WO2021250000A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen eines laserpulses - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for generating a laser pulse and a device for performing such a method.
  • Ultrashort pulse lasers are used in particular in industrial applications in the field of material processing, but also in many other technical fields of application. Depending on the application, these are used to generate laser pulses with a pulse length of less than 50 ps, preferably less than 10 ps up to a pulse length of a few fs.
  • a construction of a 10 ps laser source from the prior art initially includes a relatively low-power injection laser.
  • the laser pulse emitted by this is fed to a downstream power amplifier.
  • Typical injection lasers emit pulses with an energy of a few nJ, which can be successively amplified to a few pJ up to mJ.
  • An injection laser is a semiconductor laser that has several layers of different materials arranged one above the other, with the laser radiation emerging on the side surfaces of the layer package constructed in this way, that is, parallel to the layer plane. It can be operated in a pulsed manner and, in particular, be pumped with electric current.
  • the very large diagonal angle of the emitted laser radiation is a disadvantage.
  • a laser arrangement for generating ultra-short laser pulses is known from WO 2008/116357 A1.
  • a first semiconductor laser is pumped with a source of electrical power.
  • the laser pulses generated in the process are fed to an optical Ver, which can also be a semiconductor.
  • These optical amplifiers have long been known from the prior art as “semiconductor optical amplifiers” (SOA). In this arrangement, the pulse length depends on the pulse length which is generated in the first semiconductor laser.
  • WO 2010/064238 A1 a laser arrangement is known in which a doubled gain circuit is used to generate the laser pulse.
  • the respective laser to be pumped is pumped with an energy pulse of a certain length of time.
  • Each laser resonator needs a pulse build-up time to emit coherent radiation. If the length of the pump pulse is shorter than the pulse build-up time, the laser emits a pulse, the length of which is determined solely by the amplification and the resonator configuration of the laser. This is used to generate an ultra-short pulse, which is then optically amplified.
  • WO 2010/064238 A1 suggests using the first laser pulse that is emitted by the semiconductor laser again as a pump pulse for a fiber laser.
  • the invention is based on the object of proposing a method and a device with which ultrashort laser pulses can be generated simply and inexpensively without requiring a large amount of installation space.
  • the invention solves the problem posed by a method for generating a laser pulse, the method using a first semiconductor laser in the form of a broad strip laser diode to generate a pump laser pulse, and the pump laser pulse for pumping a second semiconductor laser where the laser pulse is shorter than the pump laser pulse and the second semiconductor laser has at least 20 quantum wells arranged one above the other in the emission direction of the laser pulse.
  • the length of the laser pulse is preferably shorter than 80% of the length of the pump laser pulse.
  • a broadband laser diode which forms the first semiconductor laser, is initially pumped, preferably electrically.
  • An electrical energy pulse is used, so that the broadband laser diode is operated with profit switching.
  • the pulse build-up time of the broadband laser diode is longer than the length of the electrical pump pulse. This is to prevent after-pulses.
  • the pulse build-up time must not be so long that the free charge carriers generated by the electrical pump pulse disappear again through recombination and the laser pulse is therefore not generated.
  • the pump pulse generated in this way which the broadband laser diode emits, is used as a pump pulse for the second semiconductor laser.
  • This has quantum wells in which the required free charge carriers are generated by the pump pulse.
  • the number of quantum wells is decisive for the pulse build-up time, among other things.
  • a surface-emitting, optically pumped semiconductor laser (OPSL) is preferably used. This emits the laser radiation perpendicular to the layer plane of the individual layers.
  • the second semiconductor laser used in the method according to the invention has at least 20 quantum wells which are arranged one above the other in the emission direction.
  • the storable energy and thus the gain is increased, so that the pulse build-up time is reduced and a pulse is emitted before the stored energy is lost through recombination.
  • the pulse build-up time is greater than the length of the Pump laser pulse is and on the other hand is small enough to allow lasing of the second semiconductor laser.
  • the second semiconductor laser preferably has at least 50, preferably we least 75, particularly preferably at least 100 quantum wells, which are arranged one above the other in the emission direction. This increases the energy of the laser pulses generated. At the same time, however, the pulse build-up time is also reduced. It can therefore be advantageous or even necessary to additionally increase the pulse build-up time in another way, for example by lengthening the resonator of the second semiconductor laser.
