WO2017036809A1 - Plattenförmiger laseraktiver festkörper mit einem kristallinen hochreflektierenden spiegel und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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    • H01S3/0623—Antireflective [AR]

Definitions

  • the invention relates to a plate-shaped laser-active solid, in particular a laser disk of a disk laser, with two opposite sides of the plate, wherein on one of the two sides of the plates, a highly reflective mirror for reflecting a laser beam generated in the laser solid solid is arranged, as well as a method for producing such plate-shaped laser-active solid.
  • EP 1 178 579 A2 and EP 1 213 801 A2 show typical disk lasers with a laser disk. Since the heat generated in the disk laser during the generation of laser radiation is dissipated by the rear-side highly reflecting mirror from the laser disk, the thermal conductivity by the known highly reflective mirror, however, is less than 1 W / mK, this leads to heat accumulation on the back of the disk and a limitation of the achievable laser power.
  • the object of the present invention in a plate-shaped laser-active solid of the type mentioned to improve the removal of the resulting in the generation of laser radiation in the laser-active solid heat through the rear-side highly reflective mirror from the laser-active solid.
  • the highly reflective mirror is formed as a crystalline layer stack, which is formed by a plurality of alternately first and second crystalline layers, in particular crystalline semiconductor layers, which have different refractive indices.
  • the highly reflective mirror is formed by a crystalline layer stack, which has a significantly higher thermal conductivity compared to a dielectric layer stack and thus enables a higher heat dissipation through the layer stack.
  • the crystalline layer stack may comprise, for example, 100 or more crystalline layers, ie 50 pairs of alternating first and second crystalline layers.
  • EP 2 607 935 A1 discloses epitaxially grown and subsequently transferred crystalline highly reflecting Bragg mirrors in the form of a crystalline layer stack, which is formed by a plurality of alternately first and second crystalline semiconductor layers each having different refractive indices is formed, known, however, neither in connection with laser-active materials nor in conjunction with improved heat conduction.
  • the first and second crystalline layers are formed by binary, ternary or quaternary compounds of III-V semiconductors or II-VI semiconductors, that is, for example, by arsenides such as Al x Gai -x As (where 0 ⁇ x ⁇ 1 where x is different for the first and second layers), or by nitrides.
  • the thermal conductivity through the crystalline layer stack is preferably at least 1 W / mK, particularly preferably at least 5 W / mK.
  • the crystalline layer stack is preferably grown epitaxially directly on the one side of the plate.
  • the crystalline layer stack is preferably bonded to one side of the plate by bonding (eg chemical bonding, diffusion bonding, laser-welded impregnation) and can-due to its production-be remote from the laser-active solid Stack side still be connected to a substrate or a ⁇ tzstop harsh.
  • the other plate side of the plate-shaped laser-active solid can advantageously be provided with an antireflection coating.
  • the crystalline layer stack is in thermal contact with a heat sink on its side facing away from the laser-active solid stack side.
  • the crystalline layer stack may be attached to the heat sink.
  • the invention also relates to a laser amplifier arrangement, in particular a solid-state or disk laser, with a highly reflective mirror in the form a plate-shaped laser-active solid formed as above.
  • the highly reflective mirror can also reflect a passing through the laser-active solid pump radiation in addition to the laser radiation.
  • the invention also relates to a method for producing a plate-shaped laser-active solid as formed above, according to the invention
  • the crystalline layer stack is grown on one side of the plate laser active solid, in particular epitaxially grown, or
  • the crystalline layer stack is bonded with one of its two stack sides to one side of the plate of the laser-active solid.
  • an antireflection coating can be applied to the other side of the plate-shaped laser-active solid, e.g. by electron beam evaporation, ion beam-assisted deposition (IAD) or sputtering (magnetron sputtering or IBS: Ion Beam Sputtering).
  • the crystalline layer stack is produced elsewhere, ie without the laser-active solid.
  • the crystalline layer stack is for this purpose deposited on a base substrate or on an etch stop layer of a base substrate, e.g. grown epitaxially. Before bonding the crystalline layer stack, the substrate is advantageously reduced in thickness or completely removed.
  • the base substrate is etched away, with the etch stop layer protecting the crystalline layer stack and remaining on the back surface of the mirror structure.
  • the etch stop layer protecting the crystalline layer stack and remaining on the back surface of the mirror structure.
  • an antireflection coating can be applied to the other side of the laser-active solid, eg by electron beam evaporation, ion beam assisted deposition (IAD) or cathode sputtering (Magnetron sputtering or IBS: ion beam sputtering).
