DE19548647C2 - Durchstimmbare, justierstabile Halbleiterlaserlichtquelle sowie ein Verfahren zur optisch stabilen, weitgehend kontinuierlichen Durchstimmung von Halbleiterlasern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle mit breitbandig verstärkendem, schmalbandig durchstimmbarem aktivem Medium, insbesondere eine Halbleiterlaserlichtquelle, die sich durch die Möglichkeit der zumindest in breiten Bereichen der Lasergewinnkurve moden­ sprungfreien Durchstimmung der Laserwellenlänge sowie zugleich durch hohe optische Stabilität auszeichnet. Anwendungsgebiet für eine derartige Lichtquelle ist unter anderem die optische Spektroskopie.

Durchstimmbare Lichtquellen mit einem Halbleiterlaser als aktivem Element sind in vielen Varianten bekannt. Darunter sind auch solche, die in einem mehr oder weniger breiten Spektralbereich eine kontinuierliche Durchstimmung ermöglichen bzw. bei Inkaufnahme von Wellenlängensprüngen zumindest das Einstellen jeder beliebigen Wellenlänge innerhalb eines gegebenen Intervalls gestatten.

Für die kontinuierliche Durchstimmbarkeit über einen gegebenen Wellenlängenbereich ist es notwendig, daß während der Durchstimmung der Emissionswellenlänge des Lasers sich gleichzeitig die optische Weglänge im Resonator passend mitändert, derart, daß bei Einmodenbetrieb die Nummer der schwingenden Longitudinalmode in dem genannten Bereich erhalten bleibt und Modensprünge vermieden werden. Derartige Lichtquellen sind als mono­ lithische Bauelemente und als Hybridanordnungen bekannt.

Monolithische Bauelemente zeichnen sich durch Kompaktheit und dadurch aus, daß die Abstimmung der Emissionswellenlänge und die passende Weglängenänderung im Resonator allein mit elektronischen Mitteln in Übereinstimmung zu bringen sind. Der Bereich kontinuier­ licher Durchstimmbarkeit ist jedoch um mindestens einen Faktor 2 bis 5 schmaler als die Lasergewinnkurve. Bisher wurde ein nutzbarer kontinuierlicher Durchstimmbereich von 9 nm bei einer Zentralwellenlänge von 1555 nm (entsprechend etwa 0,6%) erreicht /T. Wolf, S. Illek, J. Rieger, B. Borchert, M.-C. Amann: Extended continuous tuning range (over 10 nm) of tunable twin-guide lasers, Technical Digest Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO '94), Anaheim, May 8-13, 1994, CWB1/.

Hybridanordnungen bestehen im wesentlichen aus einer Laserdiode, die vorzugsweise ein­ seitig weitestgehend entspiegelt ist, so daß diese als Resonator möglichst nicht mehr in Erscheinung tritt, und einem externen Resonatoranteil, der eine wellenlängenselektive, durch­ stimmbare Rückkopplung des emittierten Lichtes auf die entspiegelte Laserfacette gestattet. Hierbei ist ein Durchstimmen über die gesamte Gewinnkurve des Lasers möglich. Prinzipiell kann die Anpassung der Resonatorlänge getrennt von der Selektion des rückgekoppelten Spektralbereiches ohne Rücksicht auf weitere Parameter erfolgen. Bisher sind jedoch nur relativ komplizierte Anordnungen bekannt, diese Anpassung mehr oder weniger automatisiert zu verwirklichen. Den Stand der Technik repräsentieren die folgenden drei Lösungen: Die erste Lösung wurde von Favre et al. beschrieben /F. Favre, D. Le Guen, J. C. Simon, B. Landousies: External-cavity semiconductor laser with 15 nm continuous tuning range, Electronic Letters, Vol. 22, No. 15, 17-07-86, 795-796/. Das von der entspiegelten Laser­ facette ausgehende Licht wird durch eine Optik kollimiert und gelangt als paralleles Bündel unter einem bestimmten Winkel auf ein ebenes Beugungsgitter. Das wieder in die Einfalls­ richtung gebeugte Licht trifft nach Durchlaufen der Optik wieder in den Laser zurück. Die Besonderheit dieser Lösung besteht darin, daß die Drehung des Gitters (Durchstimmung des selektierten Bereiches) mit Hilfe zweier Translationselemente und einer Koppelstange mecha­ nisch mit der Resonatorlängeneinstellung verknüpft ist, so daß ein kontinuierliches Durch­ stimmen der Laserwellenlänge über 1,2% der mittleren Wellenlänge gelang. Die Anordnung des Gitters auf einem Piezotranslator erlaubt das Auskorrigieren kleiner Abweichungen.

