DE102004007881A1

DE102004007881A1 - Optische gepumpte Laservorrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen

Info

Publication number: DE102004007881A1
Application number: DE200410007881
Authority: DE
Inventors: Stephan Dr. Lutgen; Peter Dr. Brick
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2004-09-09
Also published as: JP2004253800A; US20040190567A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen mit einem optisch gepumpten Halbleiterlaser (1), der einen externen Resonator aufweist, DOLLAR A wobei in dem externen Resonator mindestens ein Modenkoppler angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optisch gepumpte Laservorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Optisch gepumpte Laservorrichtungen sind beispielsweise aus der Druckschrift WO 01/93386 bekannt. Hierin sind Halbleiterkörper mit einem Vertikalemitter beschrieben, der von einer internen Pumpstrahlungsquelle, vorzugsweise einem kantenemittierenden Laser, optisch gepumpt wird. Vertikalemitter und Pumpstrahlungsquelle sind dabei monolithisch integriert ausgeführt. Der Inhalt dieser Druckschrift sowie der Inhalt der prioritätsbegründenden Patentanmeldung DE 103 06 997.6 wird durch Referenz in die vorliegende Beschreibung aufgenommen.

Weiterhin sind auch Vorrichtungen mit einem von einer externen Pumpstrahlungsquelle optisch gepumpten Vertikalemitter bekannt. Zusammenfassend werden intern und extern gepumpte Vertikalemitter auch als Halbleiterscheibenlaser bzw. im Folgenden kurz als Scheibenlaser bezeichnet.

Zur Erzeugung von Laserimpulsen kann bei derartigen Lasern beispielsweise die Pumpstrahlungsquelle gepulst betrieben werden. Weiterhin sind zur Erzeugung von Laserimpulsen Verfahren wie Gain-Switching oder Q-Switching bekannt. Die hiermit erreichbaren Impulsdauern liegen typischerweise im Mikrosekunden- bis Nanosekundenbereich und sind also erheblich größer als eine Pikosekunde.

Um kürzere Impulsdauern zu realisieren, wird bei herkömmlichen Lasern wie beispielsweise Farbstofflasern, Titan-Saphir-Lasern oder blitzlampengepumpten Nd:YLF-Lasern das Prinzip der Modenkopplung herangezogen.

Bei der Modenkopplung werden mehrerer Moden eines Laserresonators phasenstarr derart gekoppelt, dass das resultierende elektromagnetische Feld einem kurzen Impuls entspricht, der im Resonator umläuft.

Bei der Modenkopplung wird zwischen aktiver und passiver Modenkopplung unterschieden. Die aktive Modenkopplung basiert auf einer Modulation der Resonatorverluste, beispielsweise mittels eines elektrooptischen Modulators, der abgestimmt auf die Resonatorlänge angeregt wird. Allerdings erfordert eine aktive Modenkopplung neben einem geeigneten Medium eine externe Hochfrequenz-Ansteuerung, wodurch der Aufwand für eine aktive Modenkopplung erhöht wird.

Bei der passiven Modenkopplung erzeugt demgegenüber das resonatorinterne elektromagnetische Feld selbst eine Modulation der Resonatorverluste oder anderer Resonatoreigenschaften, welche wiederum auf das resonatorinterne Strahlungsfeld zurückwirkt. Ein Beispiel der passiven Modenkopplung ist die Kerrlinsen-Modenkopplung bzw. die Selbstphasenmodulation bei einem Titan-Saphir-Laser.

Die erreichbare Impulsdauer hängt dabei unter anderem von der Verstärkungsbandbreite des Lasermediums bzw. der Anzahl der koppelbaren Moden ab.

Halbleiterlaser werden in der Regel ohne Modenkopplung betrieben. Dies ist unter anderem dadurch begründet, dass oftmals der Resonator von Seitenflächen des Halbleiterlaserchips gebildet und somit für einen gesonderten Modenkoppler nicht zugänglich ist. Zudem ist bei herkömmlichen Halbleiterlasern in der Regel die Verstärkungsbandbreite und die Strahlungsintensität für eine passive Modenkopplung nicht ausreichend.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laservorrichtung der eingangs genannten Art zur Erzeugung von Laserimpulsen zu schaffen. Die Impulsdauer soll insbesondere im Pikosekunden- bzw. Femtosekundenbereich liegen.

Diese Aufgabe wird durch eine Laservorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß ist eine Laservorrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen mit einem optisch gepumpten Halbleiterlaser vorgesehen, wobei der Halbleiterlaser einen externen Resonator aufweist, in dem mindestens ein Modenkoppler angeordnet ist.

Es hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass bei einem optisch gepumpten Halbleiterlaser sowohl die Verstärkungsbandbreite als auch die erreichbare Strahlungsintensität in einem Bereich liegen, der insbesondere eine passive Modenkopplung ermöglicht.