  • IAD ion beam assisted deposition
  • IBS cathode sputtering
  • an auxiliary substrate may advantageously be bonded to the other side of the laser-active solid coated with the antireflection coating prior to bonding the crystalline layer stack. This auxiliary substrate should only serve to keep a plane curved by the previously applied antireflection coating plate-shaped laser-active solid when bonding the crystalline layer stack plan.
  • the auxiliary substrate should only (if necessary) correct the shape of the plate-shaped laser-active solid.
  • the auxiliary substrate allows easier handling of the laser-active solid, since the auxiliary substrate can be handled without hesitation. After bonding the crystalline layer stack, the auxiliary substrate is removed again.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a laser-active according to the invention
  • FIGS. 2a-2b a first method for producing the laser-active solid according to the invention shown in FIG. 1;
  • FIGS. 3a-3b show a second method for producing the laser-active solid according to the invention shown in FIG. 1;
  • FIGS. 5a-5c show a first method for producing the laser-active solid according to the invention shown in FIG. 4;
  • FIGS. 6a-6c show a second method for producing the laser-active solid according to the invention shown in FIG. 4;
  • FIGS. FIGS. 7a-7c show a third method for producing the laser-active solid according to the invention shown in FIG. 4;
  • the plate-shaped laser-active solid body 1 shown in Figure 1 (for example, of Yb: YAG, Yb: YLF, Yb: Lu 2 O 3, Yb: LuAG, Yb: cAlgo, Nd: YAG or Nd: YVO4), for example a laser disk of a disk laser and has two mutually opposite plate sides 2, 3.
  • the lower plate side 2 in FIG. 1 has a highly reflecting mirror 4 for reflecting a laser radiation generated in the laser-active solid 1.
  • the high-reflection mirror 4 is formed as a crystalline layer stack 5 formed by a plurality of alternately first and second crystalline semiconductor layers 6, 7 having different refractive indices.
  • the crystalline layer stack 5 may have, for example, 100 or more semiconductor layers 6, 7, ie 50 pairs of alternating first and second semiconductor layers 6, 7.
  • the first and the second crystalline semiconductor layers 6, 7 may be formed, for example, by binary, ternary or quaternary compounds of III-V semiconductors or II-VI semiconductors, that is, for example, by arsenides, such as Al x Gai -x As (with 0 ⁇ x ⁇ 1, where x is different for the first and second layers), or by nitrides.
  • the thermal conductivity through the crystalline layer stack 5 is advantageously at least 5 W / mK.
  • the semiconductor layers 6, 7 may be grown directly epitaxially on the lower side of the plate 2.
  • the top side 3 of the laser-active solid 1 which is upper in FIG. 1 is provided with an antireflection coating 8.
  • a first method for producing the laser-active solid 1 shown in FIG. 1 is shown.
  • the crystalline layer stack 5 is applied to the lower plate side 2 of the laser-active solid 1 by alternately growing a semiconductor layer 6 and a semiconductor layer 7 epitaxially, for example, until the desired number of semiconductor layers 6, 7 are obtained. is enough.
  • a first method step (FIG. 3 a) the upper plate side 3 of the laser-active solid 1 is provided with the antireflection coating 8.
  • the crystalline layer stack 5 is applied to the lower plate side 2 of the laser-active solid 1 by alternately growing a semiconductor layer 6 and a semiconductor layer 7 epitaxially until the desired number of semiconductor layers 6, 7 are reached is.
  • the plate-shaped laser-active solid 1 shown in Fig. 4 differs only in that here the crystalline layer stack 5 with the lower plate side 2 by bonding (eg chemical bonding, wringing, diffusion bonding, laser welded blasting) is connected.
  • the bonding compound is used in particular when the crystal structures of the laser-active solid 1 and the layers 6, 7 are too different, so that a - eg epitaxial - growing directly on the laser-active solid 1 is not possible.
  • the crystalline layer stack may still include a substrate 9 (in the case of an Al x Ga As -x ski clarification Apels for example, a GaAs substrate), or a stack 5 ⁇ tzstoplage 10 on its side remote of the laser-active solid. 1
  • a first method for producing the laser-active solid 1 shown in FIG. 4 is shown.
  • the crystalline layer stack 5 is epitaxially applied to a suitable substrate (eg GaAs substrate) 9 by, for example, epitaxially growing a semiconductor layer 7 and a semiconductor layer 6 until the desired number of semiconductor layers 6, 7 is reached.
  • a suitable substrate eg GaAs substrate
  • the thickness of the substrate 9 is mechanically and / or chemically reduced.
  • the substrate 9 is so far
  • the crystalline layer stack 5 can be transferred as a thin layer on the laser-active solid 1.
  • a third method step (FIG. 5 c) the lower plate side 2 of the laser-active solid 1 and the stack side of the crystalline layer stack 5 facing away from the substrate 9 are then connected to one another by bonding.
