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DE10312742A1 - Optisch gepumpte Halbleiterlaservorrichtung - Google Patents

Optisch gepumpte Halbleiterlaservorrichtung Download PDF

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DE10312742A1
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vertically emitting
pump
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Abstract

Bei einer optisch gepumpten Halbleiterlaservorrichtung mit einem vertikal emittierenden Laser (12) mit einer Strahlung erzeugenden Emitterschicht und einer Pumpstrahlungsquelle (22) zum optischen Pumpen des vertikal emittierenden Lasers (12) ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der vertikal emittierende Laser (12) eine Absorberschicht zur Zwei-Photonen-Absorption von Strahlung der Pumpstrahlungsquelle (22) aufweist, deren Wellenlänge kleiner ist als die doppelte Laserwellenlänge, um Zwei-Photonen-Übergänge in der Absorberschicht anzuregen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine optisch gepumpte Halbleiterlaservorrichtung mit einem vertikal emittierenden Laser mit einer Strahlung erzeugenden Emitterschicht, und einer Pumpstrahlungsquelle zum optischen Pumpen des vertikal emittierenden Lasers.
  • Optisch gepumpte oberflächenemittierende Halbleiterlaser sind als Emitter infraroter Strahlung mit hoher Strahlqualität bekannt. Bei dem Versuch, derartige Konzepte für eine Emission im sichtbaren Spektralbereich anzuwenden, ergibt sich jedoch die Schwierigkeit, daß im sichtbaren Spektralbereich keine zufriedenstellend leistungsfähige Halbleiter-Pumplaser zur Verfügung stehen.
  • Um diesem Problem zu begegnen, ist vorgeschlagen worden, nichtlineare optische Elemente in den externen Resonator eines vertikal emittierenden Infrarotlasers einzubringen. Beispielsweise ist in der Druckschrift US 5,991,318 ein optisch gepumpter Vertikalresonator-Halbleiterlaser mit einer monolithischen oberflächenemittierenden Halbleiterschichtstruktur beschrieben. Die optische Pumpstrahlung, deren Wellenlänge kleiner ist als die der erzeugten Laserstrahlung, wird bei dieser Vorrichtung von einer kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode geliefert, die extern so angeordnet ist, daß die Pumpstrahlung schräg von vorne in den Verstärkungsbereich der oberflächenemittierenden Halbleiterschichtstruktur eingestrahlt wird.
  • In der Anordnung der US 5,991,318 ist ein optisch nichtlinearer Kristall und ein doppelbrechendes Filter in den externen Resonator eingebracht, um aus der infraroten Ausgangsstrahlung der vertikal emittierenden Halbleiterschichtstruktur durch Frequenzverdoppelung Strahlung im sichtbaren Spektral bereich zu erhalten. Bei der dort geschilderten bevorzugten Gestaltung werden fünfzehn aktive InGaAs-Schichten, die durch InGaAsP-Zwischenschichten voneinander getrennt sind, mit einer Anregungswellenlänge von 808 nm gepumpt. Die Laseremission des Vertikalemitters wird mit dem doppelbrechenden Filter auf 976 nm eingestellt. Ein optisch nichtlinearer LiB3O5- Kristall im Resonator erzeugt aus dieser Ausgangsstrahlung eine frequenzverdoppelte Emission bei 488 nm.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Halbleiterlaservorrichtung anzugeben, die eine Laseremission im sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich mit hoher Strahlqualität ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch die optisch gepumpte Halbleiterlaservorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 33 hervor.
  • Bei einer optisch gepumpten Halbleiterlaservorrichtung gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß bei einer Halbleiterlaservorrichtung der eingangs genannten Art der vertikal emittierende Laser eine Absorberschicht zur Zwei-Photonen-Absorption von Strahlung der Pumpstrahlungsquelle aufweist, deren Wellenlänge kleiner ist als die doppelte Laserwellenlänge, um Zwei-Photonen-Übergänge in der Absorberschicht anzuregen.