Der Modenkoppler kann bei der Erfindung als externer Modenkoppler außerhalb des Halbleiterlasers angeordnet und/oder als interner Modenkoppler in den Halbleiterkörper integriert sein. Auch ein zweistufiger Aufbau mit einem externen Modenkoppler, beispielsweise zum Starten der Modunkopplung, in Verbindung mit einem internen Modenkoppler zur weiteren Impulsverkürzung oder Stabilisierung der Modenkopplung ist vorteilhaft.

Vorteilhafterweise ist bei einem optisch gepumpten Halbleiterlaser mit externem Resonator die Resonatorlänge in weiten Bereichen frei wählbar, so dass genug Raum für einen externen Modenkoppler zur Verfügung steht. Weiterhin kann die Resonatorlänge so gewählt werden, dass innerhalb der Verstärkungsbandbreite eine für einen modengekoppelten Betrieb ausreichende Zahl von Resonatormoden vorhanden ist.

Mit der Erfindung kann so eine hocheffiziente Lichtquelle zur Erzeugung kurzer Impulse, insbesondere im Pikosekunden- bzw. Femtosekundenbereich, realisiert werden, die sich zusätzlich durch eine gute Strahlqualität auszeichnet. Weiterhin ist eine kompakte Bauweise möglich, bei der weitgehend Halbleiterbauelemente verwendet werden.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist eine externe Pumpstrahlungsquelle zum Pumpen des Halbleiterlasers vorgesehen. Vorzugsweise wird hierfür ein herkömmlicher kantenemittierender Diodenlaser verwendet. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch eine vergleichsweise einfache Struktur des Halbleiterlasers aus. Weiterhin können leicht verfügbare und kommerziell erhältliche Bauelemente als Pumpstrahlungsquelle verwendet werden. Schließlich sind sowohl die Pumpstrahlungsquelle als auch der optisch gepumpte Halbleiterlaser leicht zugänglich, wobei die Anordnung der Komponenten in weiten Grenzen variiert werden kann.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung weist einen optisch gepumpten Halbleiterlaser mit einer monolithisch integrierten Pumpstrahlungsquelle auf. Bei dieser Ausführungsform besteht die Laservorrichtung aus besonders wenig Einzelkomponenten, wodurch der Aufwand für Montage und Justierung vorteilhaft reduziert wird. Weiterhin zeichnet sich diese Ausführungsform aufgrund der monolithischen Integration von Pumpstrahlungsquelle und Halbleiterlaser durch eine hohe Stabilität aus.

Bevorzugt ist der Modenkoppler als passiver Modenkoppler ausgeführt. Es hat sich im Rahmen der Erfindung herausgestellt, dass bei einem optisch gepumpten Halbleiterlaser der genannten Art resonatorinterne Strahlungsfelder mit so hohen Intensitäten erzeugbar sind, dass eine passive Modenkopplung möglich ist. Gegenüber einem aktiven Modenkoppler weist ein passiver Modenkoppler den Vorteil auf, dass keine externe Ansteuerung erforderlich ist.

Der Modenkoppler ist vorzugsweise als sättigbarer Absorber, insbesondere aus einem Halbleitermaterial, ausgeführt. Ein sättigbarer Absorber erfordert verglichen mit anderen passiven Modenkopplern eine vergleichsweise geringe Strahlungsintensität. Dadurch werden einerseits die Anforderungen an die Pumpstrahlungsquelle vorteilhaft gesenkt, da auch mit einer relativ geringen Pumpleistung ein modengekoppelter Betrieb möglich ist. Andererseits wird mittels eines sättigbaren Absorbers der Start eines modengekoppelten Betriebs erleichtert.

Beim Start eines modengekoppelten Betriebs geht die Laservorrichtung in der Regel von einem Dauerstrichbetrieb mit der hierfür typischen Strahlungsintensität in einen stationären modengekoppelten Betrieb über, der bei wesentlich höheren Intensitäten aufrechterhalten wird. Ein Modenkoppler, der nur eine geringe Strahlungsintensität erfordert, erleichtert diesen Übergang. Der stationäre modengekoppelte Betrieb kann durch weitere Modenkopplungsmechanismen wie Kerrlinsen-Modenkopplung, Selbstphasenmodulation oder auch Kreuzphasenmodulation unterstützt und stabilisiert werden.

Zudem sind sättigbare Absorber vorteilhaft für die Unterdrückung eines unerwünschterweise simultan zum modengekoppelten Betrieb auftretenden Dauerstrichbetriebs.

Es sei jedoch angemerkt, dass im Rahmen der Erfindung auch eine andere Unterdrückung eines Dauerstrichbetriebs ohne sättigbaren Absorber möglich ist. Hierzu können beispielsweise die für einen modengekoppelten Betrieb und einen Dauerstrichbetrieb unterschiedlichen thermischen Linsen und/oder Kerr-Linsen in Verbindung mit einer leichten Defokussierung des resonatorinternen Strahlungsfeldes bezüglich des laseraktiven Mediums dienen.