  • the upper plate side 3 of the laser-active solid 1 can be coated either only after the bottom or, as shown, even before the bonding with the antireflection coating 8.
  • the crystalline layer stack 5 is coated onto an etch stop layer 10 (e.g., about 250 nm AIGaAs), e.g. epitaxially grown in turn onto a suitable base substrate (e.g., GaAs substrate) 9 e.g. has been epitaxially grown.
  • an etch stop layer 10 e.g., about 250 nm AIGaAs
  • a suitable base substrate e.g., GaAs substrate
  • the base substrate 9 is etched away, with the etching stop layer 10 protecting the mirror and remaining on the rear side of the mirror structure.
  • the etching stop layer 10 it is also possible to completely remove the etch stop layer 10 or to install it as a crystalline semiconductor layer in the crystalline layer stack 5.
  • a third method step (FIG. 6c) the lower plate side 2 of the laser-active solid 1 and the stack side of the crystalline layer stack 5 are then bonded together by bonding.
  • the upper plate side 3 of the laser-active solid 1 can be coated either only after the bottom or, as shown, even before the bonding with the antireflection coating 8.
  • the upper plate side 3 of the laser-active solid 1 has been coated with the antireflection coating 8 before the bonding, this can lead to a curvature of the laser-active solid 1 with a radius of curvature of several meters, as shown greatly exaggerated in FIG. 7a.
  • a planar auxiliary substrate 1 1 is first bonded to the curved upper side 3 of the laser-active solid 1 provided with an antireflection coating 8 by wringing, thereby reversing the curvature.
  • the auxiliary substrate 1 1 is only intended to keep the plate-shaped laser-active solid 1 before or during the bonding of the crystalline layer stack 5 plan.
  • the auxiliary substrate 10 also enables easier handling of the laser-active solid 1, since the auxiliary substrate 10 can be handled without hesitation.
  • FIG. 8 shows a laser amplifier arrangement 20 with the laser-active solid 1, for example as a solid-state or disk laser.
  • the rear-side crystalline layer stack 5 of the laser-active solid 1 forms the highly reflective mirror 4 and another mirror 21 the coupling-out mirror of a laser resonator for a laser amplification field 22.
  • the laser-active solid 1 is not only penetrated by the laser amplification field 22 but also by a pump light radiation field 23. which excites the laser-active solid 1.
  • the crystalline layer stack 5 is in thermal contact with a heat sink 24 on its side facing away from the laser-active solid 1.
  • the end mirror in a simple linear resonator as shown in FIG - Solid solid 1 can also be used as a folding mirror in more complex resonators.

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Abstract

Bei einem plattenförmigen laseraktiven Festkörper (1), insbesondere Laserscheibe, mit zwei einander gegenüberliegenden Plattenseiten (2, 3), wobei an einer der beiden Plattenseiten (2, 3) ein hochreflektierender Spiegel (4) zum Reflektieren einer im laseraktiven Festkörper (1) erzeugten Laserstrahlung angeordnet ist, ist der hochreflektierende Spiegel (4) erfindungsgemäß als ein kristalliner Schichtstapel (5) ausgebildet, der durch eine Mehrzahl von abwechselnd ersten und zweiten kristallinen Schichten (6, 7), insbesondere kristallinen Halbleiterschichten, gebildet ist, welche unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen.

Description

Plattenformiger laseraktiver Festkörper mit einem kristallinen hochreflektierenden
Spiegel und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen plattenformigen laseraktiven Festkörper, insbesondere eine Laserscheibe eines Scheibenlasers, mit zwei einander gegenüberliegenden Plattenseiten, wobei an einer der beiden Plattenseiten ein hochreflektierender Spiegel zum Reflektieren einer im laseraktiven Festkörper erzeugten Laserstrah- lung angeordnet ist, sowie auch ein Verfahren zum Herstellen eines solchen plattenformigen laseraktiven Festkörpers.
Es sind Laserscheiben für Scheibenlaser bekannt, bei denen an der Scheibenrückseite ein hochreflektierender Spiegel in Form von gesputterten dielektrischen Beschichtungen angeordnet ist. In EP 1 178 579 A2 und EP 1 213 801 A2 sind typische Scheibenlaser mit einer Laserscheibe gezeigt. Da die im Scheibenlaser bei der Erzeugung von Laserstrahlung entstehende Wärme durch den rückseitigen hochreflektierenden Spiegel aus der Laserscheibe abgeführt wird, die Wärmeleit- fähigkeit durch den bekannten hochreflektierenden Spiegel allerdings kleiner als 1 W/mK ist, führt dies zu einem Wärmestau an der Scheibenrückseite und zu einer Limitierung der erreichbaren Laserleistung.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem platten- förmigen laseraktiven Festkörper der eingangs genannten Art die Abführung der bei der Erzeugung von Laserstrahlung im laseraktiven Festkörper entstehenden Wärme durch den rückseitigen hochreflektierenden Spiegel aus dem laseraktiven Festkörper zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der hochreflektierende Spiegel als ein kristalliner Schichtstapel ausgebildet ist, der durch eine Mehrzahl von abwechselnd ersten und zweiten kristallinen Schichten, insbesondere kristallinen Halbleiterschichten, gebildet ist, welche unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen.