  • several, preferably two or three quantum wells are arranged so close together in the second semiconductor laser that they are located within an interference belly of the standing wave that builds up in the resonator.
  • Particularly preferably, several, preferably at least 20, particularly preferably at least 50, of these multiple quantum wells are arranged one above the other in the emission direction.
  • By using such multiple quantum wells it is possible to accommodate more quantum wells in a small space. This is advantageous because the standing wave of the pump radiation emitted by the broadband laser diode and the standing wave of the gain-switched second semiconductor laser run out of phase. This is prevented or at least weakened the smaller the distance between the quantum wells is.
  • it is advantageous for the quality of the semiconductor epitaxy to make the entire layer structure as thin as possible.
  • the first semiconductor laser is preferably electrically pumped.
  • the pump laser pulse is advantageously shorter than 250 ps, preferably shorter than 150 ps, particularly preferably shorter than or equal to 100 ps.
  • the first semiconductor laser is preferably selected such that the pump laser pulse is shorter than the pulse build-up time of the second semiconductor laser.
  • the second semiconductor laser is pumped by means of what is known as “in-well pumping”.
  • the energy of the pump laser pulse is radiated directly into the quantum wells and is immediately available there.
  • the wavelength of the pump light is preferably about 50 nm below that of the laser pulse.
  • the pump laser pulse is sent with a wavelength of 980 nm and the wavelength of the laser pulse is 1030 nm.
  • so-called “barrier pumping” can also be used, in which the pump energy does not go directly into the quantum wells, but rather in barriers, that is, the semiconductor layers adjacent to the quantum wells, is irradiated.
  • the wavelength of the pump radiation is preferably approximately 180 nm below that of the laser pulse. In-well pumping is advantageous for generating the shortest possible pulses.
  • the laser pulse generated is preferably shorter than 50 ps, preferably shorter than 25 ps, particularly preferably shorter than or equal to 10 ps.
  • the invention also solves the problem posed by a device for generating a laser pulse, the device having and being set up a first semiconductor laser in the form of a broad area laser diode and a second semiconductor laser with at least 20 quantum wells arranged one above the other in the emission direction of the laser pulse to perform a method described here.
  • the second semiconductor laser preferably has a resonator, the length of which is designed such that the pulse build-up time of the second semiconductor laser is longer than the pump laser pulse.
  • the pump laser pulse is the laser pulse that is emitted by the first semiconductor laser when a method described here is carried out.
  • the device preferably has at least one power amplifier which is set up and arranged to amplify the laser pulse.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Laserpulses, wobei bei dem Verfahren ein erster Halbleiterlaser in Form einer Breitstreifen-Laser-Diode verwendet wird, um einen Pumplaserpuls zu erzeugen, der Pumplaserpuls zum Pumpen eines zweiten Halbleiterlasers verwendet wird, wobei der Laserpuls kürzer als der Pumplaserpuls ist und wobei der zweite Halbleiterlaser wenigstens 20 in Emissionsrichtung des Laserpulses übereinander angeordnete Quantentöpfe aufweist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Laserpulses
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Laserpulses sowie eine Vor richtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.
Insbesondere bei industriellen Anwendung im Bereich der Materialbearbeitung aber auch in vielen anderen technischen Anwendungsgebieten kommen Ultrakurzpulsla ser zum Einsatz. Je nach Anwendung werden diese verwendet, um Laserpulse mit einer Pulslänge von weniger als 50 ps, bevorzugt weniger als 10 ps bis zu einer Pulslänge von wenigen fs zu erzeugen.
Aus dem Stand der Technik sind Laseranordnungen bekannt, die diese Art der La serpulse erzeugen können. Ein Aufbau einer 10 ps Laserquelle aus dem Stand der Technik beinhaltet zunächst einen relativ leistungsschwachen Injektionslaser. Der von diesem ausgesandte Laserpuls wird einem nachgeschalteten Leistungsverstär ker zugeführt. Damit emittieren typische Injektionslaser Pulse mit einer Energie von einigen nJ, die sukzessive auf einige pJ bis hin zu mJ nachverstärkt werden können. Bei einem Injektionslaser handelt es sich um einen Halbleiterlaser, der mehrere über einander angeordnete Schichten verschiedener Materialien aufweist, wobei die La serstrahlung an den Seitenflächen des so aufgebauten Schichtpaketes, also parallel zur Schichtebene, austritt. Er kann gepulst betrieben werden und dabei insbesondere mit elektrischem Strom gepumpt werden. Nachteilig ist allerdings der recht große Di vergenzwinkel der ausgesandten Laserstrahlung.
