transparenter) Elektrode und Metallspiegel-Elektrode ändert sich die Resonatorlänge und damit die Emissionswellenlänge, wobei der Laser optisch gepumpt wird,
- 2. es kann eine separate laseraktive Schicht im Resonator eingebracht sein,
die in Form einer .Leuchtdiode (organisch oder anorganisch)") als elektrisch gepumptes laseraktives Material oder in Form von mindestens einer Schicht aus optisch gepumptem laseraktiven Material bestehen kann,
- 3. in Kombination mit einem externen hochreflektierenden Spiegel als externer Resonator
- strukturierte Metallelektrode
- laseraktives Material entweder in elastisches Material integriert nach Punkt . oder als separate Schicht nach Punkt 2.
- als Resonator wird die Struktur zwischen den zwei Spiegein ohne Metall genutzt,
- beim Anlegen einer Spannung zwischen der unteren ersten Elektrode und den beabstandeten Metallkontakten wird der Elastomer in die offenen Bereiche zwischen den Metallkontakten verdrängt, da das Volumen der elastischen Schicht inkompressibel ist,
- Ausdehnen der Schichtdicke mit Δζ',
- aufgrund des höheren Brechungsindex des diektrischen Elastomers im Vergleich zur Luft erhöht sich die optische
Weglänge im Resonator Ι+ΔΙ mit Al°p***> ~ "Hohbaump 2 was zu einer Rotverschiebung der resonanten Moden führt.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem, dass Dünnschichtaktuatoren aus dielektrischen Elastomeren eine kostengünstige und einfach implementierbare Alternative zu herkömmlichen Lasem mit Interferenzfiltern darstellen. Im Gegensatz zu dem MEMS-Konzept in der Druckschrift Chang, Wang et al.: Electrically tunable organic vertical-cavity surface-emitting laser, Appl. Phys. lett. 105, 073303 (2014), sind sie vielseitig strukturierbar, da der Aufbau nicht durch Verwendung einer verformbaren Membran limitiert wird. Weiterhin ist es nicht notwendig, aufwändige Lithografieverfahren für die Herstellung einzusetzen.
Die Emissionswellenlänge eines Lasers ist abhängig von der Länge / und der Form des Resonators. Mittels des Dünnschichtaktuators mit reversibel formveränderbaren und elastischen, dielektrischen Polymeren ist es möglich, die Resonatorlänge / zu variieren und in Zusammenwirkung mit den Dünnschicht- aktuatoreigenschaften somit einen elektrisch durchstimmbaren Laser zu realisieren.
Weiterbildungen und spezielle Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung wird mittels Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Lasers zur Erzeugung von
vorgegebenen Wellenlängenbändern nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Laserresonators mit MEMS nach dem Stand der Technik,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Interferenzfilters eines Lasers zur Erzeugung von vorgegebenen Wellenlängenbändern aus dem erzeugten Wellenlängenspektrum mit optischem Resonator und
Dünnschichtaktuator einschließlich zugehöriger Spannungssteuereinheit, wobei ein Teil der emittierten Wellenlängenbänder von einem Detektor registriert werden,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Schichtstapel-Aufbaus eines
erfindungsgemäßen Interferenzfilters für einen Laser, bei dem ein laseraktives Material in Form von Farbstoffpartikeln in die
Resonatorschicht, bestehend aus elastischem Material, eingemischt ist,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Schichtstapel-Aufbaus eines erfindungsge- mäßen Interferenzfilters für einen Laser, wobei ähnlich Fig. 4 dem elastischen Material laseraktives Material beigemischt ist und die
Metallelektrode mehrere transparente Durchgänge und Öffnungen aufweist sowie sich ein Spiegel des Resonators außerhalb des Dünnschicht- aktuators befindet, Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Schichtstapel-Aufbaus eines erfindungsgemäßen Interferenzfilters für einen Laser, wobei im Schicht-Aufbau eine Einzelschicht/Schicht von laseraktivem Material im Schicht-Anschluss an der elastischen Schicht angebracht ist,
Fig. 7 eine Darstellung der Kapazität(C)/Spannungs(V)-Kurve des Bauteils
optischer Interferenzfilter in Abhängigkeit von der angelegten Spannung V,
Fig. 8 schematische Darstellungen von einfachen Dünnschichtaktuatoren nach dem Stand der Technik, wobei
Fig. 8a einen Dünnschichtaktuator ohne angelegte Spannung V und Fig. 8b den Dünnschichtaktuator mit angelegter Spannung V und einer
Schichtdickenänderung Δζ (Komprimierung) der Schichtdicke z und Deformationen
zeigen, Fig. 9 Darstellungen eines erfindungsgemäßen optischen Interferenzfilters für die Laser mit Elektroden-Metallkontaktstreifen, wobei
Fig. 9a eine Explosionsdarstellung des optischen Interferenzfilters und Fig. 9b eine Draufsicht des optischen Interferenzfilters nach Fig. 9a zeigen,
Fig. 10 eine Darstellung einer optischen Schichtdicke( ) Wellenlängen(A)-Kurve für eine dünne elastische transparente Schicht,
Fig. 11 eine Darstellung einer optischen Schichtdicke(/) Wellenlängen(A)-Kurve für eine dicke elastische transparente Schicht,
Fig. 12 eine Darstellung von Spannungs(V)/Wellenlännge(A)-Kurven,
Fig. 13 eine Darstellung einer Wellenlängen(A)/Spannungs(V)- Kurve und einer zugehörigen Schichtdickendeformations(Ziz)/Spannungs(V)-Kurve, Fig. 14 Darstellungen von Transmissions(T)/Wellenlängen (A)-Kurven mit Parameter: angelegte Spannung V,
Fig. 15 Darstellungen einer Wellenlängen(A)/Spannung(V)-Kurve und zugehöriger Schichtdickendefbrmations(Az)/Spannungs(V)-Kurve,
Fig. 16a eine Schichtdickendeformations(Az)/Position(z)-Kurve bei räumlich
variierender Schichtdickendeformation und einem Maximum (Bild oben) außerhalb der Fläche (Bild unten) der Metallelektrode und einem Minimum (Bild oben) innerhalb der Fläche (Bild unten) der eingesetzten Metallelektrode und
Fig. 16b eine Schichtdickendeformations(Az)/Position(z)-Kurve bei räumlich
variierender Schichtdickendeformation und zwei auftretenden Minima (Bild oben) außerhalb der Fläche (Bild unten) der Metallelektrode und einem Maximum (Bild oben) innerhalb der Fläche (Bild unten) der Metallelektrode.
Im Folgenden werden die Fig. 3 und Fig. 4 gemeinsam betrachtet.