Erfindungsgemäß ist der hochreflektierende Spiegel durch einen kristallinen Schichtstapel gebildet, der im Vergleich zu einem dielektrischen Schichtstapel eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist und somit eine höhere Wärmeableitung durch den Schichtstapel ermöglicht. Dadurch können Scheibenlaser bei geringerer Kristalltemperatur und/oder höherer Ausgangsleistung betrieben werden, und bei gleicher Scheibentemperatur kann die Laserleistung um bis zu 50% gesteigert werden. Der kristalline Schichtenstapel kann beispielsweise 100 oder mehr kristalline Schichten, also 50 Paare von abwechselnd ersten und zweiten kristallinen Schichten aufweisen.
Aus der EP 2 607 935 A1 sind epitaktisch gewachsene und anschließend transferierte kristalline hochreflektierende Bragg-Spiegel in Form eines kristallinen Schichtstapels, der durch eine Mehrzahl von abwechselnd ersten und zweiten kristallinen Halbleiterschichten mit jeweils unterschiedlichen Brechungsindizes gebildet ist, bekannt, allerdings weder in Verbindung mit laseraktiven Materialien noch in Verbindung mit verbesserter Wärmeleitung.
Vorzugsweise sind die ersten und die zweiten kristallinen Schichten durch binäre, ternäre oder quarternäre Verbindungen von Ill-V-Halbleitern oder Il-Vl-Halbleitern gebildet, also beispielsweise durch Arsenide, wie z.B. AlxGai-xAs (mit 0<x<1 , wobei x für die ersten und die zweiten Schichten unterschiedlich ist), oder durch Nitride. Damit an der Scheibenrückseite kein Wärmestau auftritt, der die erreichbare Laserleistung limitiert, beträgt die Wärmeleitfähigkeit durch den kristallinen Schichtstapel bevorzugt mindestens 1 W/mK, besonders bevorzugt mindestens 5 W/mK.
In einer Ausführungsform, insbesondere bei passender Kristallstruktur des laser- aktiven Festkörpers und der kristallinen Schichten, ist der kristalline Schichtstapel vorzugsweise direkt auf der einen Plattenseite epitaktisch aufgewachsen. In einer anderen Ausführungsform, insbesondere bei nichtpassender Kristallstruktur des laseraktiven Festkörpers und der kristallinen Schichten, ist der kristalline Schichtstapel mit der einen Plattenseite vorzugsweise durch Bonding (z.B. chemisches Bonden, Diffusionsbonden, laserverschweißte Ansprengung) verbunden und kann - herstellungsbedingt - auf seiner dem laseraktiven Festkörper abgewandten Stapelseite noch mit einem Substrat oder einer Ätzstopschicht verbunden sein.
Die andere Plattenseite des plattenförmigen laseraktiven Festkörpers kann vorteil- haft mit einer Antireflexbeschichtung versehen sein.
Zur Abführung der bei der Erzeugung von Laserstrahlung im laseraktiven Festkörper entstehenden Wärme steht der kristalline Schichtstapel auf seiner dem laseraktiven Festkörper abgewandten Stapelseite in thermischem Kontakt mit einem Kühlkörper. Beispielsweise kann der kristalline Schichtstapel an dem Kühlkörper befestigt sein.
Die Erfindung betrifft auch eine Laserverstärkeranordnung, insbesondere einen Festkörper- oder Scheibenlaser, mit einem hochreflektierenden Spiegel in Form eines wie oben ausgebildeten plattenförmigen laseraktiven Festkörpers. Dabei kann der hochreflektierende Spiegel zusätzlich zur Laserstrahlung auch eine durch den laseraktiven Festkörper hindurchgehende Pumpstrahlung reflektieren. Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein Verfahren zum Herstellen eines wie oben ausgebildeten plattenförmigen laseraktiven Festkörpers, wobei erfindungsgemäß
(a) der kristalline Schichtstapel auf der einen Plattenseite des laseraktiven Festkörpers aufgewachsen wird, insbesondere epitaktisch aufgewachsen wird, oder
(b) der kristalline Schichtstapel mit einer seiner beiden Stapelseiten an die eine Plattenseite des laseraktiven Festkörpers gebondet wird.