Ein wesentlicher Nachteil dieses, wie vieler anderer Aufbauten auch, besteht darin, daß das Laserlicht naturgemäß als kollimiertes Strahlenbündel zurückgekoppelt wird. Dies führt dazu, daß außer den beiden Freiheitsgraden, die zur sprungfreien Wellenlängendurchstimmung nötig sind (Verschiebung und Drehung des Gitters) noch zwei weitere Freiheitsgrade, die aber nicht zur Verstellung irgendeines Ausgangsparameters benötigt werden, sehr empfindlich in optimaler Stellung zu halten sind. Zum einen ist dies die Kippung des Strahlenganges senk­ recht zur Dispersionsrichtung des Gitters und zum anderen die Verschiebung des Laserchips entlang der optischen Achse gegenüber dem Kollimator, um die notwendige exakte Abbildung der Laserfacette auf sich selbst zu erreichen. Da die optisch wirksame Facette des Laserchips sehr klein ist, ergeben sich dadurch hohe Anforderungen an die Präzision und Stabilität der Mechanik. Erschwerend ist dabei, daß es innerhalb dieser zweidimensionalen Justiermöglich­ keit nur eine optimale Stellung und nur einen als Maßstab verwendbaren Ausgangsparameter, nämlich die abgegebene Strahlungsleistung, gibt. Dieser Nachteil gilt entsprechend auch für die beiden folgenden Beispiele.

In /W. Führmann, W. Demtröder: A Continuously Tunable GaAs Diode Laser with an Exiemal Resonator, Appl. Phys. B 49, 29-32 (1989)/ wird ebenfalls eine Hybridanordnung beschrieben. Der Zusammenhang zwischen selektiertem Spektralbereich und optischer Weg­ länge im Resonator wird hier mit einer elektronischen Regelung hergestellt; Stellglied zum Anpassen der wirksamen Resonatorlänge ist eine durch einen Galvanometerantrieb drehbare Brewsterplatte. Es wird ein Gesamtdurchstimmbereich von 1,8% der mittleren Emissionswellenlänge, davon aber nur jeweils 0,014% kontinuierlich, erreicht.

Die EP 0335691 A1, H 01 S 3/08 enthält eine Lösung, bei der die Resonatorlängenänderung allein durch einen Piezotranslator erfolgt. Soll über mehr als den Bruchteil eines Moden­ abstandes kontinuierlich durchgestimmt werden, ist hier ebenfalls eine elektronische Regelung erforderlich. Wegen des begrenzten Stellweges des Piezotranslators ist der kontinuierlich durchstimmbare Bereich auch bei diesem Konzept gering.

Der mechanische Aufbau der ersten Lösung erlaubt wegen seines langen Stellweges für die Resonatorlänge als einziger ein kontinuierliches Stellen der Wellenlänge über einen großen Bereich. Die Mechanik läßt naturgemäß jedoch nur ein langsames Durchstimmen zu. Die beiden anderen Lösungen erlauben eine kontinuierliche Durchstimmung nur über schmale Bereiche.

Zur Wellenlängenselektion in Lasern mit breitbandig stimulierbarem Medium, insbesondere Farbstofflasern, ist ferner eine Anordnung bekannt, die in der DE-AS 20 51 328, H 01 S 3/08 und zugehörigem Zusatzpatent DE-OS 22 36 505, H 01 S 3/08 in verschiedenen Varianten behandelt wird. Dabei wird die Selektion der Wellenlänge im wesentlichen dadurch erreicht, daß innerhalb des Resonators das Licht in eine Lochblende fokussiert wird und hinter der Lochblende eine Optik mit hoher Farblängsabweichung und kleinem Öffnungsfehler ange­ ordnet ist, derart, daß in Verbindung mit einem der Resonatorspiegel für nur jeweils einen schmalen Wellenlängenbereich eine Abbildung zurück in die Lochblende ohne wesentliche Verluste erfolgt. Die Abstimmung erfolgt durch Verschiebung der Optik entlang ihrer optischen Achse. Zur Erhöhung der Selektivität ist die optische Achse der Selektionsanordnung gegen­ über der geometrischen Achse des stimulierbaren Mediums entweder verschoben oder bildet einen Winkel mit ihr. Die Optik mit der hohen Farblängsabweichung kann mit dem zugehö­ rigen Resonatorendspiegel als Fresnelzonenlinse zu einem Bauelement vereinigt sein. Dieses Patent hat ausschließlich die Selektion der Wellenlänge zum Inhalt. Bezug auf das Verhalten der Moden im Resonator oder auf die Stabilität der Anordnung wird nicht genommen.