Ein in Fig. 3 schematisch dargestellter Laser 10 umfasst zumindest
- einen optischen Resonator mit einer transparenten Resonatorschicht, die sich zwischen mindestens zwei Spiegeln befindet und die zur Erzeugung mindestens eines sich bei einer definierten Resonatorlänge / ausbildenden resonanten Wellenlängenbandes ΔΑ 28, 29 aus einem im Bereich des Resonators erzeugten Wellenlängenspektrum dient,
- ein laseraktives Material zur Erzeugung des Wellenlängenbandes 64, 65 aus dem Wellenlängenspektrum, wobei sich das laseraktive Material zumindest in einem Teil der Resonatorschicht befindet, und
- eine Pumpquelle zur Anregung des laseraktiven Materials,
wobei das emittierte Wellenlängenband 28, 29 des Lasers 10 bei einer vorgegebenen Pumpleistung 63 aus einer Überlagerung des Wellenlängenspek- trums des laseraktiven Materials mit den resonanten Moden des Resonators entsteht.
In Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines optischen Interferenzfilters 27 des Lasers 10 gezeigt, der zumindest umfasst
- einen optischen Resonator 19 mit einer transparenten Resonatorschicht 6, die sich zwischen mindestens zwei Spiegeln 3, 11 befindet und die zur Erzeugung mindestens eines sich bei einer definierten Resonatorlänge / ausbildenden resonanten Wellenlängenbandes Δλ aus einem im Bereich des Resonators 19 erzeugten Wellenlängenspektrum dient,
- ein laseraktives, zur Erzeugung des Wellenlängenspektrums ausgebildetes Material 18 zumindest in einem Teil der Resonatorschicht 6,
- eine Pumpquelle zur Anregung des laseraktiven Materials 18,
wobei das emittierte Wellenlängenspektrum des Lasers 10 bei einer bestimmten Pumpleistung aus einer Überlagerung des Wellenlängenspektrums des laseraktiven Materials 18 und den resonanten Moden des Resonators 19 besteht.
Erfindungsgemäß gehört der Resonator 19 zu einem Dünnschichtaktuator 14 und bildet der Dünnschichtaktuator 14 als monolithischer Schichtstapel gemeinsam mit dem Resonator 19 einen optischen Interferenzfilter 27 aus,
wobei der Dünnschichtaktuator 14 eine Aktuatorschicht 13 zwischen zwei an eine Spannungssteuereinheit 21 angeschlossenen, voneinander beabstandeten und mit der Aktuatorschicht 13 in Verbindung stehenden Elektroden 2, 5 aufweist, wobei die Aktuatorschicht 13 zumindest einen Teil 4 der Resonatorschicht 6 enthält, die zumindest zum Teil aus elastischem, die Resonatorlänge / unter Spannung veränderbarem Material besteht.
In Fig. 4 umfasst der optische Interferenzfilter 27 zumindest
- eine als Substrat ausgebildete erste Trägerschicht ,
- eine erste Elektrode 2, die im Kontakt mit der ersten Trägerschicht 1 steht,
- einen dielektrischen ersten Spiegel 3, der im Kontakt mit der ersten Elektrode 2 steht,
- eine transparente Resonatorschicht 6, die mit dem dielektrischen ersten Spiegel 3 im Kontakt steht,
- eine zweite Elektrode 5 aus Metall, die mit der transparenten Resonatorschicht 6 im Kontakt steht, wobei an der Metallelektrode 5 ein der transparenten Resonatorschicht 6 zugewandter Metallspiegel als zweiter Spiegel 11 ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist die transparente Resonatorschicht 6 aus elastischem Material gebildet, wobei die Elektroden 2 und 5 sowie die Aktuatorschicht 13 in Form eines Schichtstapels zwischen den Elektroden 2 und 5 einen mit einstellbarer angelegter Spannung V betätigbaren Dünnschichtaktuator 14 ausbildet, wobei das elastische Material der Resonatorschicht 6 mit einem in das elastische Material eingemischten laseraktiven Material 18 zu einer entstehenden Resonatorschicht 4 mit laseraktivem Material 18, das das Wellenlängenspektrum nach einem optischem oder elektrischem Energiepumpen erzeugt in Verbindung steht.
Das elastische Material stellt einen dielektrischen Elastomer dar. Das in Fig. 4 definierte laseraktive Material 18 ist dem elastischen Material der Aktuatorschicht 13 bzw. der Resonatorschicht 4 gleichmäßig verteilt beigemischt.
Der optische Interferenzfilter 27 wird durch eine Filterhalterungseinrichtung 66 gehalten.
In Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Schichtstapel-Aufbaus eines zweiten optischen Interferenzfilters 27 für einen zweiten Laser 20 gezeigt, wobei ähnlich Fig. 3 dem elastischen Material ein laseraktives Material 18 beigemischt ist und die Metallelektrode 5 mehrere transparente Durchgänge 15 bzw. Öffnungen aufweist. Der in Fig. 5 in einer schematischen Darstellung gezeigte zweite optischen Interferenzfilter 27 des zweiten Lasers 20 umfasst zumindest,
- eine als Substrat ausgebildete erste Trägerschicht 1 ,
- eine erste Elektrode 2, die im Kontakt mit der ersten Trägerschicht 1 steht,
- einen dielektrischen ersten Spiegel 3, der im Kontakt mit der ersten Elektrode 2 steht,
- eine mit einem verstellbaren Freiraum 17 versehene transparente Resonatorschicht 6, die mit dem dielektrischen ersten Spiegel 3 im Kontakt steht,
- eine Metallelektrode 5, die mit der transparenten Resonatorschicht 6 im Kontakt steht und sich zwischen der transparenten Resonatorschicht 6 und dem Freiraum 17 befindet.
Die transparente Resonatorschicht 4 ist aus elastischem Material gebildet, wobei der Schichtstapel/die Aktuatorschicht 13 zwischen den Elektroden 2 und 5 mit den beiden beabstandeten Elektroden 2, 5 einen mit einstellbarer angelegter Spannung V betätigbaren Dünnschichtaktuator 14 darstellt, wobei das elastische Material mit einem in das elastische Material eingemischten laseraktiven Material 18, das das Wellenlängenspektrum nach einem optischem oder elektrischem Energiepumpen erzeugt, in Verbindung steht, wobei die Metallelektrode 5 mit transparenten Durchgängen 15 ausgebildet ist, der ein den Freiraum 17 begrenzender, dielektrischer zweiter Spiegel 11 gegenüberliegend zur Ausbildung eines Resonators 19 mit den Schichten 3-4-17-11 angeordnet ist, wobei bei eingestellter Spannung V sich die Durchgänge 15 zwischen der zweiten Elektrode 5 zunehmend mit elastischem Material füllt und somit die Resonatorschichtdicke in diesem Bereich verändert.
Der dielektrische zweite Spiegel 11 liegt der Metallelektrode 5 außerhalb des Dünnschichtaktuators 14 gegenüber, so dass zwischen beiden der Freiraum 17 vorhanden ist. Der Freiraum 17 kann durch eine senkrecht zum Dünnschichtaktuator 14 gerichtete Verschiebung 22 eingestellt, d.h. verkleinert oder vergrößert werden.