In Variante (a) kann vor oder nach dem Aufwachsen des kristallinen Schichtsta- pels eine Antireflexbeschichtung auf die andere Plattenseite des plattenförmigen laseraktiven Festkörpers aufgebracht werden, z.B. durch Elektronenstrahlver- dampfung, lonenstrahlgestützte Deposition (IAD: Ion beam-assisted deposition) oder Kathodenzerstäubung (Magnetronsputtern oder IBS: Ion Beam Sputtering). In Variante (b) wird der kristalline Schichtstapel andernorts, also ohne den laseraktiven Festkörper, hergestellt. Vorzugsweise wird der kristalline Schichtstapel dazu auf einem Grundsubstrat oder auf einer Ätzstoplage eines Grundsubstrats z.B. epitaktisch aufgewachsen. Vor dem Bonden des kristallinen Schichtstapels wird das Substrat vorteilhafterweise in der Dicke reduziert oder vollständig entfernt. Im letzteren Fall wird das Grundsubstrat weggeätzt, wobei die Ätzstopschicht den kristallinen Schichtstapel schützt und auf der Rückseite der Spiegelstruktur zurückbleibt. Alternativ ist es aber auch möglich, die Ätzstopschicht vollständig zu entfernen oder als kristalline Halbleiterschicht in den kristallinen Schichtstapel einzubauen.
In Variante (b) kann vor oder nach dem Bonden des kristallinen Schichtstapels eine Antireflexbeschichtung auf die andere Plattenseite des laseraktiven Festkörpers aufgebracht werden, z.B. durch Elektronenstrahlverdampfung, lonenstrahlgestützte Deposition (IAD: Ion beam-assisted deposition) oder Kathodenzerstäubung (Magnetronsputtern oder IBS: Ion Beam Sputtering). Für den Fall einer vor dem Bonden aufgebrachten Antireflexbeschichtung kann vor dem Bonden des kristallinen Schichtstapels vorteilhaft ein Hilfssubstrat auf die mit der Antireflexbeschichtung beschichtete andere Plattenseite des laseraktiven Festkörpers gebondet werden. Dieses Hilfssubstrat soll nur dazu dienen, einen durch die vorher aufgebrachte Antireflexbeschichtung gekrümmten plattenförmigen laseraktiven Festkörper beim Bonden des kristallinen Schichtstapels plan zu halten. Das Hilfssubstrat soll nur (falls nötig) die Form des plattenförmigen laseraktiven Festkörpers korrigieren. Das Hilfssubstrat ermöglicht eine leichtere Handhabung des laseraktiven Festkörpers, da das Hilfssubstrat bedenkenlos angefasst werden kann. Nach dem Bonden des kristallinen Schichtstapels wird das Hilfssubstrat wieder entfernt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen laseraktiven
Festkörpers mit einem hochreflektierenden Spiegel in Form eines kristallinen Schichtstapels;
Fign. 2a-2b ein erstes Verfahren zum Herstellen des in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen laseraktiven Festkörpers;
Fign. 3a-3b ein zweites Verfahren zum Herstellen des in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen laseraktiven Festkörpers;
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen laseraktiven
Festkörpers mit einem hochreflektierenden Spiegel in Form eines kristallinen Schichtstapels;
Fign. 5a-5c ein erstes Verfahren zum Herstellen des in Fig. 4 gezeigten erfindungsgemäßen laseraktiven Festkörpers; Fign. 6a-6c ein zweites Verfahren zum Herstellen des in Fig. 4 gezeigten erfindungsgemäßen laseraktiven Festkörpers;
Fign. 7a-7c ein drittes Verfahren zum Herstellen des in Fig. 4 gezeigten erfindungsgemäßen laseraktiven Festkörpers; und
Fig. 8 einen Scheibenlaser mit einem erfindungsgemäßen laseraktiven
Festkörper.
Der in Fig. 1 gezeigte plattenförmige laseraktive Festkörper 1 (z.B. aus Yb:YAG, Yb:YLF, Yb:Lu2O3, Yb:LuAG, Yb:CALGO, Nd:YAG oder Nd:YVO4) ist beispielsweise eine Laserscheibe eines Scheibenlasers und weist zwei einander gegenüberliegende Plattenseiten 2, 3 auf.