Sättigbare Absorber auf Halbleiterbasis können auch mit einem Spiegel, insbesondere einem Resonatorspiegel, kombiniert werden. Dadurch wird die Zahl der Komponenten und damit der Montage- und Justieraufwand reduziert. Weiterhin treten bei einer solchen Kombination von Spiegel und sättigbarem Absorber Feldüberhöhungen auf, die die für eine passive Modenkopplung erforderliche Intensität weiter reduzieren. Derartige Modenkoppler sind auch als SESRM (SEmiconductor Saturable Absorber Mirror) bekannt.

Alternativ kann ein solcher sättigbarer Absorber auch in den Halbleiterkörper des Halbleiterlasers integriert sein. Ein sättigbarer Absorber auf Halbleiterbasis weist in der Regel wie auch der Halbleiterlaser eine Mehrzahl von Halbleiterschichten auf.

Beispielsweise kann eine sättigbarer Absorber als Quantentopfstruktur ausgeführt sein. Für den Einsatz als sättigbarer Absorber zur Erzeugung kurzer und ultrakurzer Impulse sollte die Lumineszenzlebensdauer dieser Quantentopfstrukur möglichst gering sein. Dies kann zum einen durch eine oberflächennahe Anordnung der Quantentopfstrukur erreicht werden, so dass die vergleichsweise schnelle Oberflächenrekombination zu einer kurzen Lumineszenzlebensdauer beiträgt. Zum anderen kann eine kurze Lumineszenzlebensdauer durch ein Aufwachsen der Quantentopfstruktur bei vergleichsweise tiefen Temperaturen, etwa im Bereich zwischen 300°C und 500°C, erzielt werden.

Bei einer Kombination mit einem Spiegel wie zum Beispiel einem Bragg-Spiegel ist es weiterhin vorteilhaft, die Quantentopfstruktur des sättigbaren Absorber so nahe am Spiegel anzuordnen, dass ein einfallender Teil eines Impulses sich mit einem bereits reflektierten Teil des Impulses im Bereich der Quantenstruktur überlagert und so eine Überhöhung des Strahlungsfeldes entsteht.

Werden diese Halbleiterschichten in einem gemeinsamen Herstellungsprozess aufgewachsen, so kann der Herstellungsaufwand für eine erfindungsgemäße Laservorrichtung vorteilhaft reduziert werden. Zudem kann auf diese Weise eine sehr kompakte Laservorrichtung zur Erzeugung kurzer Impulse realisiert werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist innerhalb des externen Resonators eine Vorrichtung zur Phasenkompensation angeordnet. Bei Laservorrichtungen zur Erzeugung ultrakurzer Impulse im Pikosekunden- und Femtosekundenbereich wird die minimal erreichbare Impulsdauer durch die Gruppengeschwindigkeitsdispersion im Laserresonator beeinflusst. Mittels einer Vorrichtung zur Phasenkompensation wird die Gruppengeschwindigkeitsdispersion innerhalb des Resonators kompensiert und damit die Impulsdauer vorteilhaft verringert. Insbesondere sind so im Rahmen der Erfindung sub-Pikosekundenimpulse und Femtosekundenimpulse erzeugbar.

Die Vorrichtung zur Phasenkompensation kann beispielsweise Prismen, Gittern, linearen oder gechirpten Spiegeln, Linsen und/oder optische Fasern aufweisen. Der Aufbau einer Vorrichtung zur Phasenkompensation mit einer vier Prismen umfassenden Prismenstrecke ist beispielsweise für Titan-Saphir-Laser an sich bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht weiter erläutert.

Weiterhin kann zur Phasenkompensation ein gechirpter Spiegel verwendet werden. Ein gechirpter Spiegel modifiziert bei der Reflexion eines Strahlungsimpulses zugleich dessen Frequenzverteilung. Da auch die Gruppengeschwindigkeitsdispersion zu unterschiedlichen Laufzeiten der einzelnen spektralen Anteile eines Impulses und somit zu einer Modifkation von dessen Frequenzverteilung führt, kann ein entsprechend angepasster gechirpter Spiegel zur Aufhebung dieser Modifikation, also zur Phasenkompensation verwendet werden. Beispielsweise kann ein gechirpter Spiegel bei einem gefalteten Resonator als Faltungsspiegel eingesetzt werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung weist einen Resonator mit zwei Resonatorästen auf, wobei ein erster Resonatorast zur Erzeugung von Laserimpulsen mit einer Grundwellenlänge λ₁ und ein zweiten Resonatorast zur Erzeugung von Laserimpulsen mit einer Grundwellenlänge λ₂ vorgesehen ist (Zweifarbenlaser). Es sei angemerkt, dass diese Ausgestaltung auch im Dauerstrichbetrieb bereits eine Erfindung darstellt. Vorteilhafterweise können so mittels einer Laservorrichtung Laserimpulse unterschiedlicher Wellenlänge zugleich erzeugt werden.