Andere Injektionslaser sind als modengekoppelte Faserlaser mit Abmessungen von einigen 10 cm x 10 cm aufgebaut. Zudem werden recht teure Faserkomponenten und Halbleiterkomponenten verwendet. Nachteilig sind an dieser Art der Injektionsla ser der hohe Kostenaufwand und der große benötigte Bauraum. Zudem liegen die Pulswiederholraten bei derartigen Lasern freilaufend im Bereich einiger MHz. Typi sche Anwendungen verlangen jedoch nach Pulswiederholraten im Bereich von unter einem MHz. Um dies zu erreichen, werden im Stand der Technik gezielt einzelne Pulse aus dem Pulszug extrahiert, wozu elektrooptische und/oder akustooptischen Modulatoren eingesetzt werden, die zusätzliche Kosten verursachen.
Eine Laseranordnung zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulse ist aus der WO 2008/116357 A1 bekannt. Ein erster Halbleiterlaser wird mit einer elektrischen Stromquelle gepumpt. Die dabei erzeugten Laserpulse werden einem optischen Ver stärker zugeführt, der ebenfalls ein Halbleiter sein kann. Diese optischen Verstärker sind aus dem Stand der Technik seit langem als "semiconductor optical amplifier" (SOA) bekannt. Die Pulslänge hängt in dieser Anordnung von der Pulslänge ab, die in dem ersten Halbleiterlaser erzeugt wird.
Aus der WO 2010/064238 A1 ist eine Laseranordnung bekannt, bei der eine dop pelte Gewinnschaltung verwendet wird, um den Laserpuls zu erzeugen. Bei dem Verfahren der Gewinnschaltung wird der jeweilige zu pumpende Laser mit einem Energiepuls einer bestimmten zeitlichen Länge gepumpt. Jeder Laserresonator be nötigt eine Pulsaufbauzeit um eine kohärente Strahlung zu emittieren. Ist die Länge des Pumppulses kürzer als die Pulsaufbauzeit, so emittiert der Laser einen Puls, dessen Länge allein durch die Verstärkung und die Resonatorkonfiguration des La sers bestimmt ist. Dies wird ausgenutzt, um einen Ultrakurzpuls zu erzeugen, der an schließend optisch verstärkt wird. Die WO 2010/064238 A1 schlägt hingegen vor, den ersten Laserpuls, der von dem Halbleiterlaser ausgesandt wird, erneut als Pumppuls für einen Faserlaser zu verwenden. Dadurch lassen sich zwar extrem kurze Pulse erzeugen, die oben bereits genannten Nachteile der Faserlaser bleiben jedoch bestehen. Aus der Literatur sind derartige "Kaskaden-Gewinnschaltungen" bekannt, bei denen Laserpulse mit einer Länge von einigen ns und einer Spitzenleis tung im Bereich einiger kW erzeugt werden konnten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzu schlagen, mit der ultrakurze Laserpulse einfach und kostengünstig erzeugt werden können, ohne dass viel Bauraum benötigt wird. Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren zum Erzeugen eines La serpulses, wobei bei dem Verfahren ein erster Halbleiterlaser in Form einer Breitstrei- fen-Laser-Diode verwendet wird, um einen Pumplaserpuls zu erzeugen, und der Pumplaserpuls zum Pumpen eines zweiten Halbleiterlasers verwendet wird, wobei der Laserpuls kürzer als der Pumplaserpuls ist und der zweite Halbleiterlaser wenigs tens 20 in Emissionsrichtung des Laserpulses übereinander angeordnete Quanten töpfe aufweist. Vorzugsweise ist die Länge des Laserpulses kürzer als 80% der Länge des Pumplaserpulses.
Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Breitband-Laser-Diode, die den ersten Halbleiterlaser bildet, vorzugsweise elektrisch gepumpt. Dabei wird ein elektrischer Energiepuls verwendet, so dass die Breitband-Laser-Diode gewinngeschaltet betrie ben wird. Dazu ist es von Vorteil, wenn der Pumpprozess vor dem Emissionsprozess abgeschlossen ist, also die Pulsaufbauzeit der Breitband-Laser-Diode länger als die Länge des elektrischen Pumppulses ist. Dadurch sollen Nachpulse verhindert wer den. Gleichzeitig darf die Pulsaufbauzeit nicht so lang sein, dass die durch den elektrischen Pumppuls erzeugten freien Ladungsträger durch Rekombination wieder verschwinden und der Laserpuls daher nicht erzeugt wird.