Die in Fig. 1 untere Plattenseite 2 weist einen hochreflektierenden Spiegel 4 zum Reflektieren einer im laseraktiven Festkörper 1 erzeugten Laserstrahlung auf. Der hochreflektierende Spiegel 4 ist als ein kristalliner Schichtstapel 5 ausgebildet, der durch eine Mehrzahl von abwechselnd ersten und zweiten kristallinen Halbleiterschichten 6, 7 gebildet ist, welche unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Der kristalline Schichtenstapel 5 kann beispielsweise 100 oder mehr Halbleiter- schichten 6, 7, also 50 Paare von abwechselnd ersten und zweiten Halbleiterschichten 6, 7 aufweisen. Die ersten und die zweiten kristallinen Halbleiterschichten 6, 7 können beispielsweise durch binäre, ternäre oder quarternäre Verbindungen von Ill-V-Halbleitern oder Il-Vl-Halbleitern gebildet sein, also beispielsweise durch Arsenide, wie z.B. AlxGai-xAs (mit 0<x<1 , wobei x für die ersten und die zweiten Schichten unterschiedlich ist), oder auch durch Nitride. Die Wärmeleitfähigkeit durch den kristallinen Schichtstapel 5 beträgt vorteilhafterweise mindestens 5 W/mK. Bei passender Kristallstruktur des laseraktiven Festkörpers 1 und der Halbleiterschichten 6, 7 können die Halbleiterschichten 6, 7 direkt epitaktisch auf die untere Plattenseite 2 aufgewachsen sein. Die in Fig. 1 obere Plattenseite 3 des laseraktiven Festkörpers 1 ist mit einer Antireflexbeschichtung 8 versehen.
In Fign. 2a-2b ist ein erstes Verfahren zum Herstellen des in Fig. 1 gezeigten laseraktiven Festkörpers 1 gezeigt. In einem ersten Verfahrensschritt (Fig. 2a) wird der kristalline Schichtstapel 5 auf der unteren Plattenseite 2 des laseraktiven Festkörpers 1 aufgebracht, indem abwechselnd eine Halbleiterschicht 6 und eine Halbleiterschicht 7 z.B. epitaktisch aufgewachsen werden, bis die gewünschte Anzahl an Halbleiterschichten 6, 7 er- reicht ist.
Abschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt (Fig. 2b) die obere Plattenseite 3 des laseraktiven Festkörpers 1 mit einer Antireflexbeschichtung 8 versehen. In Fign. 3a-3b ist ein zweites Verfahren zum Herstellen des in Fig. 1 gezeigten laseraktiven Festkörpers 1 gezeigt.
In einem ersten Verfahrensschritt (Fig. 3a) wird die obere Plattenseite 3 des laseraktiven Festkörpers 1 mit der Antireflexbeschichtung 8 versehen.
Abschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt (Fig. 3b) der kristalline Schichtstapel 5 auf der unteren Plattenseite 2 des laseraktiven Festkörpers 1 aufgebracht, indem abwechselnd eine Halbleiterschicht 6 und eine Halbleiterschicht 7 z.B. epitaktisch aufgewachsen werden, bis die gewünschte Anzahl an Halbleiterschichten 6, 7 erreicht ist. Vom laseraktiven Festkörper der Fig. 1 unterscheidet sich der in Fig. 4 gezeigte plattenförmige laseraktive Festkörper 1 lediglich dadurch, dass hier der kristalline Schichtstapel 5 mit der unteren Plattenseite 2 durch Bonding (z.B. chemisches Bonden, Ansprengen, Diffusionsbonden, laserverschweißte Ansprengung) verbunden ist. Die Bondingverbindung wird insbesondere dann eingesetzt, wenn die Kristallstrukturen des laseraktiven Festkörpers 1 und der Schichten 6, 7 zu unterschiedlich sind, so dass ein - z.B. epitaktisches - Aufwachsen direkt auf dem laseraktiven Festkörper 1 nicht möglich ist. Zusätzlich kann der kristalline Schichtstapel 5 auf seiner dem laseraktiven Festkörper 1 abgewandten Stapelseite noch ein Substrat 9 (im Fall eines AlxGai-xAs-Schichstapels z.B. ein GaAs-Substrat) oder eine Ätzstoplage 10 aufweisen.
In Fign. 5a-5d ist ein erstes Verfahren zum Herstellen des in Fig. 4 gezeigten laseraktiven Festkörpers 1 gezeigt. In einem ersten Verfahrensschritt (Fig. 5a) wird der kristalline Schichtstapel 5 auf ein geeignetes Substrat (z.B. GaAs-Substrat) 9 epitaktisch aufgebracht, indem abwechselnd eine Halbleiterschicht 7 und eine Halbleiterschicht 6 z.B. epitaktisch aufgewachsen werden, bis die gewünschte Anzahl an Halbleiterschichten 6, 7 er- reicht ist.
In einem zweiten Verfahrensschritt (Fig. 5b) wird die Dicke des Substrats 9 mechanisch und/oder chemisch reduziert. Das Substrat 9 wird also soweit
abgedünnt, dass der kristalline Schichtstapel 5 als dünne Schicht auf den laseraktiven Festkörper 1 transferiert werden kann.