  • Die Erfindung beruht also darauf, eine Zwei-Photonen-Absorption zum Pumpen eines vertikal emittierenden Halbleiterlasers für eine direkte Laseremission im sichtbaren Spektralbereich, insbesondere für direkte grüne oder blaue Laseremission zu verwenden. Dabei geht die Erfindung insbesondere von der Erkenntnis aus, daß die halben Wellenlängen von verfügbaren leistungsstarken Infrarotlasern, die beispielsweise bei 808 nm oder 940 nm emittieren, ausgezeichnet zu typischen Übergängen der Halbleitersysteme für direkte grüne oder blaue Emission passen. Somit ermöglicht das optische Pumpen über eine Zwei-Photonen-Absorption eine direkte Emission grüner oder blauer Laserstrahlung aus mit Infrarotstrahlung optisch gepumpten Halbleiterkomponenten.
  • Der vertikal emittierende Halbleiterlaser enthält dazu zumindest eine Absorberschicht, die die Pumpstrahlung in Zwei-Photonen-Prozessen absorbiert und zumindest eine Emitterschicht, in der sich die in den Absorberschichten erzeugten Ladungsträgerpaare sammeln, rekombinieren und eine der Bandlücke entsprechende Strahlung emittieren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Halbleiterlaservorrichtung ist vorgesehen, daß die Emitterschicht des vertikal emittierenden Lasers zur Emission von Strahlung im sichtbaren Spektralbereich, insbesondere im grünen oder blauen Spektralbereich eingerichtet ist.
  • Die Pumpstrahlungsquelle emittiert bevorzugt Pumpstrahlung im infraroten Spektralbereich, was die Nutzung weit verbreiteter und leistungsfähiger Infrarotlaser erlaubt. Mit Vorteil ist die Pumpstrahlungsquelle in der Erfindung durch einen Diodenlaser, insbesondere durch einen Hochleistungsdiodenlaser gebildet.
  • Die Emitterschicht des vertikal emittierenden Lasers enthält bevorzugt GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, AlN InN, ZnS, ZnSe, ZnCdS ZnCdSe ZnMgSe oder ZnMgSSe. Die Absorberschicht des vertikal emittierenden Lasers enthält bevorzugt ebenfalls GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, AlN InN, ZnS, ZnSe, ZnCdS ZnCdSe ZnMgSe oder ZnMgSSe. Allerdings unterscheidet sich in der Regel die Zusammensetzung der Absorberschicht von der Zusammensetzung der Emitterschicht, um so eine geeignet kleinere Bandlücke der Emitterschicht zu erzeugen.
  • Durch Pumpstrahlungsquellen mit einer Wellenlänge von 808 nm können beispielsweise im Materialsystem (In)GaN in der Absor berschicht Übergänge bei 404 nm gepumpt werden, durch Pumpstrahlungsquellen mit einer Wellenlänge von 940 nm im Materialsystem (In)GaN oder im Materialsystem Zn(Cd)Se Übergänge bei 470 nm, oder durch Pumpstrahlungsquellen mit einer Wellenlänge von 980 nm im Materialsystem (In)GaN oder im Materialsystem Zn(Cd)Se Übergänge bei 490 nm.
  • Nach derartigen Anregungen läßt sich aus den Emitterschichten grüne oder blaue Emission erzielen, beispielsweise bei Wellenlängen oberhalb von 404 nm bzw. oberhalb von 460 nm im Materialsystem (In)GaN oder oberhalb von 460 nm im Materialsystem Zn(Cd)Se.
  • Die Emitterschicht und/oder die Absorberschicht der Halbleiterlaservorrichtung weist zweckmäßig eine Quantentopf- oder eine Mehrfachquantentopf-Struktur auf.
  • Die Quantentopfschichten der Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur können auch gleichzeitig als Emitter- und Absorberschichten fungieren. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn höhere energetische Zustände eines Quantentopfs durch Zwei-Photonenabsorption angeregt werden und nach einer Relaxation in ein tieferes Niveau die Laseremission aus demselben Quantentopf erfolgt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Halbleiterlaservorrichtung ist vorgesehen, daß der vertikal emittierende Laser eine hochreflektierende Spiegelschicht aufweist. Die hochreflektierende Spiegelschicht kann dabei mit Vorteil durch einen verteilten Bragg-Reflektor gebildet sein. Bei bestimmten Anordnungen kann es jedoch auch zweckmäßig sein, die hochreflektierende Spiegelschicht als eine nachträglich aufgebrachte dielektrische Beschichtung des vertikal emittierenden Lasers auszubilden.