Der Stand der Technik zur Erhöhung der Justiertoleranz bei Lasern mit externen Resonatoren wird im wesentlichen von zwei Lösungen bestimmt:

Die erste Lösung ist in /P. Zorabedian and W. R. Trutna, Jr.: Interterence-filter-tuned, alignment-stabilized, semiconductor extemal-cavity laser, OPTICS LETTERS/Vol. 13, No. 10 (1988), pp 826 . . . 828./ beschrieben. Zur justiertoleranten Rückkopplung der Laserstrahlung wird ein Katzenaugen-Retroreflektor (sammelnde Optik mit Spiegel in deren Brennebene) benutzt. Als selektives Element befindet sich im parallelen Strahlengang innerhalb des Resonators ein Interferenzfilter. Zur Durchstimmung der Laserwellenlänge ist dieses Filter drehbar gelagert. Die Auskopplung der nutzbaren Srahlung erfolgt aus der dem externen Resonator abgewandten Facette des Laserchips.

Eine weitere Möglichkeit zum Aufbau eines justierstabilen Lasers mit externem Resonator beinhaltet die EP 0 525 752 A1, H 01 S 3/1055. Hierbei wird im Prinzip ebenfalls ein Katzenaugen-Retroreflektor angewandt, seine Wirkung jedoch auf eine Koordinate begrenzt. Durch eine geeignete Kombination aus Prismen und einer Zylinderoptik zur Strahlformung sowie den Einsatz eines Beugungsgitters als Reflektor ergibt sich, daß eine Abbildung der Laserfacette auf das Gitter nur senkrecht zur Dispersionsrichtung erfolgt. In Dispersions­ richtung ist das das Gitter treffende Strahlbündel jedoch weitestgehend parallel und relativ breit. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Gitter ohne Einschränkung zur Durchstimmung der Laserwellenlänge benutzt werden kann, andererseits die Anordnung weitgehend tolerant gegenüber einer Gitterkippung senkrecht zur Dispersionsrichtung ist.

Die beiden letzteren Lösungen erhöhen die Toleranz gegenüber Verkippungen des Rückkopp­ lungsstrahlengangs erheblich. Es bleibt aber immer noch ein Freiheitsgrad, der nicht stabili­ siert ist, nämlich die Verschiebung des Laserchips gegenüber dem Kollimator entlang der optischen Achse zur Fokussierung des Bildes der Laserfacette auf dieselbe. Im übrigen beinhalten diese Lösungen keine modensprungfreie Wellenlängendurchstimmung.

Schließlich wird noch auf die Entgegenhaltungen eingegangen:
Das Patent US 51 72 390 beschreibt eine spezielle Ausführungsform von Halbleiterlaserlichtquellen mit externem Resonatoranteil. Hierbei kann u. a. deren vorzugsweise durchstimmbare Resonatoranordnung wahlweise mit einem aus einer Auswahl von Halbleiterlasern bestückt und so die Resonatoranordnung für mehrere Wellenlängenbereiche genutzt werden.

Inhalt des Patentes ist die Tatsache, daß jeweils eine Laserdiode mit einer oder zwei Kollimatorlinsen zu einer justierten Baugruppe vereinigt ist, die ihrerseits mit hoher Genauigkeit in ein entsprechendes Gegenstück im Gesamtgerät gesteckt und befestigt werden kann. Die Erfindung ermöglicht ein Wechseln dieser Baugruppe weitgehend ohne Nachjustierung. Verschie­ dene Varianten einer Wellenlängenselektion innerhalb der Lichtquelle werden genannt, ohne selbst unmittelbar Inhalt des Patentes zu sein. Eine Selektion über die Farblängsabweichung einer Abbildung ist darin nicht enthalten. Eine gegebenenfalls eingesetzte, verschiebbar angeordnete weitere Linse dient allein zur einmaligen Feineinstellung der Fokussierung im Gesamtgerät, falls dies nach dem Einbau einer Laserdiodenbaugruppe erfor­ derlich ist.