Besonders vorteilhaft ist bei einem solchen Zweifarbenlaser ein modengekoppelter Betrieb. Dieser ermöglicht bei einer gegenseitigen Wechselwirkung der Laserimpulse mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂ deren phasenstarre Kopplung, so dass die Laserimpulse zeitlich synchronisiert sind.

Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von sieben Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den 1 bis 8.
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung,
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung,
3 eine schematische graphische Darstellung der Gruppengeschwindigkeitsdispersion und der Verstärkung in Abhängigkeit der Wellenlänge bei dem ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung,
4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung,
5 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung,
6 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung,
7 eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung, und
8 eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung.
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die in 1 dargestellte Laservorrichtung weist einen Halbleiterlaser 1 auf, der auf eine Wärmesenke 2 montiert ist. Als Halbleitermaterial eignen sich beispielsweise Materialien wie InGaAlP, InAlGaN, AlGaAs, InGaAsP, GaAsN, InGaAsN, GaSb und InP.
Der Halbleiterlaser 1 ist als Scheibenlaser ausgebildet, der von einer externen Pumpstrahlungsquelle 3 optisch gepumpt wird. Die Pumpstrahlung 24 wird dabei vorzugsweise schräg auf die auskoppelseitige Oberfläche des Halbleiterlasers 1 eingestrahlt.
Im einzelnen umfasst der Halbleiterlaser unter anderem eine aktive Schicht 4 mit einer vertikal emittierenden Quantentopfstruktur, die beispielsweise zwischen Wellenleiterschichten, und/oder Mantelschichten angeordnet sein kann.
Ruf der der Wärmesenke 2 zugewandten Seite der aktiven Schicht 4 weist der Halbleiterlaser weiterhin eine Spiegelschicht 5 auf, die bevorzugt als Bragg-Spiegel ausgeführt ist.
Der Resonator des Halbleiterlasers ist als externer Resonator ausgeführt und wird von einem SESAM 6, einem Auskoppelspiegel 7, einem ersten Faltungsspiegeln 8 sowie der einen zweiten Faltungsspiegel darstellenden Spiegelschicht 5 gebildet.
In dem SESAM 6 ist ein sättigbarer Halbleiterabsorber 10 mit einem Spiegel 9 kombiniert. Der sättigbare Halbleiterabsorber 10 dient als Modenkoppler in dem Laserresonator und der Spiegel 9 zugleich als Resonatorendspiegel.
Das sich im Betrieb in dem externen Resonator ausbildende Strahlungsfeld ist schematisch anhand einer Strahlachse 11 und eines Strahlradius 12 dargestellt. Als Strahlradius kann beispielsweise der Strahlradius in Näherung der Gauss'schen Optik herangezogen werden.
Der Auskoppelspiegel und der Faltungsspiegel sind konkave Spiegel, deren Krümmungsradius und Anordnung jeweils so gewählt ist, dass einerseits im Bereich des SESAMs 6 und andererseits im Bereich des Halbleiterlasers 1 eine Strahltaille und somit ein Intensitätsmaximum des resonatorinternen Strahlungsfeldes entsteht. Diese Konfiguration ist für die Modenkopplung mittels des sättigbaren Absorbers 10 sowie für eine effiziente Wechselwirkung mit der Pumpstrahlung der Pumpstrahlungsquelle 3 vorteilhaft.
Im Betrieb startet bei niedrigen Pumpleistungen die Laservorrichtung zunächst im Dauerstrichbetrieb. Bei ausreichend hoher Pumpleistung kann eine geringfügige externe Störung eine kurzzeitige Modulation der Resonatoreigenschaften bewirken, die zunächst zu einem ungeregelten gepulsten Betriebszustand führt. Die hierbei entstehenden Laserimpulse weisen eine höhere Intensität als das Strahlungsfeld im Dauerstrichbetrieb auf, so dass diese Laserimpulse den Absorber 10 entsprechend stärker sättigen, d.h. dessen Absorption beim Durchgang eines Impulses in höherem Maße reduzieren als das Strahlungsfeld im Dauerstrichbetrieb. Somit sind die Umlaufverluste für Laserimpulse geringer als für ungekoppelte Dauerstrich-Moden, die Laserimpulse werden bei jedem Resonatorumlauf im Halbleiterlaser 1 vorrangig verstärkt und im SESAM 6 modengekoppelt, bis ein stationärer modengekoppelter Betriebszustand erreicht ist.
Die hiermit erreichbare Impulsdauer liegt im Pikosekunden- und sub-Pikosekundenbereich, typischerweise etwa zwischen 15 ps und 500 fs.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel vor allem darin, dass der Halbleiterlaser eine monolithisch integrierte Pumpstrahlungsquelle 3a, 3b aufweist.
Im einzelnen ist in dem Halbleiterkörper eine aktive Schicht 4 mit einer vertikal emittierenden Quantentopfstruktur ausgebildet, der in lateraler Richtung jeweils eine Pumpstrahlungsquelle 3a, 3b, vorzugsweise ein kantenemittierender Laser, nachgeordnet ist. Die Pumpstrahlung 24 wird somit seitlich in die Quantentopfstruktur eingestrahlt, die Emission erfolgt in vertikaler Richtung.
Zur elektrischen Versorgung der Pumpstrahlungsquelle 3a, 3b sind oberseitig und rückseitig auf der Wärmesenke 2 Kontaktflächen 25 angeordnet. Im Rahmen der Erfindung und insbesondere bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann statt eines extern gepumpten Scheibenlasers eine solcher Scheibenlaser mit integrierter Pumpstrahlungsquelle vorgesehen sein und umgekehrt.