Der so erzeugte Pumppuls, den die Breitband-Laser-Diode aussendet, wird als Pumppuls für den zweiten Halbleiterlaser verwendet. Dieser verfügt über Quanten töpfe, in denen durch den Pumppuls die benötigten freien Ladungsträger erzeugt werden. Die Anzahl der Quantentöpfe ist dabei unter anderem maßgeblich für die Pulsaufbauzeit. Es wird bevorzugt ein oberflächenemittierender optisch gepumpter Halbleiterlaser (OPSL) verwendet. Dieser emittiert die Laserstrahlung senkrecht zur Schichtebene der einzelnen Schichten. Der beim erfindungsgemäßen Verfahren ver wendete zweite Halbleiterlaser verfügt über wenigstens 20 Quantentöpfe, die in Emissionsrichtung übereinander angeordnet sind. Durch die Erhöhung der Anzahl der Quantentöpfe gegenüber herkömmlichen OPSL wird die speicherbare Energie und damit die Verstärkung erhöht, so dass die Pulsaufbauzeit reduziert wird und ein Puls emittiert wird bevor die gespeicherte Energie durch Rekombination verloren geht. Das bedeutet, dass die Pulsaufbauzeit einerseits größer als die Länge des Pumplaserpulses ist und andererseits klein genug ist, um das Lasern des zweiten Halbleiterlasers zu ermöglichen.
Vorzugsweise verfügt der zweite Halbleiterlaser über wenigstens 50, bevorzugt we nigstens 75, besonders bevorzugt wenigstens 100 Quantentöpfe, die in Emissions richtung übereinander angeordnet sind. Dadurch wird die Energie der erzeugten La serpulse erhöht. Gleichzeitig wird jedoch auch die Pulsaufbauzeit reduziert. Es kann daher von Vorteil oder sogar nötig sein, die Pulsaufbauzeit zusätzlich auf andere Weise zu erhöhen, etwa indem der Resonator des zweiten Halbleiterlasers verlän gert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind in dem zweiten Halbleiterlaser mehrere, be vorzugt zwei oder drei Quantentöpfe so dicht beieinander angeordnet, dass sie sich innerhalb eines Interferenz-Bauches der stehenden Welle befinden, die sich im Re sonator aufbaut. Man kann auch von Mehrfachquantentöpfen, insbesondere von Doppelquantentöpfen oder Dreifachquantentöpfen sprechen. Besonders bevorzugt sind von diesen Mehrfachquantentöpfen mehrere, vorzugsweise mindestens 20, be sonders bevorzugt wenigstens 50, in Emissionsrichtung übereinander angeordnet. Durch die Verwendung derartiger Mehrfachquantentöpfe ist es möglich, mehr Quan tentöpfe auf kleinem Raum unterzubringen. Dies ist von Vorteil, weil die stehende Welle der Pumpstrahlung, die von der Breitband-Laser-Diode ausgesandt wurde, und die stehende Welle des gewinngeschalteten zweiten Halbleiterlasers außer Phase läuft. Dies wird verhindert oder zumindest abgeschwächt, je kleiner der Abstand zwi schen den Quantentöpfen ist. Zudem ist es für die Qualität der Halbleiterepitaxie vor teilhaft, den gesamten Schichtaufbau so dünn wie möglich zu gestalten.
Vorzugsweise wird der erste Halbleiterlaser elektrisch gepumpt.
Vorteilhafterweise ist der Pumplaserpuls kürzer als 250 ps, bevorzugt kürzer als 150 ps, besonders bevorzugt kürzer oder gleich 100 ps.