Der zweite dielektrische Spiegel 11 als Schicht des Resonators 19 kann dabei mit einer ortsveränderlichen zweiten Trägerschicht 12 in Verbindung stehen.
In Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines Schichtstapel-Aufbaus eines weiteren optischen Interferenzfilters 27 für einen dritten Laser 30 gezeigt, der zumindest umfasst
- eine als Substrat ausgebildete Trägerschicht 1 ,
- eine erste Elektrode 2, die im Kontakt mit der Trägerschicht 1 steht,
- einen dielektrischen ersten Spiegel 3, der im Kontakt mit der ersten Elektrode 2 steht,
- eine transparente Resonatorschicht 6, die mit dem dielektrischen ersten Spiegel 3 im Kontakt steht,
- eine Metallelektrode 5, die mit der transparenten Resonatorschicht 6 im Kontakt steht.
Die transparente Resonatorschicht 6 ist aus elastischem Material, auf dem sich eine Schicht 7 aus laseraktivem Material 18 befindet, wobei der Schichtstapel zwischen den Elektroden 2 und 5 mit den beiden Elektroden 2, 5 einen mit einstellbarer angelegter Spannung V betätigbaren n Dünnschichtaktuator 14 ausbildet, wobei das elastische Material mit dem laseraktiven Material 18, das das Wellenlängespektrum nach einem optischem oder elektrischem Energiepumpen erzeugt, in Verbindung steht,
wobei das laseraktive Material 18 als einzelne Schicht 7 einerseits mit der transparenten Resonatorschicht 6 aus elastischem Material und andererseits mit der Metallelektrode 5 in Verbindung steht und Teil des optischen Resonators 19 ist.
Damit ist im Schichtstapel-Aufbau eine Einzelschicht/Schicht 7 von laseraktivem Material im Anschluss an das elastische Material der Resonatorschicht 6 angebracht. Mit der Implementierung von Laserfarbstoff in den Resonator 19, entweder als Einzelschicht 7 oder als gleichmäßige Verteilung innerhalb der elastischen Resonatorschicht 4, kann jeweils ein elektrisch durchstimmbarer organischer Festkörperlaser 10, 20, 30 bei optischer Anregung des Laserfarbstoffs 18 über eine externe Pumplichtquelle oder eine elektrische Pumpquelle erzeugt werden.
Das laseraktive Material kann ein Laserfarbstoff sein, der entweder durch Beimischung bei der Herstellung des transparenten elastischen Materials durch gleichmäßige Durchmischung oder durch Bedampfung der elastischen transparenten Schicht 6 als Einzelschicht 7 mit dem Laserfarbstoff 18 eingebracht werden kann. Die Position der Schicht 7 kann wahlweise festgelegt werden.
Damit ist die eigentliche Laserquelle innerhalb des optischen Resonators 19 integriert vorhanden. Im Folgenden wird die Funktionsweise des ersten Lasers 10 unter Berücksichtigung des Resonators 19 und des Dünnschichtaktuators 14 als optischer Interferenzfilter 27 näher erläutert:
Der optische Resonator 19, d.h. ein planarer Fabry-Perot-Resonator mit Resonatorschichtdicken von einigen Hundert Nanometern bis Mikrometern, selektiert Wellenlängen λ abhängig von der Schichtdicke z der Schicht 6. Es werden nur diejenigen Moden der Wellenlänge λ transmittiert, welche die Resonanzbedingung
m X = 2 -n -/ - cos(0) (I) erfüllen, wobei m eine natürliche Zahl, n' der Brechungsindex der Resonatorschicht 6, / die für die eingestellte Resonanz erforderliche Resonatorlänge sind. Durch eine Deformation/Dickenänderung Δζ der physikalischen Schichtdicke z der formveränderbaren elastischen transparenten Resonatorschicht 6 infolge einer Änderung und Einstellung einer vorgegebenen Spannung V mit V +/- AV können die resonanten Moden mit der einstellbaren Resonatorlänge / +/- ΔΙ elektrisch durchgestimmt werden. Die transparenten Schichten 6 aus elastischem Material in Form z.B. von dielektrischen Elastomeren sind aufgrund ihrer hohen Transparenz sowie hohen mechanischen und thermischen Stabilität gut für den Einsatz in optischen Bauelementen geeignet. Für die Anwendung als optischer Resonator 9 werden dabei gelartige feste, reversibel formveränderbare, dielektrische Elastomere mit sehr geringem Elastizitätsmodul (Y < 20kPa) und hoher Viskosität eingesetzt. Die hohe Durchbruchsspannung Vz der Elastomere (V/z >10 kV/mm) ermöglicht einen Einsatz von Spannungen bis zu mehreren 100 V Spannung für Dünnschichtaktuatoren 14 mit Schichtdicken z von einigen Mikrometern.
Dem jeweiligen optischen Interferenzfilter 27 ist eine Spannungssteuereinheit 21 zugeordnet, wobei über Kontaktierungsanschlüsse in Form von elektrischen Leitungen 8, 9, die mit den jeweiligen Elektroden 2, 5 in Verbindung stehen, eine variierbare Spannung V an die Elektroden 2, 5 gelegt werden kann. Dabei ist die Spannung V wertabhängig derart vorgegeben, dass sie jeweils einer Wellenlänge λ oder einem Wellenlängenbereich ΔΑ eines den optischen Interferenzfilter 27 verlassenden Strahlenbündels 28, 29, die/der sich aus der Interferenz des von dem laseraktiven Material 18 ausgestrahlten Wellenlängenspektrums bei Resonanz im optischen Resonator 19 ergibt, entspricht. Aufgrund der Struktur der elastischen transparenten Aktuatorschicht 13 bzw. Resonatorschicht 6 werden Moden mit hoher optischer Güte in Abhängigkeit von der Schichtdicke z im Transmissionsspektrum bzw. Reflexionsspektrum erzeugt. Beim Anlegen der elektrischen Spannung V an die Elektroden 2, 5 wird das reversibel formveränderbare, elastische Material in Form z.B. eines Silikongels der transparenten Schicht 6 komprimiert Dadurch wird eine Änderung der optischen Weglänge ΔΙ im Resonator 19 erzeugt, welche z.B. eine aktuatorbedingte Verschiebung der optischen Resonanzen bewirkt. Durch die Relation zwischen Schichtdicke z und angelegter Spannung V ist es möglich, aus einem breiten Spektrum gezielt einzelne Wellenlängen λ mit hoher Auflösung zu selektieren.
Die Deformation der elastischen transparenten Resonatorschicht 6 bewirkt eine Verschiebung des Weiienlängenbandes ΔΑ im Wellenlängenspektrum des einfallenden Strahlenbündels, welche ein selektives Filtern von einzelnen Wellenlängen/Wellenlängenbändern in der Funktionsweise des Filters bei Transmission oder in der Funktionsweise des Filters bei Reflexion ermöglicht.