Die vertikal emittierende Quantentopfstruktur weist eine Mehrzahl von Halbleiterschichten auf, die die Quantentöpfe bilden. Zwischen zwei solchen benachbarten Halbleiterschichten ist jeweils eine Halbleiterschicht oder eine Mehrzahl von Halbleiterschichten als Barriere angeordnet.
Bei der Erfindung sind sowohl bei einer externen als auch bei einer integrierten Pumpstrahlungsquelle zwei unterschiedliche Pumpmodi möglich.
Bei dem ersten Pumpmodus ist die Wellenlänge der Pumpstrahlung so auf die vertikal emittierende Quantentopfstruktur abgestimmt, dass die Pumpstrahlung vorwiegend in den die Quantentöpfe bildenden Halbleiterschichten absorbiert wird. Dieser Pumpmodus ist insbesondere vorteilhaft für einen Halbleiterlaser mit einer integrierten Pumpstrahlungsquelle, um den strahlungsemittierenden Bereich des Vertikalemitters möglichst homogen zu pumpen.
Bei dem zweiten Pumpmodus wird die Pumpstrahlung vorwiegend in den Barrieren absorbiert, wodurch Ladungsträgerpaare entstehend, die nachfolgend in den Quantentöpfen rekombinieren.
Die Ausführung des Halbleiterlasers als Scheibenlaser mit integrierter Pumpstrahlungsquelle eignet sich besonders zur weiteren Integration eines sättigbaren Absorbers in den Halbleiterlaser. Auf diese Weise kann ein äußerst kompaktes Bauelement zur Erzeugung von Laserimpulsen realisiert werden, das sich durch kurze Impulsdauern bei gleichzeitig hoher Intensität auszeichnet. Zudem ist zum Betrieb nur noch ein externer Resonatorspiegel erforderlich.
Vorzugsweise weist ein solcher Halbleiterlaser von der Auskoppelseite der vertikal emittierenden Quantentopfstruktur aus einen den sättigbaren Absorber bildende Quantentopfstruktur, beispielsweise mit zwei Quantentöpfen, nachfolgend die aktive Schicht des Vertikalemitters, d.h. die vertikal emittierende Quantentopfstrukur und dieser nachgeordnet eine Spiegelschicht, zum Beispiels einen Bragg-Spiegel auf.
Die minimal realisierbare Impulsdauer wird bei den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen unter anderem durch die Gruppengeschwindigkeitsdispersion im Resonator limitiert.
Die Gruppengeschwindigkeit gibt an, mit welcher Geschwindigkeit sich der Schwerpunkt eines Wellenpakets sind in einem Medium bewegt. Die Abhängigkeit der Gruppengeschwindigkeit von der Frequenz wird als Gruppengeschwindigkeitsdispersion bezeichnet.
Im Laserresonator führt die Gruppengeschwindigkeitsdispersion der verschiedenen Komponenten, insbesondere derer mit größeren optischen Weglängen bzw. Eindringtiefen, dazu, dass verschiedene spektrale Anteile eines Impulses verschiedene Laufzeiten im Resonator aufweisen, wodurch insgesamt die Impulsdauer verlängert wird. Die minimale Impulsdauer wird durch den Betriebszustand bestimmt, bei dem sich Impulsverkürzung durch Modenkopplung und Impulsverlängerung durch Gruppengeschwindigkeitsdispersion kompensieren.
In 3 ist die Gruppengeschwindigkeitsdispersion und die Verstärkung für eine 1 entsprechende Laservorrichtung dargestellt. Aufgetragen ist die berechnete Gruppengeschwindigkeitsdispersion GDD (Group Delay Dispersion) sowie die Verstärkung V in Abhängigkeit der Wellenlänge.
Die Berechnungen wurden für eine aktive Schicht 4 durchgeführt, deren Quantentopfstruktur für eine Emissionswellenlänge von λ₀ = 995 nm ausgelegt ist. Die Verstärkung V wurde in eine fiktive Reflexion umgerechnet, wobei eine Reflexion von 100 einer Verstärkung 1,00 entspricht.
Die Gruppengeschwindigkeitsdispersion weist im Bereich der Emissionswellenlänge λ₀ eine näherungsweise lineare Wellenlängenabhängigkeit mit positiver Steigung auf, wie die gestrichelte Linie A verdeutlicht.
Zu größeren Wellenlängen hin tritt ein Maximum der Gruppengeschwindigkeitsdispersion auf, gefolgt von einem Abfall der Gruppengeschwindigkeitsdispersion. Für kleinere Wellenlängen ist der Verlauf der Gruppengeschwindigkeitsdispersion näherungsweise punktsymmetrisch zum Nulldurchgang in der Nähe von λ₀ mit einem Minimum, jenseits von dem die Gruppengeschwindigkeitsdispersion wieder ansteigt.
Die näherungsweise lineare Wellenlängenabhängigkeit im Bereich der Emissionswellenlänge λ₀ führt bei den erzeugten Laserimpulsen zu einer Frequenzverteilung, die auch als linearer Chirp bezeichnet wird. Dem Maximum bzw. Minimum der Gruppengeschwindigkeitsdispersion entspricht ein nichtlinearer Chirp bzw. ein Chirp höherer Ordnung.
Insgesamt ergibt sich hieraus im Rahmen der Erfindung Folgendes: Die eingangs genannten Scheibenlaser weisen eine Verstärkungsbandbreite auf, die sogar zur Erzeugung von Femtosekundenimpulsen ausreicht. So ergibt sich aus 3 eine Verstärkungsbandbreite ΔV von etwa 15 nm (FWHM). Für sech-Impulse, die im Femtosekundenbereich typisch sind, ergibt sich aus der Energie-Zeit-Unschärfe-Relation ein Bandbreitenprodukt von 0,315, so dass der genannten Verstärkungsbandbreite ΔV eine Impulsdauer von etwa 70 fs entspricht.