Das Patent US 50 50 179 beschreibt Möglichkeiten, eine Breitstreifenlaser­ diode in einer Anordnung mit externem Resonator in nur einer Lateralmode strahlen zu lassen. Erreicht wird dies durch Einfügen einer Modenblende an geeigneter Stelle im Strahlengang. Das Prinzip ist unabhängig davon, ob die Laseranordnung durchstimmbar gestaltet wird. Als Beispiel ist eine Durchstimmbarkeit mit einem zusätzlich eingefügten, kippbaren Fabry-Pèrot- Etalon beschrieben.

In /H. Kakiuchida and J. Ohtsubo: Characteristics of a Semiconductor Laser with External Feedback, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 30, NO. 9 (1994), pp. 2087 . . . 2097/ wird das Verhalten gekoppelter Resonatoren untersucht. Der Versuchsaufbau besteht aus einer vollständigen (nicht ent­ spiegelten) Laserdiode, von deren Strahlung ein Teil wieder in diese rück­ gekoppelt wird. Durch Wechselwirkung der in der Laserdiode möglichen Longitudinalmoden mit denen des zusätzlichen Resonators zwischen Laser­ austrittsfacette und Rückkoppelspiegel ergeben sich neue Eigenschaften. Dieser Artikel hat keine Durchstimmung der Laserwellenlänge durch Änderung des externen Resonators zum Inhalt.

Die Entgegenhaltungen berühren damit nicht die vorliegende Erfindung.

Über einen weiten Bereich kontinuierlich durchstimmbare Laserlichtquellen werden u. a. in der optischen Spektroskopie benötigt. Deren Bedeutung ergibt sich u. a. daraus, daß ein Moden­ abstand bei gebräuchlichen Resonatorlängen mindestens etwa einer Atomlinienbreite ent­ spricht und dadurch bei diskontinuierlicher Durchstimmung entsprechend breite Wellenlängen­ bereiche übersprungen werden.

Bereits verfügbare Geräte, die im wesentlichen nach dem von Favre et al. (s. oben) beschrie­ benen Prinzip arbeiten, beinhalten wegen der hohen Justierempfindlichkeit der Anordnung besondere Mittel, wie aktive Regelungen und/oder einen massiven Aufbau, wodurch diese recht kostspielig sind.

Nun wäre eine derartige Lichtquelle wünschenswert, die demgegenüber zum einen mit wesentlich weniger Aufwand für die Stabilisierung des Systems auskommt und zum anderen eine schnellere Wellenlängendurchstimmung bzw. eine Wellenlängenmodulation ermöglicht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Halbleiterlaserlichtquelle, bei der eine hohe Stabilität durch das optische Konzept erreicht wird und die zudem die Möglichkeit bietet, die Laserwellenlänge zumindest über weite Teilbereiche der Gewinnkurve des Halb­ leitermaterials dadurch sprungfrei durchzustimmen, daß der notwendige Zusammenhang zwischen der Selektion des rückgekoppelten Spektralbereiches Und optischer Weglänge im Resonator auf einfache und möglichst nichtmechanische Weise gegeben ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Hybridanordnung benutzt, bestehend aus dem einseitig weitestgehend entspiegelten Laserchip, einem weitgehend öffnungsfehlerkorrigierten opti­ schen System mit hoher Farblängsabweichung zur Abbildung der Laserfacette auf einen Reflektor und dem Reflektor selbst. Die hohe Farblängsabweichung wird dabei durch geeig­ nete Konfiguration und durch die Wahl der Abbildungsmaßstäbe des optischen Systems erreicht.

Die Erfindung soll nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen als schematische Darstellung:

Fig. 1 die Grundausführung der Laserlichtquelle,

Fig. 2 eine hinsichtlich kontinuierlicher Durchstimmbarkeit verbesserte Variante und

Fig. 3 eine Ausführung, die eine besonders einfache und schnelle kontinuierliche Wellenlängendurchstimmung erlaubt.