  • In diesem Zusammenhang ist bei einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung vorzugsweise ein externer Reflektor vorgesehen, der zusammen mit der hochreflektierenden Spiegelschicht einen Laserresonator bildet.
  • Besonders hohe Verstärkung wird erzielt, wenn die Emitterschicht oder, falls mehr als eine Emitterschicht vorgesehen sind, mehrere Emitterschichten in solchen Bereichen angeordnet sind, in denen die Feldstärke des stehenden Resonatorfeldes maximal ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung enthält der vertikal emittierende Laser der Halbleiterlaservorrichtung mehrere Emitterschichten, die in vertikaler Richtung einen Abstand aufweisen, der der Hälfte der Laserwellenlänge entspricht. Dadurch kann in einfacher Weise sichergestellt werden, daß die Feldstärkenmaxima des stehenden Resonatorfeldes gerade mit den Positionen der Emitterschichten zusammenfallen.
  • In dem Laserresonator sind in bevorzugten Ausgestaltungen ein oder mehrere weitere optische Elemente angeordnet, insbesondere ein optisch nichtlinearer Kristall, ein Modulator, ein Etalon oder ein doppelbrechendes Filter.
  • Beispielsweise kann in dem Laserresonator mit Vorteil ein optisch nichtlinearer Kristall zur Frequenzverdopplung der Laserwellenlänge in den ultravioletten Spektralbereich vorgesehen sein. Dadurch wird ein optisch gepumpter Halbleiterlaser mit hoher Strahlqualität und mit Emission im UV geschaffen.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist bei einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung zum frontalen Pumpen vorgesehen, daß die Pumpstrahlungsquelle so angeordnet ist, daß die Pumpstrahlung unter einem Winkel ϕ, mit 0 < ϕ < 90°, auf die emittierende Oberfläche des vertikal emittierenden Lasers trifft. Der Winkel ϕ stellt dabei den Winkel zwischen dem einfallenden Pumpstrahl und der Normalen auf die emittierende Oberfläche des vertikal emittierenden Lasers dar.
  • Die Emitterschicht und die Absorberschicht des vertikal emittierenden Lasers sind beim frontalen Pumpen vorzugsweise auf einem Siliziumkarbid-Substrat aufgebracht, um eine gute Wärmeabführung der durch nichtstrahlende Prozesse erzeugten Verlustwärme zu gewährleisten.
  • Um eine erhöhte Ausnutzung der Pumpstrahlung zu erreichen, ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Anordnung zum frontalen Pumpen eine mit der Pumplichtquelle zusammenwirkende optische Anordnung vorgesehen, die die Pumpstrahlung zwei- oder mehrfach durch die Absorberschicht führt. Im einfachsten Fall kann die optische Anordnung lediglich aus einem Spiegel bestehen, der den von dem vertikal emittierenden Laser reflektierten Anteil der Pumpstrahlung auf den Vertikalemitter zurückreflektiert und ein zweites Mal in die Absorberschicht einkoppelt.
  • Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist bei einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung zum rückseitigen Pumpen vorgesehen, daß die Emitterschicht und die Absorberschicht des vertikal emittierenden Lasers auf einem für die Pumpstrahlung transparenten Substrat aufgebracht sind, und daß die Pumpstrahlungsquelle so angeordnet ist, daß die Pumpstrahlung unter einem Winkel ϕ, mit 0 <= ϕ < 90°, auf die rückseitige Oberfläche des Substrats auftrifft. Der Winkel ϕ stellt dabei den Winkel zwischen dem einfallenden Pumpstrahl und der Normalen auf die Substratoberfläche dar.
  • Bei dem rückseitigen Pumpen des vertikal emittierenden Lasers ist das Substrat bevorzugt durch ein hochtransparentes Saphirsubstrat oder ein undotiertes, transparentes SiC-Substrat gebildet.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung kann die Pumpstrahlungsquelle der frontal oder rückseitig gepumpten Halbleiterlaservorrichtung einen externen Pumpresonator aufweisen, der reso natorintern ein aktives Element (= das zu pumpende Halbleiterelement) enthält. Es kann ebenfalls mit Vorteil vorgesehen sein, daß die Pumpstrahlungsquelle resonant an einen externen Pumpresonator hoher Güte gekoppelt ist, wobei der externe Pumpresonator ein aktives Element enthält.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist bei einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung die Pumpstrahlungsquelle zum lateralen Pumpen des vertikal emittierenden Lasers angeordnet und koppelt Pumpstrahlung über eine erste Seitenfläche des vertikal emittierenden Lasers in die Absorberschicht ein.