Im übrigen ist es im Hinblick auf eine möglichst große Verstärkungsbandbreite von Vorteil, den Halbleiterlaser mit einer entsprechend breitbandigen Antireflexschicht zu versehen. Diese Antireflexschicht kann beispielsweise aus einer dielektrischen oder epitaktisch aufgewachsenen Schichtenfolge bestehen.
Durch die Ausbildung unterschiedlicher Quantenfilme mit einer jeweiligen Verstärkung bei verschiedenen Wellenlängen innerhalb der Quantenfilmstruktur kann die Verstärkungsbandbreite weiter vergrößert werden.
Wie der 3 weiter zu entnehmen ist, beträgt die Gruppengeschwindigkeitsdispersion pro Resonatorumlauf etwa 3200 fs². Ohne Phasenkompensation führt dies zu einer Impulsdauerverlängerung, so dass die allein mit einem Modenkoppler erreichbare Impulsdauer deutlich größer ist als die sich aus dem Bandbreitenprodukt und der Verstärkungsbandbreite ergebende minimale Impulsdauer. Um die Impulsdauer weiter zu reduzieren, ist daher eine Phasenkompensation erforderlich, die insbesondere den linearen Chirp kompensiert.
Eine Laservorrichtung mit einer solchen Phasenkompensationsvorrichtung ist in 4 als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Wie bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein von einer externen Pumpstrahlungsquelle 3 gepumpter Scheibenlaser 1 vorgesehen, dessen externer Resonator von der im Scheibenlaser integrierten Spiegelschicht 5 und dem Auskoppelspiegel 7 gebildet wird.
In dem Resonator ist eine vier Prismen 14, 15, 16, 17 aufweisende Prismenstrecke angeordnet. Bei dieser Prismenstrecke ergeben sich aufgrund der Dispersion der Prismen in Abhängigkeit der Wellenlänge verschiedene optische Pfade bzw. verschiedene Laufzeiten. Die Prismenstrecke ist so ausgelegt, dass mittels der unterschiedlichen Laufzeiten die Gruppengeschwindigkeitsdispersion bzw. der dadurch verursachte lineare Chirp kompensiert wird.
Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist bei der in 4 gezeigten Anordnung kein sättigbarer Absorber bzw. SESAM vorgesehen. Vielmehr fungiert der Halbleiterkörper des Scheibenlaser zugleich als interner Modenkoppler 10 nach dem Prinzip der Kerrlinsen-Modenkopplung. Hierbei wird für die Kerrlinsen-Modenkopplung der nichtlineare Brechungsindex des Halbleitermaterials in dem Halbleiterlaser 1 ausgenutzt.
Der nichtlineare Brechungsindex gibt die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Strahlungsintensität an. Ein Laserimpuls führt somit zu einer räumlichen und zeitlichen Brechungsindexänderung, die näherungsweise einer zeitabhängigen Linse, der sogenannten Kerr-Linse, entspricht. Bei der Kerrlinsen-Modenkopplung ist der Resonator so ausgelegt, dass ein Laserimpuls aufgrund der von ihm selbst erzeugten Kerr-Linse besonders verlustarm im Resonatur umläuft und/oder besonders gut mit dem Pumpvolumen überlappt. Eine gegebenenfalls auftretende thermische Linse kann hierbei unterstützend wirken oder den Resonator zusätzlich stabilisieren.
Alternativ oder zusätzlich kann als interner Modenkoppler auch ein sättigbarer Absorber in den Halbleiterkörper integriert sein.
Statt der gezeigten Prismenstrecke kann auch im Rahmen der Erfindung jede andere Vorrichtung zur Phasenkompensation verwendet werden. Auch eine Phasenkompensation höherer Ordnung kann vorteilhaft sein. Insbesondere kann hierfür eine Vorrichtung mit einem oder mehreren gechirpten Spiegeln, eine Anordnung mit Gittern als dispersiven Elementen, eine entsprechende Anordnung mit Linsen und Spiegeln oder eine Kombination einer optischen Faser mit einem Gitter verwendet werden. Auch Kombinationen dieser Vorrichtungen miteinander können zur Phasenkompensation vorgesehen sein.
Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich dem Resonator eine der genannten Vorrichtungen zur Phasenkompensation nachgeordnet sein, so dass die ausgekoppelten Laserimpulse von dieser Vorrichtung zeitlich komprimiert werden.
Bei einer anderen Variante der Erfindung ist die Vorrichtung zur Phasenkompensation, vorzugsweise in Form eines gechirpten Spiegels, ebenfalls in den Halbleiterkörper integriert.
In 5 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Im Unterschied zu dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist hier zur Phasenkompensation eine Prismenstrecke mit zwei Prismen 14, 15 in Verbindung mit einem Endspiegel 9 vorgesehen, der die Prismenstrecke in sich spiegelt. Als Modenkoppler 10 dient wie bei dem vorigen Ausführungsbeispiel der Halbleiterkörper des Scheibenlasers 1 nach dem Prinzip der Kerrlinsen-Modenkopplung. Alternativ kann der Endspiegel 9 als SESAM ausgeführt oder ein SESAM in den Scheibenlaser integriert sein. Das in 5 dargestellt Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung zur Phasenkompensation vergleichsweise wenig Komponenten aufweist und somit Anzahl der Oberflächen bzw. die Streuverluste an Oberflächen vorteilhaft reduziert ist, was zu geringeren Umlaufverlust im Resonator führt.
In 6 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Laservorrichtung entspricht weitgehend dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Im Unterscheid hierzu ist zwischen dem Faltungsspiegel 8 und dem Halbleiterlaser 1 der Resonator ein weiteres Mal gefaltet.