Im einfachsten Fall (Fig. 1) besteht das optische System aus einer ersten Teiloptik O11, die als einen wesentlichen Bestandteil einen Kollimator KO enthält und einer zweiten Teiloptik O12, die ein verkleinertes Bild der Laserfacette auf dem Reflektor SP erzeugt und diesen enthält. Die Einkopplung der vom Laserchip LD abgegebenen Strahlung in das optische System erfolgt zweckmäßig über einen unter 45° stehenden Trennspiegel TS, der um die optische Achse herum mit einer Kegelbohrung versehen ist. Auf diese Weise gelangt nur Strahlung in das optische System, die den Laserchip LD mit einem Mindestwert an nume­ rischer Apertur verläßt. Die Bündel mit geringerem Öffnungswinkel, die der Selektivität der Anordnung schaden würden, weil sich bei ihnen die Farblängsabweichung in nur eine gering­ fügige Querabweichung am Ort der Laserfacette umsetzt, werden durch die Bohrung im Spiegel TS als nutzbare Strahlung S aus dem Resonator geführt.

Am Ort des Lasers ergibt sich eine hohe Farblängsabweichung, so daß Einmodenbetrieb der Laserlichtquelle erreicht werden kann. Durch Verschiebung der Laserdiode LD entlang der optischen Achse (Pfeilrichtung V1) läßt sich so die Emissionswellenlänge der Anordnung verstellen. Die Farblängsabweichung läßt sich hier aber nicht so weit erhöhen, daß sich die Resonatorlänge im gleichen Maße wie die selektierte Wellenlänge ändert. Darum erfolgt die Wellenlängendurchstimmung zweckmäßig zunächst durch Verschieben der zweiten Teiloptik O12 gegenüber der ersten Teiloptik O11 entlang der optischen Achse (Pfeilrichtung V2), während gleichzeitig mit Hilfe einer Regelung die selektierte Wellenlänge durch Verschieben der Laserdiode LD entlang der optischen Achse (Pfeilrichtung V1) derart nachgeführt wird, daß keine Modensprünge auftreten. Dabei sorgt die Ausführung der zweiten Teiloptik O12 als Retroreflektor für eine vergleichsweise sehr hohe Toleranz gegen geringe Justierabweichun­ gen bei diesen Bewegungen. Auf diese Weise ist eine modensprungfreie Wellenlängen­ durchstimmung mit nur einer einzigen Regelung möglich, mit der zugleich auch ein Einfluß der Dispersion im Laserchip selbst berücksichtigt wird. Sonst übliche weitere aktive und/oder passive Stabilisierungen entfallen.

Eine zweite Variante der Laserlichtquelle (Fig. 2) bedient sich eines ganz ähnlichen optischen Systems wie Beispiel 1, jedoch mit dem Unterschied, daß die erste Teiloptik O21 die Laserfacette nicht nach Unendlich abbildet, sondern auf eine endliche Bildweite und dem­ entsprechend die zweite Teiloptik O22 derart ausgelegt ist, daß sie unter diesen Bedingungen ein Bild der Laserfacette auf dem Reflektor SP erzeugt. Ein Verschieben der Teiloptik O22 in Pfeilrichtung V2 hat damit nicht nur eine Veränderung der Resonatorlänge wie in Beispiel 1 zur Folge, sondern verändert zugleich die Fokussierung auf die Laserdiodenfacette. So kann die Durchstimmung der Laserwellenlänge auch allein durch Verschieben der zweiten Teiloptik O22 gegenüber der ersten Teiloptik O21 entlang der optischen Achse erfolgen. Am Ort des Laserchips LD wird im wesentlichen die gleiche Farblängsabweichung wie in Beispiel 1 erreicht, so daß die notwendige Selektivität der Anordnung gegeben ist. Durch geeignete Wahl des Abbildungsmaßstabes der ersten Teiloptik O21 und entsprechender Anpassung der zweiten Teiloptik O22 läßt sich hier aber erreichen, daß sich, wie angestrebt, die optische Weglänge im Resonator im gleichen Maße wie die selektierte Wellenlänge ändert, so daß Modensprünge zumindest weitgehend von vornherein vermieden werden. Da ein durch Umgebungseinflüsse bzw. geringfügige Bewegungen der Mechanik verursachtes Springen der Mode möglich ist, ist auch hier eine elektronische Regelung vorteilhaft. Das Ausregeln kleiner Abweichungen im Zusammenhang zwischen Wellenlängenselektion und Resonatorlängen­ änderung erfolgt hier durch nur ganz geringfügiges Verstellen der Laserdiode entlang der optischen Achse (Pfeilrichtung V1), da eine Verschiebung V1 im Gegensatz zu der Verschiebung V2 die Wellenlängenselektion stark und die Resonatorlänge weniger ändert.