Durch das Anlegen einer Spannung V an die transparente Schicht 6 wird die im in Fig. 8a ohne Spannung dargestellten Dünnschichtaktuator 14 transparente Schicht 6, bestehend aus dem elastischem dielektrischem Elastomer, durch die elektrostatische Anziehung im elektrischen Feld E zwischen den Elektroden 2 und 5 gemäß Fig. 8b komprimiert. Der elektrostatische Druck p im elektrischen Feld E berechnet sich aus Ρ = ^0εΓΕ2 mit ε0 als elektrische Feldkonstante und εΓ als relative Permittivität.
Im Fall eines dem Plattenkondensator ähnlichen Aufbaus kann der elektrostatische Druck p zwischen den Elektroden 2, 5 gemäß der Druckschrift 5. Huang, C.-C, Liang, D., Shih, W.-P. & Lin, Z.-F.: Tunable lens driven by dielectric elastomer actuator with ionic electrodes, Micro Nano Lett. 9, 869-873 (2014) mittels der Gleichung (II)
Figure imgf000024_0001
ermittelt werden, wobei V die steuerbar angelegte Spannung und z die in Fig. 6a gezeigte physikalische Schichtdicke z der transparenten Schicht 6 des formveränderlichen Elastomers darstellen. Die Aktuationsvorgänge z -> z - Δζ ·> z erfolgen reversibel, so dass der Dünnschichtaktuator 14 nach Abschalten des elektrischen Feldes E bzw. der Spannung V in seine Ausgangskonfiguration, die in Fig. 8a gezeigt ist, zurückkehrt
Für eine kleine Auslenkung kann die Schichtdickenänderung Δζ des Dünnschichtaktuators 14 in der Konformation eines Plattenkondensators mit der Gleichung (III)
Figure imgf000025_0001
(III) beschrieben werden, wobei εο die elektrische Feldkonstante, εΓ die relative Permittivität, V die steuerbar angelegte Spannung, Y das Elastizitätsmodul und z<> die Ausgangsschichtdicke der elastischen transparenten Schicht 6 darstellen.
Die Abhängigkeit zwischen der Wellenlänge λ der resonanten Moden 28 und der optischen Resonatorlänge / der elastischen transparenten Schicht 6 ist exemplarisch in Fig. 10 für eine dünne transparente Schicht 6 von wenigen resonanten Moden 28, 29 und in Fig. 1 für eine dicke transparente Schicht 6 mit einer hohen Anzahl von resonanten Moden 28, 29 gezeigt. Für eine kleine Auslenkung kann die Deformation/Schichtdickenänderung Δζ eines Aktuators 14 in der Konformation eines Plattenkondensators mit der Gleichung (III)
Figure imgf000025_0002
beschrieben werden, wobei ε0 die elektrische Feldkonstante, εΓ die relative Permittivität, V die steuerbar angelegte Spannung, Y das Elastizitätsmodul und z0 die Ausgangsschichtdicke der elastischen transparenten Schicht 6 darstellen.
Die in Fig. 8b gezeigte Schichtdickenänderung Δζ der transparenten Schicht 6 erfolgt gemäß Gleichung (III) somit in einer quadratischen Abhängigkeit vom angelegten elektrischen Feld E. Die Relation der Schichtdickenänderung Δζ und somit der Wellenlänge λ der resonanten Moden 28 im Transmissionsspektrum bei angelegter Spannung V werden in Fig. 13 und Fig. 15 beispielhaft für zwei verschiedene Resonatoren 19 dargestellt. Die Fig. 12 zeigt das Verhältnis zwischen angelegter Spannung V und den Wellenlängen λ der resonanten Moden 28.
Die Amplitude der Schichtdickendeformation Δζ ist abhängig von Materialparametem wie der Permittivität εΓ und dem Elastizitätsmodul Y. Daher ist ein formveränderbarer Elastomer der transparenten Schicht 6 mit hoher Permittivität (εΓ > 2 für 100 kHz) und einem Elastizitätsmodul (Y < 20 kPa) zugeordnet. Durch das Aufbringen der Metallelektrode 5 auf die transparente Schicht 6 steigt das effektive Elastizitätsmodul des Dünnschichtaktuators 14 abhängig von der Schichtdicke des Metalls der zweiten Elektrode 5 und dessen Morphologie. Daher spielt auch das Material der Metallelektrode 5 sowie dessen Ausdehnung eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit des Dünnschichtaktuators 14.
An die in Fig. 3, Fig. 4 und Fig. 5 gezeigte Spannungssteuereinheit 21 können entweder eine konstante Spannung V, um eine konstante spektrale Verschiebung Δλ der resonanten Moden 28 zu erreichen, oder auch Spannungspulse angelegt werden. Alternativ dazu kann durch eine variierende Spannung V +/- AV ein alternierendes Spektrum λ +/- Δλ erzeugt werden. Für Letzteres allerdings gilt hierbei zu beachten, dass aufgrund des geringen E-Moduls Y des formveränderbaren Elastomers eine relativ lange Reaktionszeit t des Bauteils zu erwarten ist (t - einige Millisekunden). Daher ist nur eine Ansteuerung mit kleinen Frequenzen möglich.
Die optische Güte des jeweils eingesetzten Resonators 19 wird von der Reflektivität der beiden Spiegel 3, 11 bestimmt, d.h. von der Schichtanzahl des dielektrischen Spiegels 3 sowie Morphologie und Schichtdicke des Metallspiegels 11 an der Metallelektrode 5.
Für die Umsetzung eines erfindungsgemäßen elektrisch durchstimmbaren optischen Interferenzfilters 27 wird der Dünnschichtaktuator 14 mit den Eigenschaften eines optischen Resonators 19 kombiniert. Der elektrisch durchstimmbare optische Interferenzfilter 27 umfasst gemäß der Fig. 4 sowie der Fig. 9, 9a und 9b zumindest:
eine als Substrat ausgebildete Trägerschicht 1 ,
eine erste transparente Elektrode 2,
einen hoch reflektierenden Spiegel 3 (dielektrischer Spiegel, Metallspie- gel),
eine transparente Schicht 6 aus dielektrischem Elastomer,
eine flexible Metallschicht als zweite Elektrode 5 und einen hoch reflektierenden Spiegel 11 an der der elastischen transparenten Schicht 6 zugewandten Seite,
eine Filterhalterungseinrichtung 66 gemäß Fig. 4,
eine Spannungssteuereinheit 21 , die mit elektrischen Kontaktierungsan- schlüssen 8, 9 zur ersten Elektrode 2 und zur zweiten Elektrode 5 in Verbindung steht.