Bevorzugt ist der erste Halbleiterlaser so ausgewählt, dass der Pumplaserpuls kürzer als die Pulsaufbauzeit des zweiten Halbleiterlasers ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der zweite Halbleiterlaser mittels des soge nannten "in-well-pumping" gepumpt. Dabei wird die Energie des Pumplaserpulses di rekt in die Quantentöpfe eingestrahlt und steht dort sofort zur Verfügung. Die Wellen länge des Pumplichtes liegt dabei vorzugsweise ca. 50 nm unter der des Laserpul ses. Beispielsweise wird der Pumplaserpuls mit einer Wellenlänge von 980 nm aus gesandt und die Wellenlänge des Laserpulses beträgt 1030 nm. Alternativ dazu kann auch das sogenannte "barrier-pumping" verwendet werden, bei dem die Pumpener gie nicht direkt in die Quantentöpfe, sondern in Barrieren, also den Quantentöpfen benachbarte Halbleiterschichten, eingestrahlt wird. Diese Schichten sind in der Regel dicker als die der Quantentöpfe und ermöglichen daher höhere Absorptionseffizien zen. Allerdings steht die in den Barrieren absorbierte Energie nicht sofort den Quan tentöpfen zur Verfügung. Die Wellenlänge der Pumpstrahlung liegt in diesem Fall vorzugsweise etwa 180 nm unter der des Laserpulses. Für die Erzeugung möglichst kurzer Pulse ist das "in-well-pumping" von Vorteil.
Vorzugsweise ist der erzeugte Laserpuls kürzer als 50 ps, bevorzugt kürzer als 25 ps, besonders bevorzugt kürzer als oder gleich 10 ps.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch eine Vorrichtung zum Erzeu gen eines Laserpulses, wobei die Vorrichtung einen ersten Halbleiterlaser in Form ei ner Breitstreifen-Laser-Diode und einen zweiten Halbleiterlaser mit wenigstens 20 in Emissionsrichtung des Laserpulses übereinander angeordneten Quantentöpfen auf weist und eingerichtet ist zum Durchführen eines hier beschriebenen Verfahrens. Be vorzugt weist der zweite Halbleiterlaser einen Resonator auf, dessen Länge derart ausgebildet ist, dass die Pulsaufbauzeit des zweiten Halbleiterlasers länger als der Pumplaserpuls ist. Der Pumplaserpuls ist dabei der Laserpuls, der von dem ersten Halbleiterlaser ausgesandt wird, wenn ein hier beschriebenes Verfahren durchge führt wird. Vorzugsweise verfügt die Vorrichtung über wenigstens einen Leistungs verstärker, der eingerichtet und angeordnet ist, den Laserpuls zu verstärken.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Erzeugen eines Laserpulses, wobei bei dem Verfahren
- ein erster Halbleiterlaser in Form einer Breitstreifen-Laser-Diode verwendet wird, um einen Pumplaserpuls zu erzeugen,
- der Pumplaserpuls zum Pumpen eines zweiten Halbleiterlasers verwendet wird, wobei der Laserpuls kürzer als der Pumplaserpuls ist und wobei der zweite Halbleiterlaser wenigstens 20 in Emissionsrichtung des Laser pulses übereinander angeordnete Quantentöpfe aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Halb leiterlaser wenigstens 50, bevorzugt wenigstens 75, besonders bevorzugt we nigstens 100 in Emissionsrichtung übereinander angeordnete Quantentöpfe aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Halbleiterlaser elektrisch gepumpt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumplaserpuls kürzer als 250 ps, bevorzugt kürzer als 150 ps, beson ders bevorzugt kürzer oder gleich 100 ps ist.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Halbleiterlaser so ausgewählt ist, dass der Pumplaserpuls kürzer als die Pulsaufbauzeit des zweiten Halbleiterlasers ist.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserpuls kürzer als 50 ps, bevorzugt kürzer als 25 ps, besonders be vorzugt kürzer oder gleich 10 ps ist.
7. Vorrichtung zum Erzeugen eines Laserpulses, wobei die Vorrichtung einen ers ten Halbleiterlaser in Form einer Breitstreifen-Laser-Diode und einen zweiten Halbleiterlaser mit wenigstens 20 in Emissionsrichtung des Laserpulses überei nander angeordnete Quantentöpfen aufweist und eingerichtet ist zum Durchfüh- ren eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Halb leiterlaser einen Resonator aufweist, dessen Länge derart ausgebildet ist, dass die Pulsaufbauzeit des zweiten Halbleiterlasers länger als 80% der Länge des Pumplaserpulses ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vor richtung wenigstens einen Leistungsverstärker aufweist, der eingerichtet und angeordnet ist, den Laserpuls zu verstärken.
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