Diese Faltung ist mit einem zusätzlichen Faltungsspiegel 18 und einem gechirpten Spiegel 19 gebildet. Der gechirpte Spiegel 19 ist so dimensioniert, dass er den aufgrund der Gruppengeschwindigkeitsdispersion entstehenden linearen Chirp und gegebenenfalls auch den nichtlinearen Chirp kompensiert. Vorteilhafterweise sind dabei zur Phasenkompensation besonders wenig Komponenten erforderlich, wobei sich zusätzlich ein gechirpter Spiegel durch eine sehr gute Oberflächenqualität bzw. geringe Streuverlust an der Oberfläche auszeichnet.
Das in 7 dargestellte sechste Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt eine Weiterentwicklung der Erfindung dar, bei der zugleich Laserstrahlung mit zwei unterschiedlichen Grundwellenlänge erzeugt werden kann.
Der Halbleiterlaser 1 entspricht einschließlich der Pumpstrahlungsquelle den bisherigen Ausführungsbeispielen. Der externe Resonator ist mittels eines dichroititischen oder dispersiven Elements, zum Beispiel eines Prismas 14, in zwei Resonatoräste mit einem eigenen Endspiegel 9a, 9b geteilt. Zur Einstellung der Wellenlänge in die beiden Resonatorästen kann eine quer zu den Strahlachsen 11 verschiebbare Spaltblende 20 oder Klinge dienen. Die in dem einen Resonatorast erzeugte Strahlung mit der Wellenlänge λ₁ und die in dem anderen Resonatorast erzeugte Strahlung mit der Wellenlänge λ₂ werden gemeinsam durch den Auskoppelspiegel 7 ausgekoppelt.
In 8 ist ein siebtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im wesentlichen dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht. Im Unterschied hierzu ist wie bei dem vorigen Ausführungsbeispiel das erste Prisma 14 der Prismenstrecke zur Aufspaltung des Resonators in zwei Resonatoräste vorgesehen. In beiden Resonatorästen ist jeweils ein zweites Prisma 15a, 15b angeordnet, das mit zusammen mit dem ersten Prisma 14 und dem jeweiligen Endspiegel 9a, 9b die jeweilige Vorrichtung zur Phasenkompensation bildet.
Zusätzlich kann wie bei dem vorigen Ausführungsbeispiel eine Spaltblende oder Klinge zur Wellenlängenselektion vorgesehen sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da die Prismenstrecke selbst jeweils wellenlängenselektiv wirkt.
Es sei angemerkt, dass sowohl bei dem in 7 als auch bei dem in 8 gezeigten Zweifarbenlasern statt des bzw. der Prismen auch jedes andere dispersive Element, beispielsweise ein Gitter, verwendet werden kann.
Zur Modenkopplung kann einer der Endspiegel 18a, 18b oder auch beide Endspiegel 18a, 18b wie zuvor beschrieben als SESAM ausgeführt sein. Ebenso ist diese Vorrichtung zur Kerrlinsen-Modenkopplung im Halbleiterlaser 1 geeignet.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels sind die beiden Impulse verschiedener Wellenlänge λ₁ und λ₂ miteinander gekoppelt. Hierzu kann beispielsweise bei geeignetem Überlapp der Impulse im Halbleiterkörper des Scheibenlasers 1 die Kreuzphasenmodulation dienen. Dadurch wird eine phasenstarre Kopplung der Impulse bewirkt. Diese Synchronisierung zeichnet sich durch eine vorteilhaft kleine Synchronisierungsungenauigkeit (Jitter) aus, die typischerweise kleiner als 2 fs ist. Eine derartige Vorrichtung kann für eine einfache externe Frequenzkonversion (z.B. SFG, DFG) genutzt werden.
Die oben genannten erfindungsgemäßen Laservorrichtungen sind bevorzugt als Laseroszillator ausgeführt. Es ist im Rahmen der Erfindung aber auch möglich, dass die Laservorrichtung einen Laserverstärker darstellt. In diesem Fall werden Laserimpulse von außen eingekoppelt, etwa durch den Auskoppelspiegel und oder einen optischen Schalter, verstärkt und wieder ausgekoppelt. So kann beispielsweise eine erfindungsgemäße Laservorrichtung als CPA-Verstärker (Chirped Pulse Amplification) mit dem Scheibenlaser als Verstärkermedium ausgeführt sein. Bei einer anderen Variante der Erfindung umfasst die Laservorrichtung zusätzlich einen Laserverstärker, der einer der oben beschriebenen Anordnungen als Laseroszillator nachgeordnet ist.
Weiterhin kann die Erfindung zur effizienten externen oder resonatorinternen Frequenzkonversion, beispielsweise im Rahmen sogenannter χ²-Prozesse wie Frequenzverdopplung, Summen- und Differenzfrequenzerzeugung, sogenannter χ³-Prozesse wie Ramanprozesse, Frequenzverdreifachung, oder sogenannter χⁿ-Prozesse höherer Ordnung wie Frequenzvervierfachung oder Erzeugung höherer Harmonischer in nichtlinearen optischen Medien, genutzt werden.
Als nichtlineares optisches Medium eignen sich zum Beispiel LBO-Kristalle, BBO-Kristalle sowie GaAs- und GaN-Oberflächen.
Bei typischen Strahlungsleistungen von 0,01 W bis 10 W ist weiterhin die Realisierung einer kompakten Weißlichtquelle durch Kontinuumerzeugung, etwa durch externe Fokussierung in Wasser, Glas, Saphir oder BaF möglich. Des weiteren können weitere up- and down-Konverterstoffe wie Leuchtstoffe oder Phosphore zur Erzeugung anderer Wellenlängen genutzt werden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Kombination nicht explizit in den Patentansprüchen angegeben ist.