Zwischen dem dielektrischen Spiegel 3 auf der Oberseite der Elektrode 5 an der Unterseite der transparenten Schicht 6 und dem Metallspiegel 11 der beabstandeten Metallelektrode 5 zur Oberseite der Schicht 6 gerichtet ist der optische Resonator 19 mit Bezug auf die Elektroden 2 und 5 als Dünnschichtaktuator 14 ausgebildet. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung V an der transparenten ersten Elektrode 2 und an der Metallelektrode 5 kann die transparente Schicht 6 aus dielektrischem Elastomer komprimiert werden. Dadurch verringert sich die Schichtdicke z und deren Schichtdickenänderung Δζ und somit verschiebt sich das Spektrum der resonanten Moden 28 des Resonators 19 zu kleineren Wellenlängen. Abhängig von der Schichtdicke z kann der Interferenzfilter 27 für eine einzelne resonante Mode 26 oder mehrere resonanten Moden 28 fungieren. Im Fall einer einzelnen Mode 28 entspricht gemäß Fig. 10 die optische Dicke / der transparenten Schicht 6 der halben Wellenlänge A/2 der resonanten Mode 28. Bei dickeren transparenten Schichten 6 tritt eine Vielzahl von resonanten Wellenlängen A auf, wie in Fig. 11 gezeigt ist. Die Breite der resonanten Moden 28 ist abhängig von der optischen Güte des Resonators 19. Die optische Güte wird von der Reflektivität der beiden Spiegel 3, 11 bestimmt, d.h. von der Schichtanzahl des dielektrischen Spiegels 3 sowie Morphologie und Schichtdicke des Metallspiegels 11 an der Metallelektrode 5. In Fig. 9a und Fig. 9b besteht die Metallelektrode 5 aus mehreren unterteilten Metall-Kontaktstreifen. im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel angegeben.
Die technologische Umsetzung eines erfindungsgemäßen elektrisch durchstimm- baren Interferenzfilters 27 des Lasers 10 mittels des Dünnschichtaktuators 14 und des Resonators 19 mit dielektrischen Elastomeren erfolgt in einem kompakten monolithischen Bauteil in Schichtstapel-Zusammensetzung zumindest mit den folgenden Bestandteilen:
• einem Glassubstrat 1 als Trägerschicht,
• einer ersten Elektrode 2 aus einem leitfähigen transparenten Oxid, z.B.
Indiumzinnoxid ITO mit einer Schichtdicke von 90 nm,
• einem dielektrischen Spiegel 3 (DBR) mit einundzwanzig Schichten Titanoxid und Siliziumoxid, jeweils alternierend mit einer optischen Schichtdicke von K/4 der Designwellenlänge des Spiegels 3 bei 630 nm,
• einer transparenten Schicht 6 aus einem gelartigen festen, dielektrischen Elastomer mit einem Elastizitätsmodul unter 20 kPa und mit einer
Schichtdicke z von 3 pm bis 20 pm,
• einer zweiten Metallelektrode 5 aus Silber mit einer Schichtdicke von 20 nm bis 50 nm, mit einem Metallspiegel 11, der der transparenten Schicht 6 aus dem formveränderbaren Elastomer zugewandt ist, · einer Filterhalterungseinrichtung 66 und
• einer Spannungssteuereinheit 21 mit elektrischen Kontaktierungsan- schlüssen 8, 9 zu den Elektroden 2, 5.
Das Glassubstrat als Trägerschicht 1 mit den ITO-Kontakten der Elektrode 2 ist kommerziell erhältlich. Der dielektrische Spiegel 3 wird mittels physikalischer Gasphasenabscheidung auf dem Glassubstrat 1 abgeschieden. Das gelartige formveränderbare Elastomer, kommerziell erhältliches Gel 8100 von Nusil (Polydimethylsiloxan), besteht aus zwei flüssigen Komponenten, welche miteinander im Volumen-Verhältnis 1:1 vermischt und durch Rotationsbeschichtung auf dem dielektrischen Spiegel 3 abgeschieden werden. In dieser Erzeugungsphase des elastischen Materials kann das laseraktive Material 18 eingemischt werden. Nach der Abscheidung findet eine thermisch induzierte Vernetzungsreaktion zwischen den einzelnen Polymerketten statt, so dass sich eine gelartige, elastische, formveränderbare, aber feste Schicht herausbildet. Die Schichtdicke z des Elastomers 6 wird durch die Rotationsgeschwindigkeit maßgeblich bestimmt. In den gezeigten Ausführungsbeispielen werden Schichtdicken z von 5 pm bis 16 pm verwendet. Für Anwendung des elektrisch durchstimmbaren Interferenzfilters 27 des Lasers 10 mittels eines Dünnschichtaktuators 14 ist es möglich, Schichtdicken z von einigen Hundert Nanometern bis zu mehreren Mikrometern zu erzeugen. Dickere Aktuatorschichten müssen mit höheren Spannungen V betrieben werden. Das Spektrum weist in diesem Fall eine Vielzahl von resonanten Moden auf.
Der der Metallelektrode 5 zugeordnete Metallspiegel 11 auf der transparenten Schicht 6 kann durch thermisches Aufdampfen oder mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht werden. Die Wahl des Spiegelmaterials hat einen entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Interferenzfilters 27. Die Reflektivität und die Absorption des Metalls der zweiten Elektrode 5 haben Einfluss auf die optische Güte des Resonators 19. Für eine hohe optische Güte werden daher Metalle mit geringer Absorption und hoher Reflektivität im gewünschten Spektralbereich gewählt. Ebenso bewirkt die Metallelektrode 5 eine Versteifung des Elastomers, d.h. eine Anstieg des effektiven Elastizitätsmoduls des Bauteils. Je dicker die Metallschicht, desto größer der Einfluss der Elektrode 5 auf die Elastizität des reversibel formveränderbaren Elastomers. Im Gegenzug steigt die Reflektivität der Metallschicht des Spiegels 1 1 mit steigender Schichtdicke z. Für die genannte Anwendung erweisen sich Silberschichten im Bereich zwischen 20 nm und 50 nm als zweckmäßig. Das Transmissionsspektrum eines derartigen Resonators 19 ist exemplarisch in Fig. 14 gezeigt (Schichtstruktur: 50 nm Silber, 16 pm Schicht aus Elastomer, DBR, ITO 90 nm, Glassubstrat). Beim Anlegen einer Spannung V zwischen der unteren ersten ITO-Elektrode 2 und der zweiten Metallelektrode 5 wird das Elastomer 6 am Rand der zweiten Metailelektrode 5 deformiert. Durch die elektrostatische Anziehung zwischen den Elektroden 2, 5 wird das elastische Material unter der zweiten Elektrode 5 verdrängt und sammelt sich somit außerhalb der aktiven Fläche an. Das Volumen bleibt dabei konstant. Es tritt eine räumlich variierende Schichtdickenänderung Δζ mit einen Maximum (Bild oben) außerhalb der Fläche (Bild unten) und einem Minimum (Bild oben) innerhalb der Fläche (Bild unten) der Metallelektrode 5 auf, wie in Fig. 16a gezeigt ist.