In einem dritten Verfahrensschritt (Fig. 5c) werden dann die untere Plattenseite 2 des laseraktiven Festkörpers 1 und die dem Substrat 9 abgewandte Stapelseite des kristallinen Schichtstapels 5 miteinander durch Bonding verbunden. Dabei kann die obere Plattenseite 3 des laseraktiven Festkörpers 1 entweder erst nach dem Boden oder, wie gezeigt, schon vor dem Bonden mit der Antireflexbeschich- tung 8 beschichtet werden.
In Fign. 6a-6c ist ein zweites Verfahren zum Herstellen des in Fig. 4 gezeigten laseraktiven Festkörpers 1 gezeigt.
In einem ersten Verfahrensschritt (Fig. 6a) wird der kristalline Schichtstapel 5 auf eine Ätzstoplage 10 (z.B. ca. 250 nm AIGaAs) z.B. epitaktisch aufgewachsen, die ihrerseits zuvor auf ein geeignetes Grundsubstrat (z.B. GaAs-Substrat) 9 z.B. epitaktisch aufgewachsen worden ist.
In einem zweiten Verfahrensschritt (Fig. 6b) wird das Grundsubstrat 9 weggeätzt, wobei die Ätzstopschicht 10 den Spiegel schützt und auf der Rückseite der Spie- gelstruktur zurückbleibt. Alternativ ist es aber auch möglich, die Ätzstopschicht 10 vollständig zu entfernen oder als kristalline Halbleiterschicht in den kristallinen Schichtstapel 5 einzubauen.
In einem dritten Verfahrensschritt (Fig. 6c) werden dann die untere Plattenseite 2 des laseraktiven Festkörpers 1 und die Stapelseite des kristallinen Schichtstapels 5 miteinander durch Bonding verbunden. Dabei kann die obere Plattenseite 3 des laseraktiven Festkörpers 1 entweder erst nach dem Boden oder, wie gezeigt, schon vor dem Bonden mit der Antireflexbeschichtung 8 beschichtet werden. Wenn bereits vor dem Bonden die obere Plattenseite 3 des laseraktiven Festkörpers 1 mit der Antireflexbeschichtung 8 beschichtet worden ist, kann dies allerdings zu einer Krümmung des laseraktiven Festkörpers 1 mit einem Krümmungsradius von mehreren Metern führen, wie in Fig. 7a stark übertrieben gezeigt ist. Diese Krümmung kann einen nachfolgenden Bondprozess stark beeinträchtigen und in der Folge zur Ablösung oder Beschädigung des gebondeten kristallinen Schichtstapels 5 führen, oder aber unmöglich machen. Mit dem in den Fign. 7a-7c gezeigten dritten Verfahren zum Herstellen des in Fig. 4 gezeigten laseraktiven Festkörpers 1 können solche Krümmungen verhindert werden.
In einem ersten Verfahrensschritt (Fig. 7a) wird auf die mit einer Antireflexbeschichtung 8 versehene gekrümmte Oberseite 3 des laseraktiven Festkörpers 1 zunächst ein planes Hilfssubstrat 1 1 durch Ansprengen gebondet, um dadurch die Krümmung rückgängig zu machen. Das Hilfssubstrat 1 1 soll nur dazu dienen, den plattenförmigen laseraktiven Festkörper 1 vor bzw. beim dem Bonden des kristalli- nen Schichtstapels 5 plan zu halten. Das Hilfssubstrat 10 ermöglicht auch eine leichtere Handhabung des laseraktiven Festkörpers 1 , da das Hilfssubstrat 10 bedenkenlos angefasst werden kann.
In einem zweiten Verfahrensschritt (Fig. 7b) werden dann die nunmehr plane untere Plattenseite 2 des laseraktiven Festkörpers 1 und die Stapelseite des kristalli- nen Schichtstapels 5 miteinander durch Bonding verbunden.
Abschließend wird in einem dritten Verfahrensschritt (Fig. 7c) das Hilfssubstrat 10 wieder entfernt.