  • Zur Erhöhung und Bündelung der im Halbleiterlaser laufenden Strahlungsintensität kann der vertikal emittierende Laser in diesem Fall Wellenleiterschichten zur lateralen Führung der eingekoppelten Pumpstrahlung aufweisen.
  • Darüber hinaus kann eine der ersten Seitenfläche gegenüber liegende zweite Seitenfläche des vertikal emittierenden Lasers zur Reflexion der Pumpstrahlung verspiegelt sein, so daß ein Zweifachdurchgang der Pumpstrahlung durch das aktive Medium erreicht wird.
  • Besonders effizient wird die Anregung, wenn die Pumpstrahlungsquelle einen externen Pumpresonator aufweist, der durch eine Endfacette der Pumpstrahlungsquelle und die verspiegelte zweite Seitenfläche des vertikal emittierenden Lasers gebildet ist. Die zur Verfügung stehende Leistung kann durch diese Maßnahme erhöht werden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine zweite Pumpstrahlungsquelle zum lateralen Pumpen des vertikal emittierenden Lasers vorgesehen, die Pumpstrahlung über eine dritte Seitenfläche des vertikal emittierenden Lasers in die Absorberschicht einkoppelt, um einen Überlappbereich mit der Strahlung der ersten Pumpstrahlungsquelle zu bilden. In dem Überlappungsbereich verdoppelt sich bei gleicher Pumpleistung der beiden Pumpstrahlungsquellen die Intensität und führt so zu einer deutlich erhöhten Zwei-Photonen-Absorption.
  • Auch in diesem Zusammenhang kann mit Vorteil vorgesehen sein, daß eine der dritten Seitenfläche gegenüber liegende vierte Seitenfläche des vertikal emittierenden Lasers zur Reflexion der Pumpstrahlung verspiegelt ist. Auch die zweite Pumpstrahlungsquelle kann einen externen Pumpresonator aufweisen, der durch eine Endfacette der zweiten Pumpstrahlungsquelle und die verspiegelte vierte Seitenfläche des vertikal emittierenden Lasers gebildet ist.
  • Es versteht sich, daß auch mehr als zwei Pumpstrahlungsquellen vorgesehen sein können, um besonders große Intensitäten im Kreuzungspunkt der Strahlengänge zu erhalten. Beispielsweise kann der vertikal emittierende Laser in Form eines Hexagons ausgeführt sein, in das über drei Seitenflächen Pumpstrahlung eingekoppelt wird, und bei dem die drei jeweils gegenüberliegenden Seitenflächen verspiegelt sind.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der vertikal emittierende Laser für die Pumpstrahlung als ein Resonator hoher Güte ausgebildet, in den die Pumpstrahlung resonant einkoppelbar ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Zeichnungen.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es sind jeweils nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt.
  • Dabei zeigt
  • 1 eine schematische Darstellung einer frontal optisch gepumpten Halbleiterlaservorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung einer frontal optisch gepumpten Halbleiterlaservorrichtung nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 3 eine schematische Darstellung einer rückseitig optisch gepumpten Halbleiterlaservorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 4 eine schematische Darstellung einer lateral optisch gepumpten Halbleiterlaservorrichtung nach noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
  • 5 eine schematische Aufsicht auf eine lateral optisch gepumpte Halbleiterlaservorrichtung nach noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Zwei-Photonen-gepumpten Halbleiterlaservorrichtung 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die frontal gepumpte Halbleiterlaservorrichtung 10 enthält ein vertikal emittierendes Scheibenelement 12, einen Pumplaser 22, dessen Pumpstrahlung 28 durch die Pumpoptik 24 auf das Scheibenelement 12 gebündelt wird und einen externen Resonatorspiegel 26. Im Ausführungsbeispiel ist der Pumplaser 22 durch einen Hochleistungsdiodenlaser mit einer Emissionswellenlänge von 808 nm gebildet.