Mitteis einer Strukturierung der Elektroden 2, 5 können verschiedene Auslenkungsmuster umgesetzt werden bzw. eine höhere Flexibilität der Elektroden 2, 5 erreicht werden, wie in der Druckschrift Rosset, Shea: Flexible and stretchable electrodes fbr dielectric elastomer actuators, Applied Physics A, Vol. 110, Issue 2, S. 281-307, 2013 beschrieben ist. Das ist exemplarisch in Fig. 16b gezeigt. Durch die Strukturierung der oberen Elektrode 5 als 90 ym breite Metalistreifen wird eine Deformation des elastischen Materials über die gesamte Elektrodenausdehnung erzielt. Durch die Auslenkung 67, 68 jeweils an den Elektrodenrändern, wie in Fig. 9b gezeigt, treten zwei zur Metallelektrode 5 (Bild unten) symmetrische Minima (Bild oben) auf und in der Mitte der elastischen transparenten Schicht 6 (Bild unten) wird die geringste Verformung des elastischen Materials erreicht. Aufgrund des entstandenen Profils ist die Wellenlänge λ der resonanten Mode 28 von der angelegten Spannung V und der Position des Interferenzfilters 27 abhängig.
Die Aktuation des elastischen Materials kann durch Impedanzspektroskopie nachgewiesen werden. Die Kapazität des Bauteils C0 kann als Plattenkondensator wie folgt mit Gleichung (IV) beschrieben werden:
_ e0er A
0 d
0 (IV)
mit εο die elektrische Feldkonstante, εΓ die relative Permittivität, A der Fläche des Kondensators und do = z0 der Dicke der transparenten Schicht 6. Aus der bekannten Abhängigkeit der Schichtdickenkompression Δζ als Schichtdicken- deformation zur angelegten Spannung V kann eine quadratische Beziehung der inversen Kapazität C'1 zur angelegten Spannung V mit folgender Gleichung (V) abgeleitet werden:
Figure imgf000031_0001
Die Fig. 7 zeigt die paraberförmige Variation der Kapazität C des Bauteils/Interferenzfilters 27 in Abhängigkeit von der angelegten Spannung V. Durch die Deformierung der transparenten Schicht 6 des Elastomers als elastisches Material steigt die Kapazität C des Bauteils invers quadratisch zur angelegten Spannung V.
Die beiden sich gegenüberliegenden Spiegel 3 und 11 können beidseitig als zueinander zugewandte Metallspiegel ausgebildet sein, was auch die Ausbildung eines flexiblen, biegsamen Interferenzfilters 27 möglich macht.
Die Trägerschicht 1 , 12 kann transparent und eine Glasschicht/Glassubstrat sein.
Das elastische Material kann ein dielektrischer Elastomer in Form eines Silikongels sein.
Die erste Elektrode 2 kann eine Indiumzinnoxid (ITO)-Elektrode sein.
Die zweite Elektrode 5 kann vorzugsweise eine Silberelektrode sein.
Die Trägerschicht 1, 12 kann als flexibles Substrat in Form von Folien mit aufgebrachter flexibler Elektrode 2 ausgebildet sein.
Bei der Funktionsweise des Interferenzfilters 27 der Laser 10, 20, 30 in Transmission des einfallenden Strahlenbündels können die erste Elektrode 2 und die Trägerschicht 1 transparent und bei der Funktionsweise des Interferenzfilters der Laser 10, 20, 30 in Reflexion des einfallenden Strahlenbündels können die erste Elektrode 2 und/oder die Trägerschicht 1 nicht durchlässig ausgebildet sein. Die Elektroden 2, 5 der Interferenzfilter 27 der Laser 10, 20, 30 können als
- Graphen,
- leitfähige Polymere,
- dünne transparente Metallschichten,
- dicke nicht transparente Metallschichten,
- leitfähiges Polymer durch Zusatz von leitfähigen Partikeln,
- leitfähige Nanodrähte
und Kombinationen aus den genannten Varianten ausgebildet sein.
Als transparente Resonatorschicht 6 kann elastisches Material wie dielektrische Elastomere, ferroelektrische Polymere, Flüssigkristalle, elektrostriktive Polymere, Hydrogele eingesetzt sein.
Folgende Zusammenfassung wird gegeben:
Ein Laser besteht im Wesentlichen aus den folgenden Bestandteilen, aus:
1. einem laseraktiven Material 18, bei dem Licht mit einer bestimmten
Wellenlänge bzw. Wellenlängenspektrum beim Durchgang durch dieses
Material durch den Prozess der stimulierten Emission verstärkt wird,
2. einer Pumpquelle, um das laseraktive Material 18 anzuregen, was elektrisch in Form einer das laseraktive Material 18 darstellenden Laserdiode oder optisch mittels Dioden, Lasern, Blitzlampen oder chemisch erfolgen kann,
3. einem optischen Resonator 19, der das Modenspektrum (Position, Schärfe und Form) durch Resonatorlänge und Resonatorform bestimmt.
Das Wellenlängenspektrum eines Lasers bei ausreichend hoher Pumpleistung 63 besteht aus einer Überlagerung des Emissionsspektrums des laseraktiven Materials und der resonanten Moden des Resonators 19.
Aus der Kombination des Laserresonators 19 und des Dünnschichtaktuators 14 aus elastischem Material zu einem erfindungsgemäßen optischen Interferenzfilter 27 können sich verschiedene Kombinationen aus Resonator 19 und Aktuator 14 sowie das Einbringen von mindestens einem laseraktiven Material 18 in den Interferenzfilter 27 ergeben:
1. das laseraktive Material 18 befindet sich im Elastomer 6 eingemischt
Durch das Anlegen einer Spannung V zwischen (transparenter) Elektrode und Metallspiegel-Elektrode ändern sich die Resonatorlänge und damit die Emissionswellenlänge, wobei der Laser 10, 20, 30 optisch gepumpt wird,
2. es kann eine separate laseraktive Schicht 7 im Resonator 19 eingebracht sein,
die in Form einer Leuchtdiode (organisch oder anorganisch) als elektrisch gepumptes laseraktives Material oder in Form von mindestens einer Schicht aus optisch gepumptem laseraktiven Material bestehen kann,
3. in Kombination mit einem externen hochreflektierenden Spiegel 11 als
externer Resonator mit
- strukturierter Metallelektrode in Kontaktstreifen
- laseraktivem Material 18 entweder in elastisches Material integriert nach Punkt 1. oder als separate Schicht 7 nach Punkt 2.,
- als Resonator wird die Struktur zwischen den zwei Spiegeln ohne Metall genutzt,
- beim Anlegen einer Spannung V zwischen der unteren Elektrode 2 und den Metallelektroden-Kontakten 5 wird das Elastomer in die freien Bereiche zwischen den Metallelektroden-Kontakten 2, 5 verdrängt, da das Volumen inkompressibel ist,
- Ausdehnen der Schichtdicke mit Δζ',
- aufgrund des höheren Brechungsindex nElaslomerdes dielektrischen
Elastomers im Vergleich zum Brechungsindex nHohlraum der Luft erhöht sich die optische Weglänge im Resonator l+Aloptisch
mit AlopHsch = (nElaslomer -ηΗΜηαιπι)-Δζ' , was zu einer aktuatorbedingten Verschiebung der resonanten Moden führt, Es können auch Laser mit mindestens einem anorganischen Halbleiter z.B. in Form von Ill-V-Halbleiter, Ill-Vl-Halbleitern als laseraktivem Material 18 ausgebildet sein. Es können auch Laser nach Punkt 1. mit zumindest einem organischen aktiven Medium z.B. für die Schicht 6 als Bemischung in das Elastomer
Rhodaminfarbstoffe z.B, Rhodamin B (9-(2-Carboxyphenyl)-3,6- bis(diethylamino)xanthyliumchlorid), Pyrromethene 567 (Difluoro{3-ethyl-5-[1-(4- ethyl-3,5-dimethyl-2W-pyrrol-2-ylidene-/v)ethyl]-2,4-dimethyl-1H-pyrrolato-N}boron) oder Pyrromethene 597 (Difluoro(4-(1 ,1-dimethylethyl)-2-{1-[4-(1 ,1-dimethylethyl)- 3,5-dimethyl-2H-pyrrol-2-ylidene-/y]ethyl}-3,5-dimethyl-1 Y-pyrrol-2-ylidene-/v]ethyl}- 3,5-dimethyl-1 V-pyrrolato-/v)boron) oder
für Laser 30 als separate Schicht 7 z.B. Alq3:DCM (Aluminium-tris(8- hydroxychinolin dotiert mit 4-(Dicyanomethyl)-2-methyl-6-(4-dimethyl-amino-styryl)- 4-H-pyran) ausgebildet sein.