Fig. 8 zeigt eine z.B. als Festkörper- bzw. Scheibenlaser ausgebildete Laserver- Stärkeranordnung 20 mit dem laseraktiven Festkörper 1 . Der rückseitige kristalline Schichtstapel 5 des laseraktiven Festkörpers 1 bildet den hochreflektierenden Spiegel 4 und ein weiterer Spiegel 21 den Auskoppelspiegel eines Laserresonators für ein Laserverstärkungsfeld 22. Der laseraktive Festkörper 1 ist nicht nur von dem Laserverstärkungsfeld 22, sondern auch von einem Pumplichtstrahlungs- feld 23 durchsetzt, das den laseraktiven Festkörper 1 anregt. Zur Abführung der bei der Erzeugung von Laserstrahlung im laseraktiven Festkörper 1 entstehenden Wärme steht der kristalline Schichtstapel 5 auf seiner dem laseraktiven Festkörper 1 abgewandten Stapelseite in thermischem Kontakt mit einem Kühlkörper 24. Statt wie in Fig. 8 als Endspiegel in einem einfachen Linearresonator kann der laserak- tive Festkörper 1 auch als Faltungsspiegel in komplexeren Resonatoren eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Plattenförmiger laseraktiver Festkörper (1 ), insbesondere Laserscheibe, mit zwei einander gegenüberliegenden Plattenseiten (2, 3), wobei an einer der beiden Plattenseiten (2, 3) ein hochreflektierender Spiegel (4) zum Reflektieren einer im laseraktiven Festkörper (1 ) erzeugten Laserstrahlung angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der hochreflektierende Spiegel (4) als ein kristalliner Schichtstapel (5) ausgebildet ist, der durch eine Mehrzahl von abwechselnd ersten und zweiten kristallinen Schichten (6, 7), insbesondere kristallinen Halbleiterschichten, gebildet ist, welche unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen.
2. Plattenförmiger laseraktiver Festkörper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und die zweiten kristallinen Schichten (6, 7) durch binäre, ternäre oder quarternäre Verbindungen von Ill-V-Halbleitern oder II- Vl-Halbleitern gebildet sind.
3. Plattenförmiger laseraktiver Festkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit durch den kristallinen Schichtstapel (5) mindestens 1 W/mK, bevorzugt mindestens 5 W/mK, beträgt.
4. Plattenförmiger laseraktiver Festkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kristalline Schichtstapel (5) auf der einen Plattenseite (2) aufgewachsen ist, insbesondere epitaktisch aufgewachsen ist.
5. Plattenförmiger laseraktiver Festkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der kristalline Schichtstapel (5) mit der einen Plattenseite (2) durch Bonding verbunden ist.
6. Plattenförmiger laseraktiver Festkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der kristalline Schichtstapel (5) auf seiner dem laseraktiven Festkörper (1 ) abgewandten Stapelseite mit einem Substrat (9) oder einer Ätzstoplage (10) verbunden ist.
7. Plattenförmiger laseraktiver Festkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Plattenseite (3) des laseraktiven Festkörpers (1 ) mit einer Antireflexbeschichtung (8) versehen ist.
8. Plattenförmiger laseraktiver Festkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kristalline Schichtstapel (5) auf seiner dem laseraktiven Festkörper (1 ) abgewandten Stapelseite in thermischem Kontakt mit einem Kühlkörper (24) steht, insbesondere an dem Kühlkörper (24) befestigt ist.
9. Laserverstärkeranordnung (20), insbesondere Festkörper- oder Scheibenlaser, mit einem plattenförmigen laseraktiven Festkörper (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Verfahren zum Herstellen eines plattenförmigen laseraktiven Festkörpers (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
(a) dass der kristalline Schichtstapel (5) auf der einen Plattenseite (2) des laseraktiven Festkörpers (1 ) aufgewachsen wird, insbesondere epitaktisch aufgewachsen wird,
oder
(b) dass der kristalline Schichtstapel (5) mit einer seiner beiden Stapelseiten an die eine Plattenseite (2) des laseraktiven Festkörpers (1 ) gebondet wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Variante (b) der kristalline Schichtstapel (5) auf einem Substrat (9) oder einer Ätzstoplage (10) aufgewachsen wird, insbesondere epitaktisch aufgewachsen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bonden des kristallinen Schichtstapels (5) das Substrat (9) oder die Ätzstoplage (10) in der Dicke reduziert oder vollständig entfernt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Variante (b) vor oder nach dem Bonden des kristallinen Schichtstapels (5) eine Antireflexbeschichtung (8) auf die andere Plattenseite (3) des laseraktiven Festkörpers (1 ) aufgebracht wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Variante (b) vor dem Bonden des kristallinen Schichtstapels (5) ein Hilfssubstrat (1 1 ) auf die mit einer Antireflexbeschichtung (8) beschichtete andere Plattenseite (3) des laseraktiven Festkörpers (1 ) gebondet und nach dem Bonden des kristallinen Schichtstapels (5) wieder entfernt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Variante (a) vor oder nach dem Aufwachsen des kristallinen Schichtstapels (5) eine Antireflexbeschichtung (8) auf die andere Plattenseite (3) des plattenformigen laseraktiven Festkörpers (1 ) aufgebracht wird.
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