Claims

Laservorrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen mit einem optisch gepumpten Halbleiterlaser (1), der einen externen Resonator aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem externen Resonator mindestens ein Modenkoppler (10) angeordnet ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterlaser (1) mittels einer extern. angeordneten Pumpstrahlungsquelle (3) optisch gepumpt ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterlaser (1) mittels einer Pumpstrahlungsquelle (3a,3b) optisch gepumpt ist, die in den Halbleiterlaser (1) monolithisch integriert ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Modenkoppler (10) ein passiver Modenkoppler ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Modenkoppler (10) ein sättigbarer Absorber ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Modenkoppler ein sättigbarer Absorber aus einem Halbleitermaterial ist.
Laservorrichtung nach Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Modenkoppler (10) in den Halbleiterlaser (1) monolithisch integriert ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Modenkoppler (10) mit einem Resonatorspiegel (9) kombiniert ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator eine Vorrichtung zur Phasenkompensation aufweist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Resonator eine Vorrichtung zur Phasenkompensation nachgeordnet ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Phasenkompensation mindestens ein Prisma (14, 15, 16, 17), ein Gitter, einen linearen oder gechirpten Spiegel (19), eine Linse und/oder eine optische Faser aufweist.
Laservorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator einen gechirpten Faltungsspiegel (19) aufweist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator einen ersten Resonatorast zur Erzeugung von Laserimpulsen mit einer Grundwellenlänge λ₁ und einen zweiten Resonatorast zur Erzeugung von Laserimpulsen mit einer Grundwellenlänge λ₂ aufweist.
Laservorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserimpulsen mit der Grundwellenlänge λ₁ und die Laserimpulse mit der Grundwellenlänge λ₁ miteinander phasenstarr gekoppelt sind.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserimpulse eine Impulsdauer aufweisen, die kleiner als 100 ps, vorzugsweise kleiner als 20 ps, besonders bevorzugt kleiner als 1 ps ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung ein Laseroszillator ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung ein Laserverstärker ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserverstärker ein CPA-Verstärker ist.