Die genannten Laser 10, 20, 30 können sowohl optisch gepumpt als auch elektrisch gepumpt werden.
Bezugszeichenliste
1 erste Trägerschicht
2 erste Elektrode
3 dielektrischer Spiegel
4 transparente Schicht mit laseraktivem Material
5 flexible zweite Elektrode/Metallelektrode
6 Resonatorschicht aus elastischem Material
7 Schicht mit laseraktivem Material
8 erster Elektrodenanschluss
9 zweiter Elektrodenanschluss
10 erster Laser
11 zweiter dielektrischer Spiegel
12 zweite Tragerschicht
13 Aktuatorschicht/Schichtstapel
14 Dünnschichtaktuator
15 Durchgänge
17 Freiraum
18 laserakives Material
19 optischer Resonator
20 zweiter Laser
21 Spann ungssteuerein hei t
22 Verschiebung
24 Membran
25 luftgefüllte Kavität
26 Abstandhalter
27 optischer Interferenzfilter
28 resonante Mode/Wellenlängenband
29 resonante Mode/Wellenlängenband
30 dritter Laser
60 Laserresonator nach dem Stand der Technik 61 Pumpquelle 62 Detektor
63 Pumpenergie/Pumpleistung
64 emittiertes Wellenlängenband in Transmission
65 emittiertes Wellenlängenband in Reflexion
66 Filterhalterungseinrichtung
67 randseitige Auslenkung der elastischen Schicht
68 randseitige Auslenkung der elastischen Schicht 100 Laser nach dem Stand der Technik λ Wellenlänge
Δλ Wellenlängenbereich
V Spannung
z Schichtdicke der elastischen Schicht
Δζ Deformation/Schichtdickenänderung
I optische Dicke der transparenten Schicht
ΔΙ optische Dickenänderung der transparenten Schicht
Y Elastizitätsmodul
T Transmission

Claims

Patentansprüche
1. Laser (10, 20, 30), zumindest umfassend
- einen optischen Resonator (19) mit einer transparenten Resonatorschicht (6), die sich zwischen mindestens zwei Spiegeln (3, 11) befindet und die zur
Erzeugung mindestens eines sich bei einer definierten Resonatorlänge / ausbildenden resonanten Wellenlängenbandes Δλ (64, 65) aus einem durch den Aufbau des Resonators (19) bestimmten Wellenlängenbereich dient,
- ein laseraktives Material (18) zur Erzeugung des Wellenlängenbandes (64, 65) aus dem Wellenlängenspektrum, wobei sich das laseraktive Material (18) zumindest in einem Teil der Resonatorschicht (6) befindet,
- eine Pumpquelle zur Anregung des laseraktiven Materials (18),
wobei das emittierte Wellenlängenband (64, 65) des Lasers (10, 20, 30) bei einer bestimmten Pumpleistung (63) aus einer Überlagerung des Wellenlängenspektrums des laseraktiven Materials (18) und den resonanten Moden des Resonators (19) entsteht,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Resonator (19) zu einem Dünnschichtaktuator (14) gehört und der Dünnschichtaktuator (14) als Schichtstapel gemeinsam mit dem Resonator (19) einen optischen Interferenzfilter (27) ausbildet,
wobei der Dünnschichtaktuator (14) eine Aktuatorschicht (13) zwischen zwei an eine Spannungssteuereinheit (21) angeschlossenen, voneinander beabstandeten und mit der Aktuatorschicht (13) in Verbindung stehenden Elektroden (2, 5) aufweist,
wobei die Aktuatorschicht (13) zumindest einen Teil (4) der Resonatorschicht (6) bildet, die zumindest zum Teil aus elastischem, die Resonatorlänge / unter Spannung veränderndem Material besteht und
wobei das elastische Material reversibel formveränderbar und ein dielektrischer Elastomer ist.
2. Laser (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass er zumindest umfasst
- eine als Substrat ausgebildete erste Trägerschicht (1 ),
- eine erste Elektrode (2), die im Kontakt mit der ersten Trägerschicht (1) steht,
- einen dielektrischen ersten Spiegel (3), der im Kontakt mit der ersten Elektrode (2) steht,
- eine transparente Resonatorschicht (6), die mit dem dielektrischen erster Spiegel (3) im Kontakt steht,
- eine Metallelektrode (5), die mit der transparenten Resonatorschicht (6) im Kontakt steht, wobei der Metallelektrode (5) ein der transparenten Resonatorschicht (6) zugewandter Metalispiegel als zweiter Spiegel (11) zugeordnet ist,
wobei die transparente Resonatorschicht (6) aus elastischem Material gebildet ist, wobei die Elektroden (2, 5) sowie die Aktuatorschicht ( 3) in Form eines Schichtstapels zwischen den Elektroden (2, 5) einen mit einstellbarer angelegter Spannung V betätigbaren Dünnschichtaktuator (1 ) ausbildet, wobei das elastische Material der Resonatorschicht (6) mit einem in das elastische Material eingemischten laseraktiven Material (18) zu einer ausgebildeten Resonatorschicht (4), das ein Wellenlängenspektrum nach einem optischem oder elektrischem Energiepumpen erzeugt, in Verbindung steht.