Der Vorteil dieser Variante gegenüber Beispiel 1 besteht darin, daß hier bereits Wellenlängen­ durchstimmung und passende Resonatorlängenänderung durch Stellen im wesentlichen nur einer Koordinate (V2) erreicht werden, wobei beide durch Auswahl eines Abbildungs­ maßstabs einander angeglichen werden können.

Eine dritte Variante der Laserlichtquelle (Fig. 3) stellt den Zusammenhang zwischen Wellen­ längenselektion und passender Resonatorlängenänderung ebenfalls auf optische Weise her. Das optische System dieses Aufbaus enthält im wesentlichen zwei vollständige, gegen­ einander angeordnete Abbildungsoptiken AO1, AO2 sowie den Reflektor SP. Das Gesamt­ system ist zweckmäßig in zwei Teile T1 und T2 aufgeteilt, zwischen denen ein weitgehend paralleler Strahlengang P auftritt. Zunächst erfolgt eine verkleinerte Abbildung der Laser­ facette durch die erste Abbildungsoptik AO1, die im wesentlichen dem optischen System aus Beispiel 1 entspricht. Vom Ort des Bildes der Laserfacette wird hier jedoch nicht die Strahlung in dieselbe Optik reflektiert, sondern sie durchläuft eine nahezu identische Abbildungsoptik AO2 in entgegengesetzter Richtung und trifft dann erst auf den Reflektor SP. Der Unterschied der zweiten Abbildungsoptik AO2 zur ersten Abbildungsoptik AO1 besteht im wesentlichen nur darin, daß die Bildweite der zweiten Abbildungsoptik zum Reflektor SP mehrfach größer ist als die Gegenstandsweite der ersten Abbildungsoptik zum Laserchip LD. Auf diese Weise wird am Ort des Lasers die angestrebte hohe Farblängsabweichung bei zugleich möglichster Ausnutzung des Öffnungswinkels der Laserstrahlung und damit die nötige Selektivität erreicht, zugleich ist aber einfach durch geeignete Wahl des Abbildungsmaßstabes der zweiten Abbildungsoptik AO2 die Farblängsabweichung am Ort des Bildes der Laserfacette auf dem Reflektor SP derart eingestellt, daß sich allein durch Verschieben des Reflektors SP in Richtung V3 die Emissionswellenlänge der Laserlichtquelle einschließlich der passenden optischen Resonatorlängenänderung verstellen läßt. Am Reflektor ist hier kein großer Öffnungswinkel nötig, da die Wellenlängenselektion nur bei der Abbildung auf die Laserfacette erfolgt. Eine geringfügige Verstellung der Laserdiode entlang der optischen Achse ermöglicht hier ebenfalls die Korrektur kleiner Abweichungen im Zusammenhang zwischen Wellen­ längenselektion und Resonatorlängenänderung. Zwischen beiden Teilen T1, T2 des Gesamt­ systems ist der Strahlengang P weitgehend parallel. Die Länge des parallel verlaufenden Strahlenganges ist in gewissen Grenzen variierbar, so daß sich hier eine Justagemöglichkeit für die Gesamtresonatorlänge ergibt. Der Reflektor SP ist z. B. auf einer Meßschraube SCH befestigt.

Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber Beispiel 1 besteht darin, daß sich die Farblängs­ abweichungen am Ort des Laserchips und am Ort des Reflektors unabhängig voneinander festlegen lassen und damit die kontinuierliche Durchstimmbarkeit durch Verstellen nur einer Koordinate erreicht werden kann und darüber hinaus gegenüber Beispiel 2 darin, daß als Abstimmelement nur der kleine, leichte Reflektor bewegt werden muß, was die Handhabung erleichtert und zudem die Möglichkeit der schnellen Wellenlängenmodulation z. B. dadurch gibt, daß der Reflektor auf einem Piezotranslator angebracht werden kann. Da die Modulation in der Regel nur über einen relativ kleinen Teil des gesamten Durchstimmbereiches erfolgt, reicht hierfür die Genauigkeit des Verlaufs der Farblängsabweichung der Optik aus. Die Regelung muß daher der Modulationsfrequenz nicht folgen können. Im Gegensatz zu den erwähnten bekannten Anordnungen, bei denen eine Modulation der Laserwellenlänge nur durch Veränderung der Resonatorlänge allein erfolgen kann, ist hier die Verschiebung des Lasers zwangsläufig auch mit der passenden Verschiebung des rückgekoppelten Spektral­ bereiches verbunden, so daß die schwingende Lasermode problemlos über viele Moden­ abstände kontinuierlich moduliert werden kann.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