  • Das Scheibenelement 12 umfaßt ein gut wärmeabführendes SiC-Substrat 14 und einen Bragg-Spiegel 16, welcher durch eine Schichtenfolge gebildet ist, die für die Emissionswellenlänge eine hochreflektierende Spiegelschicht darstellt. Über dem Bragg-Spiegel 16 ist ein Bereich aktiver Schichten 18 aufgewachsen, der die auf die Pumpstrahlung ausgerichteten Absorberschichten und die auf die Emissionswellenlänge ausgerichteten Emitterschichten enthält.
  • Im Ausführungsbeispiel sind Absorber- und Emitterschichten jeweils durch Mehrfachquantentopf-Strukturen auf Basis des InGaN-Materialsystems gebildet und zur Zwei-Photonen-Anregung eines Übergangs bei 404 nm (entsprechend zwei 808 nm-Photonen) und zur Emission im blauen Spektralbereich oberhalb von 404 nm ausgelegt. Auf dem Bereich aktiver Schichten ist eine optische dielektrische Beschichtung 20 aufgebracht.
  • Der externe Resonatorspiegel 26 bildet zusammen mit dem Bragg-Spiegel 16 in an sich bekannter Weise einen Laserresonator für das Strahlungsfeld 30, aus dem die blaue Laserstrahlung 32 des Halbleiterlasers ausgekoppelt wird. In den Resonator können in dem Fachmann an sich bekannter Weise weitere optische Elemente, etwa zur genauen Einstellung der Laserwellenlänge oder zur Modenselektion eingebracht werden.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer frontal gepumpten Halbleiterlaservorrichtung nach der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Pumplaser 22 durch eine bei 940 nm emittierende Hochleistungslaserdiode gebildet, die Übergänge in den InGaN-Absorberschichten bei 470 nm (entsprechend zwei 940 nm-Photonen) induziert.
  • Zusätzlich zu den bereits bei 1 beschriebenen Elementen ist ein weiterer externer Spiegel 34 vorgesehen, der die von dem Scheibenelement 12 reflektierte Pumpstrahlung 36 auf das Scheibenelement 12 zurückreflektiert. Die Pumpstrahlung kann somit die Absorberschichten mehrfach durchlaufen, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
  • Darüber hinaus ist in dem durch die Spiegel 16 und 26 gebildeten Resonator ein optisch nichtlinearer BBO (Beta Barium Borat) Kristall angeordnet, der die von den Emitterschichten erzeugte Ausgangsstrahlung frequenzverdoppelt, so daß aus dem Resonator ultraviolette Strahlung hoher Strahlqualität ausgekoppelt werden kann. Anstelle des BBO-Kristalls kann selbstverständlich auch ein anderer nichtlinearer Kristall, etwa KBO (KB5O8:4H2O, Kaliumpentaborat tetrahydrat) oder DADA (ND4D2AsO4, deuteriertes Ammoniumdihydrogenarsenat) verwendet werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel mit rückseitigem Pumpen ist in der 3 dargestellt. Der Strahlung 28 des Pumplasers 22 fällt dabei senkrecht (ϕ = 0) auf die Oberfläche des Substrats 40 ein. Um Verluste durch Absorption der Pumpstrahlung möglichst gering zu halten, ist die Schichtenfolge des Scheibenelements 12 der 3 auf ein hochtransparentes Saphirsubstrat 40 aufgewachsen. Das Substrat 40 ist vorzugsweise mit einer Antireflexschicht 52 für die Pumpstrahlung versehen.
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer lateralen Pumpanordnung nach der Erfindung. Die als Pumplaser 22 eingesetzte Hochleistungslaserdiode emittiert bei 980 nm und pumpt Übergänge bei 490 nm in den Zn(Cd)Se-Absorberschichten des Scheibenelements 12, in die sie über eine Seitenfläche 45 des Scheibenelements eingekoppelt wird. Der die Absorberschichten und die Emitterschichten enthaltende Bereich aktiver Schichten 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen zwei Wellenleiterschichten 42 und 44 eingeschlossen, die die Pumpstrahlung im aktiven Bereich 18 führen. Bevorzugt sind die Wellenleiterschichten als Steg- oder Rippenwellenleiter ausgebildet.