Laser nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das laseraktive Material (18) dem elastischen Material gleichmäßig verteilt beigemischt ist.
Laser (20) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der optische Interferenzfilter (27) zumindest umfasst
- eine als Substrat ausgebildete erste Trägerschicht (1), - eine Elektrode (2), die im Kontakt mit der ersten Tragerschicht (1) steht,
- einen dielektrischen ersten Spiegel (3), der im Kontakt mit der Elektrode (2) steht,
- eine mit einem Freiraum (17) versehene transparente Resonatorschicht (6), die mit dem dielektrischen ersten Spiegel (3) im Kontakt steht,
- eine Metallelektrode (5), die mit der transparenten Resonatorschicht (6) im Kontakt steht und sich zwischen der transparenten Resonatorschicht (6) und dem Freiraum (17) befindet,
wobei die transparente Resonatorschicht (6) aus elastischem Material gebildet ist, wobei der Schichtstapel (13) zwischen den Elektroden (2, 5) mit den beiden beabstandeten Elektroden (2, 5) einen mit einstellbarer angelegter Spannung V betätigbaren Dünnschichtaktuator (14) darstellt, wobei das elastische Material mit einem in das elastische Material eingemischten laseraktiven Material (18), das ein Wellenlängenspektrum nach einem optischem oder elektrischem Energiepumpen erzeugt, in Verbindung steht, wobei die Metallelektrode (5) mit transparenten Durchgängen (15) ausgebildet ist, der ein den Freiraum (17) begrenzender, dielektrischer zweiter Spiegel (11) gegenüberliegend zur Ausbildung eines Resonators (19) mit den Schichten (3-4-17-11) angeordnet ist.
Laser nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der dielektrische zweite Spiegel (11) außerhalb des als Schichtstapel ausgebildeten Oünnschichtaktuators (14) der Metallelektrode (5) über den Freiraum (17) beabstandet gegenüberliegt, wobei der zwischen dem Spiegel (11) und der Metallelektrode (5) befindliche Freiraum (17) verstellbar ist.
Laser nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der dielektrische zweite Spiegel (11) als Schicht mit einer ortsveränderlichen zweiten Trägerschicht (12) in Verbindung steht.
7. Laser (30) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der optische Interferenzfilter (27) zumindest umfasst
- eine als Substrat ausgebildete erste Trägerschicht (1 ),
- eine erste Elektrode (2), die im Kontakt mit der ersten Trägerschicht (1) steht,
- einen dielektrischen ersten Spiegel (3), der im Kontakt mit der ersten Elektrode (2) steht,
- eine transparente Resonatorschicht (6), die mit dem dielektrischen ersten Spiegel (3) im Kontakt steht,
- eine Metallelektrode (5), die mit der transparenten Resonatorschicht (6) im Kontakt steht,
wobei die transparente Resonatorschicht (6) aus elastischem Material gebildet ist, wobei der Schichtstapel (13) zwischen den Elektroden (2, 5) mit den beiden Elektroden (2, 5) einen mit einstellbarer angelegter Spannung V betätigbaren Dünnschichtaktuator (14) ausbildet, wobei das elastische Material mit einem laseraktiven Material (18), das ein Wellenlängenspektrum nach einem optischem oder elektrischem Energiepumpen erzeugt, in Verbindung steht, wobei das laseraktive Material (18) als einzelne Schicht (7) einerseits mit der transparenten Resonatorschicht (6) aus elastischem Material und andererseits mit der Metallelektrode (5) in Verbindung steht und Teil des optischen Resonators (19) ist.
8. Laser nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das laseraktive Material (18) in den Resonatorschichten (6, 4) des elastischen Materials gleichmäßig verteilt beigemischt ist.
9. Laser nach den Ansprüchen 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Tragerschicht (1) und die zweite Trägerschicht (12) transparent und eine Glasschicht/Glassubstrat sind.
10. Laser nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der dielektrische Elastomer ein Silikongel ist.
11. Laser nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Elektrode (2) eine Indiumzinnoxid (ITO)-Elektrode ist.
12. Laser nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Elektrode (5) eine Silberelektrode ist.
13. Laser nach den Ansprüchen 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Trägerschicht (1 , 12) als flexibles Substrat in Form von Folien mit aufgebrachter flexibler Elektrode (2, 5) ausgebildet ist.
14. Laser nach den Ansprüchen 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet
dass bei der Funktionsweise des Lasers (10, 20, 30) in Transmission des einfallenden Strahlenbündels die erste Elektrode (2) und die Trägerschicht (1) transparent und bei der Funktionsweise des Lasers (10, 20, 30) in Reflexion des einfallenden Strahlenbündels die erste Elektrode (2) und/oder die Trägerschicht (1) nicht durchlässig ausgebildet sind.
15. Laser nach den Ansprüchen 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektroden (2, 5) des optischen Interferenzfilters (27) als - Graphen,
- leitfähige Polymere,
- dünne transparente Metallschichten,
- dicke nicht transparente Metallschichten,
- leitfähiges Polymer durch Zusatz von leitfähigen Partikeln,
- lettfähigen Nanodrähten
und Kombinationen aus den genannten Varianten ausgebildet sind.
16. Laser nach den Ansprüchen 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden sich gegenüberliegenden Spiegel (3, 11) beidseitig als zueinander zugewendete Metallspiegel ausgebildet sind.
17. Laser nach den Ansprüchen 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass als transparente Resonatorschicht (6) elastisches Material wie dielektrische Elastomere, ferroelektrische Polymere, Flüssigkristalle, elektrostriktive Polymere, Hydrogele eingesetzt ist.
18. Laser nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass Laser mit mindestens einem anorganischen Halbleiter, insbesondere einem lll-V- oder Ill-Vl-Halbleiter als laseraktivem Material (18) ausgebildet sind.
19. Laser nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit zumindest einem organischen laseraktiven Material (18) für die
Schicht (6) als Bemischung in das dielektrische Elastomer Rhodaminfarbstoffe z.B. Rhodamin B (9-(2-Carboxyphenyl)-3,6-bis(diethylamino)xanthyliumchlorid), Pyrromethene 567 (Difluoro{3-ethyl-5-[1 -(4-ethyl-3,5-dimethyl-2tf-pyrrol-2- ylidene-A/)ethyl]-2,4-dimethyl-1H-pyrrolato-N}boron) oder Pyrromethene 597 (Difluoro(4-(1 ,1-dimethylethyl)-2-{1-[4-(1,1-dimethylethyl)-3,5-dimethyl-^ pyrrol-2-ylidene-A/Jethyl^3,5-dimethyl-1W^yrro^^
1W-pyriOlato-A7)boron) oder
für Laser (30) als separate Schicht (7) z.B. Alq3:DCM (Aluminium-tris(8- hydroxychinolin dotiert mit 4-(Dicyanomethyl)-2-methyl-6-(4-dimethyl-amino- styryl)-4-H-pyran) ausgebildet sind.
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