AO1 Abbildungsoptik 1
AO2 Abbildungsoptik 2
KO Kollimator
LD Laserdiode
O11, O21 erste Teiloptik
O12, O22 zweite Teiloptik
P paralleler Strahlengang
S nutzbare Laserstrahlung
SCH Meßschraube
SP Reflektor
T1 erster Teil des Resonators
T2 zweiter Teil des Resonators
TS Trennspiegel
V1 Verschiebung 1
V2 Verschiebung 2
V3 Verschiebung 3

Claims (15)

1. Durchstimmbare Halbleiterlaserlichtquelle mit einem Gesamtresonator, bestehend zumindest aus einem Laserchip (LD), einem ersten Resonatorendspiegel, der vorzugsweise durch die Rückfacette des Laserchips (LD) gegeben ist, einem der anderen Facette des Laserchips zugewandten, weitgehend öffnungsfehlerkorrigierten optischen System mit einer optischen Achse, sowie einem als Reflektor (SP) ausgebildeten zweiten Resonatorendspiegel, wobei das optische System eine hohe Farblängsabweichung besitzt, dabei aber zumindest über einen großen Teil der Lasergewinnkurve eine Abbildung im wesentlichen der Austrittsfacette des Laserchips (LD) auf den Reflektor (SP) für jeweils einen im Vergleich zur Lasergewinnkurve schmalen Spektralbereich gestattet, so daß abhängig von der Stellung des Laserchips (LD) oder des Reflektors (SP) oder allgemein von bestimmten Teilen des Gesamtresonators gegenüber anderen bestimmten Teilen des Gesamtresonators auf der optischen Achse des Systems die Laserlichtquelle nur in einem schmalen Wellenlängenbereich, der eine oder mehrere Moden des Gesamtresonators umfaßt, schwingt und zugleich durch einen Retroreflektor, den ein Teil (O12, O22) des optischen Systems zusammen mit dem Reflektor (SP) bildet, eine hohe Toleranz gegen Justierabweichungen des Aufbaus erreicht wird.

2. Halbleiterlaserlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem optischen System zugewandte Facette des Laserchips (LD) weitestgehend entspiegelt ist.

3. Halbleiterlaserlichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem optischen System abgewandte Facette des Laserchips (LD) stark verspiegelt ist.

4. Halbleiterlaserlichtquelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung weitgehend beugungsbegrenzt ist.

5. Halbleiterlaserlichtquelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückkopplung nur die Strahlenbündel, die die Laserdiode (LD) mit höherem Öffnungswinkel verlassen, vorgesehen sind und die Bündel mit geringerem Öffnungswinkel als nutzbarer Strahlungsanteil aus dem Resonator geführt werden.

6. Halbleiterlaserlichtquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur optischen Kopplung der Laserdiode (LD) mit dem externen Teil des Gesamtresonators sowie zur Auskopplung der nutzbaren Strahlung ein vorzugsweise unter 45° stehender, durchbohrter Spiegel (TS) vorgesehen ist.

7. Halbleiterlaserlichtquelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System aus zwei Teiloptiken (O11, O12) besteht, zwischen denen der Strahlengang weitgehend parallel verläuft und die damit durch Änderung des Abstands zwischen beiden Teiloptiken (O11, O12) eine Veränderung der optischen Weglänge im Resonator gestattet, ohne daß sich die wellenlängenabhängige Fokussierung wesentlich ändert und die damit die Möglichkeit gibt, durch geeignetes, gleichzeitiges Verstellen des Abstands zwischen den beiden Teiloptiken (O11, O12) und der Fokussierung die Laserwellenlänge derart durchzustimmen, daß die Nummer der Mode im Gesamtresonator konstant gehalten werden kann und so keine Modensprünge auftreten.

8. Halbleiterlaserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der für eine sprungfreie Wellenlängendurchstimmung erforderliche Zusammenhang zwischen Wellenlängenselektion und Resonatorlängenanpassung ganz oder weitestgehend durch Verschiebung nur eines Teiles des Gesamtresonators entlang der optischen Achse gegenüber dem Restresonator erreicht wird.

9. Halbleiterlaserlichtquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teiloptik (O21) den Laser nicht nach Unendlich, sondern auf eine endliche Bildweite abbildet, derart, daß sich allein durch Verschiebung der zweiten Teiloptik (O­ 22) einschließlich Reflektor (SP) gegenüber der ersten Teiloptik (O21) einschließlich der Laserdiode (LD) sowohl die Wellenlängendurchstimmung als auch die zumindest weitestgehend passende Resonatorlängenänderung ergibt, um Modensprünge zu vermeiden.

10. Halbleiterlaserlichtquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System eine erste (AO1) und eine zweite (AO2) Abbildungsoptik enthält, wobei beide eine hohe Farblängsabweichung besitzen, die erste Abbildungsoptik (AO­ 1) ein verkleinertes Bild der Laserfacette erzeugt, danach die zweite Abbildungsoptik (AO2) von diesem Bild eine vergrößerte Abbildung auf dem Reflektor (SP) entwirft und auf diese Weise zum einen am Ort der Laserfacette die zur Selektion notwendige hohe Farblängsabweichung vorhanden ist, zum anderen unhabhängig davon durch geeignete Wahl des Abbildungsmaßstabs der zweiten Abbildungsoptik (AO2) die Farblängsabweichung am Ort des Reflektors (SP) so bemessen ist, daß bei Verschiebung des Reflektors (SP) entlang der optischen Achse sich Wellen­ längenselektion und optische Resonatorlänge analog zueinander ändern, so daß die Durchstimmung zumindest weitgehend ohne Modensprünge erfolgt.

11. Verfahren zur Durchstimmung von Halbleiterlasern, wobei aus dem emittierenden Kanal des Laserchips (LD) im wesentlichen die Austrittsfacette mittels der von dieser ausgehenden divergenten Strahlung weitgehend beugungsbegrenzt abgebildet wird, am Ort des Bildes eine Reflexion der Strahlung erfolgt, derart, daß diese optisch stabil und mit hoher Farblängsabweichung wieder in den emittierenden Kanal rückgekoppelt wird und zugleich wegen der hohen Farblängsabweichung der Gesamtabbildung dies nur für einen schmalen Spektralbereich wirksam zutrifft und daß durch Verändern einer oder mehrerer optischer Entfernungen und/oder optischer Weglängen eine Verschiebung des mit den geringsten Verlusten rückgekoppelten Spektralbereiches erfolgt, wobei der Abbildung im wesentlichen der Austrittsfacette des Laserchips (LD) am Ort der Reflexion bereits eine oder mehrere Abbildungen derselben vorausgegangen sein können.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung aus dem emittierenden Kanal des Laserchips (LD) eine Astigmatismuskorrektur beinhaltet.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch weitgehende Entspiegelung der dem optischen System zugewandten Facette des Laserchips (LD) dieser weitestgehend als optischer Verstärker einschließlich nur einem Resonatorendspiegel wirkt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß durch starke Verspiegelung der dem optischen System abgewandten Facette des Laserchips (LD) höchstens nur wenig Strahlungsleistung den Resonator über den Laserchip (LD) verläßt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Bemessung eines oder mehrerer Abbildungsmaßstäbe innerhalb des Gesamtverfahrens bei Durchstimmung des mit den geringsten Verlusten rückgekoppelten Wellenlängenbereiches über die Gewinnkurve des Laserchips die Nummer der schwingenden Zentral- oder einzigen Mode mit höchstens geringfügigen Abweichungen immer gleich ist, und dadurch zumindest über Durchstimmbereiche von jeweils mehreren Modenabständen keine Modensprünge auftreten oder eine modensprungfreie Durchstimmung über im wesentlichen die gesamte Gewinnkurve des Lasers mit höchstens geringfügigen Korrekturen zwischen optischer Weglänge und Wellenlängenselektion möglich ist.