  • Die Endfläche 46 des Scheibenelements 12 ist verspiegelt, um einen zweimaligen Durchlauf der Pumpstrahlung durch den aktiven Bereich 18 zu erreichen.
  • Die verspiegelte Endfläche 46 und eine Endfacette 48 des Pumplasers 22 bilden in einer besonders bevorzugten Ausführungs form einen externen Resonator, in dem dann eine besonders hohe Pumpleistung für die Zwei-Photon-Absorption zur Verfügung steht.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 5 dargestellt. Die laterale Pumpanordnung der 5 ist analog zu der in 4 beschriebenen lateralen Pumpanordnung aufgebaut, enthält jedoch statt einer Pumpquelle zwei gleichartige Pumpstrahlungsquellen 22 und 22A, deren Pumpstrahlung jeweils über eine Optik 24 bzw. 24A an zwei aneinandergrenzenden Seitenflächen 45 bzw. 45A des Scheibenelements 12 eingekoppelt wird.
  • Im Überlappungsbereich 50 der beiden Pumpstrahlgänge ergibt sich eine besonders hohe Strahlungsintensität. Zur weiteren Steigerung der Pumpintensität sind jeweils die den Einkoppelflächen gegenüber liegenden Seitenflächen 46 und 46A des Scheibenelements 12 verspiegelt, so daß jeder Pumpstrahl das aktive Medium zumindest zweimal durchläuft.
  • Es versteht sich, daß die in der Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung sowohl einzeln als auch in jeder möglichen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein können.

Claims (33)

  1. Optisch gepumpte Halbleiterlaservorrichtung mit – einem vertikal emittierenden Laser (12) mit einer Strahlung erzeugenden Emitterschicht, und – einer Pumpstrahlungsquelle (22) zum optischen Pumpen des vertikal emittierenden Lasers (12), dadurch gekennzeichnet, daß – der vertikal emittierende Laser (12) eine Absorberschicht zur Zwei-Photonen-Absorption von Strahlung der Pumpstrahlungsquelle aufweist, deren Wellenlänge kleiner ist als die doppelte Laserwellenlänge, um Zwei-Photonen-Übergänge in der Absorberschicht anzuregen.
  2. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterschicht des vertikal emittierenden Lasers (12) zur Emission von Strahlung im sichtbaren Spektralbereich, insbesondere im grünen oder blauen Spektralbereich eingerichtet ist.
  3. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlungsquelle (22) Strahlung im infraroten Spektralbereich emittiert.
  4. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlungsquelle (22) durch einen Diodenlaser, insbesondere durch einen Hochleistungsdiodenlaser, gebildet ist.
  5. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterschicht des vertikal emittierenden Lasers (12) GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, AlN InN, ZnS, ZnSe, ZnCdS ZnCdSe ZnMgSe oder ZnMgSSe enthält.
  6. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberschicht des vertikal emittierenden Lasers (12) GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, AlN InN, ZnS, ZnSe, ZnCdS ZnCdSe ZnMgSe oder ZnMgSSe enthält.
  7. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterschicht eine Quantentopf- oder eine Mehrfachquantentopf-Struktur aufweist.
  8. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberschicht eine Quantentopf- oder eine Mehrfachquantentopf-Struktur aufweist.
  9. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantentopfschichten der Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur gleichzeitig als Emitter- und Absorberschichten fungieren.
  10. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikal emittierende Laser (12) eine hochreflektierende Spiegelschicht (16) aufweist.
  11. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die hochreflektierende Spiegelschicht (16) durch einen verteilten Bragg-Reflektor gebildet ist.
  12. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die hochreflektierende Spiegelschicht (16) durch eine dielektrische Beschichtung des vertikal emittierenden Lasers (12) gebildet ist.
  13. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein externer Reflektor (26) vorgesehen ist, der zusammen mit der hochreflektierenden Spiegelschicht (16) einen Laserresonator bildet.
  14. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterschicht oder gegebenenfalls mehrere Emitterschichten in solchen Bereichen angeordnet sind, in denen die Feldstärke des stehenden Resonatorfeldes maximal ist.
  15. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikal emittierende Laser (12) mehrere Emitterschichten enthält, die in vertikaler Richtung einen Abstand aufweisen, der der Hälfte Laserwellenlänge entspricht.
  16. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Laserresonator (16, 26) ein oder mehrere weitere optische Elemente (38) angeordnet sind, insbesondere ein optisch nichtlinearer Kristall, ein Modulator, ein Etalon oder ein doppelbrechendes Filter.
  17. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Laserresonator (16, 26) ein optisch nichtlinearer Kristall (38) zur Frequenzverdopplung der Laserwellenlänge in den ultravioletten Spektralbereich vorgesehen ist.
  18. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlungsquelle (22) so angeordnet ist, daß die Pumpstrahlung (28) unter einem Winkel ϕ, mit 0 < ϕ < 90°, auf die emittierende Oberfläche des vertikal emittierenden Lasers (12) trifft.
  19. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterschicht und die Absorberschicht des vertikal emittierenden Lasers (12) auf einem Siliziumkarbid-Substrat (14) aufgebracht sind.
  20. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Pumpstrahlungsquelle (22) zusammenwirkende optische Anordnung (34) vorgesehen ist, die die Pumpstrahlung im Zusammenwirken mit einer hochreflektierenden Spiegelschicht (16) zwei- oder mehrfach durch die Absorberschicht führt.
  21. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterschicht und die Absorberschicht des vertikal emittierenden Lasers (12) auf einem für die Pumpstrahlung transparenten Substrat (40) aufgebracht sind, und die Pumpstrahlungsquelle (22) so angeordnet ist, daß die Pumpstrahlung (28) unter einem Winkel ϕ, mit 0 <= ϕ < 90°, auf die rückseitige Oberfläche des Substrats (40) auftrifft.
  22. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (40) durch ein hochtransparentes Saphirsubstrat oder ein undotiertes, transparentes Siliziumkarbid-Substrat gebildet ist.
  23. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (40) an seiner rückseitigen Oberfläche mit einer Antireflexschicht (52) versehen ist.
  24. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlungsquelle (22) einen externen Pumpresonator aufweist, der resonatorintern ein aktives Element enthält.
  25. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlungsquelle (22) resonant an einen externen Pumpresonator hoher Güte gekoppelt ist, wobei der externe Pumpresonator ein aktives Element enthält.
  26. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlungsquelle (22) zum lateralen Pumpen des vertikal emittierenden Lasers (12) angeordnet ist und Pumpstrahlung über eine erste Seitenfläche (45) des vertikal emittierenden Lasers (12) in die Absorberschicht einkoppelt.
  27. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikal emittierende Laser (12) Wellenleiterschichten (42, 44) zur lateralen Führung der eingekoppelten Pumpstrahlung aufweist.
  28. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß eine der ersten Seitenfläche (45) gegenüber liegende zweite Seitenfläche (46) des vertikal emittierende Lasers (12) zur Reflexion der Pumpstrahlung verspiegelt ist.
  29. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlungsquelle (22) einen externen Pumpresonator aufweist, der durch eine Endfacette (48) der Pumpstrahlungsquelle (22) und die verspiegelte zweite Seitenfläche (46) des vertikal emittierenden Lasers (12) gebildet ist.
  30. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Pumpstrahlungsquelle (22A) zum lateralen Pumpen des vertikal emittierenden Lasers (12) vorgesehen ist, die Pumpstrahlung über eine dritte Seitenfläche (45A) des vertikal emittierenden Lasers (12) in die Absorberschicht einkoppelt, um einen Überlappbereich (50) mit der Strahlung der ersten Pumpstrahlungsquelle (22) zu bilden.
  31. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß eine der dritten Seitenfläche (45A) gegenüber liegende vierte Seitenfläche (46A) des vertikal emittierenden Lasers (12) zur Reflexion der Pumpstrahlung verspiegelt ist.
  32. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Pumpstrahlungsquelle (22A) einen externen Pumpresonator aufweist, der durch eine Endfacette der zweiten Pumpstrahlungsquelle (22A) und die verspiegelte vierte Seitenfläche (46A) des vertikal emittierenden Lasers (12) gebildet ist.
  33. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikal emittierende Laser (12) für die Pumpstrahlung als ein Resonator hoher Güte ausgebildet ist, in den die Pumpstrahlung resonant einkoppelbar ist.
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