DE4215797A1 - Lasersystem mit mikromechanisch bewegten Spiegel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lasersystem mit einem oder mehreren aktiv kontrollierten Laserspiegeln gemäß dem Gattungsbegriff des Anspru­ ches 1.

Solche Lasersysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie beruhen im wesentlichen auf der Verwendung elektrostriktiver Materialien, wie etwa Piezokeramiken zur Bewegung von Laserspiegeln. Solche Piezoaktuato­ ren sind jedoch mit erheblichen Nachteilen behaftet, denn die Piezokera­ miken sind nicht hysteresefrei und zum anderen benötigen sie üblicher­ weise zur Ansteuerung eine Hochspannung und zum dritten ist die Integra­ tion und Bearbeitung von Keramikelementen bei der Herstellung solcher Lasersysteme relativ aufwendig.

Wesentliche Manipulationsgrößen sind hierbei etwa die Verkippung des Spiegels oder die Translation entlang der optischen Achse. Zum einen verlangen diese bekannten Systeme die Integration sehr unterschiedlicher Materialien, so daß eine monolithische Fertigung ausgeschlossen ist, zum anderen weisen Piezokeramiken Nachteile bezüglich ihrer mechanischen Ab­ messung und der notwendigen hohen Spannungen auf. Hinzu kommt noch, daß Piezokeramiken Resonanzfrequenzen im Bereich von typisch 100 kHz aufwei­ sen, so daß eine Modulation von Piezokeramiken über diesen Frequenzwert hinaus nicht oder nur sehr schwer möglich ist. Zu erwähnen ist noch, daß bereits bei Modulationen im Bereich der Resonanzfrequenz im allgemeinen eine Selbstzerstörung der Keramikstruktur auftritt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lasersystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine schnelle Modulation von kleinen Laserspiegeln erlaubt, wobei diese Spiegel so konzipiert sind, daß sie eine wirtschaftliche Fertigung in großen Stückzahlen erlauben.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispie­ le erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schemabild eines Ausführungsbeispieles für einen Halbleiter­ laser mit mikromechanisch gehaltertem Spiegel zur schnellen Fre­ quenzmodulation,

Fig. 2 ein Schemabild eines Ausführungsbeispieles für einen diodenge­ pumpten Festkörperlaser mit mikromechanisch gehaltertem Spiegel zur schnellen Frequenzmodulation,

Fig. 3 ein Schemabild einer Ausführungsform eines mikromechanisch ge­ halterten Laserspiegels mit einem Glasplättchen als Spiegelsub­ strat,

Fig. 4 ein Schemabild einer Ausführungsform für einen mikromechanisch gehalterten Laserspiegel in der Draufsicht, wobei der dielektri­ sche Spiegel ohne Spiegelsubstrat hergestellt ist,

Fig. 5 eine Ausschnittsskizze zur Verdeutlichung der mikromechanischen Manipulationsvorrichtungen des Laserspiegels in Aufsicht, wobei die Bewegung senkrecht hierzu erfolgt,

Fig. 6 eine weitere Ausschnittsskizze zum Aufbau einer mikromechanischen Manipulationsvorrichtung,

Fig. 7 ein Schemabild einer weiteren Ausführungsform eines mikromecha­ nisch gehalterten Laserspiegels in der Ebene des Substrates mit Elementen zur Strahlumlenkung (sog. "gefalteter Resonator"), wo­ bei mehrere Lasersysteme flächenmäßig angeordnet sind.

Die Laserspiegel nach dem Stand der Technik sind allgemein sehr viel größer, als die sonstigen Elemente des Lasers und müssen außerdem ein­ zeln optisch poliert und beschichtet sowie mechanisch gehaltert werden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird ein mikromechanisch herge­ stellter, bewegbarer Spiegel 20 verwendet, welcher zum einen flächen- und volumenmäßig nicht wesentlich größer ist als die hier eingezeichnete Laserdiode 1, zum anderen in großen Stückzahlen in herkömmlicher Wafer­ technologie gefertigt und außerdem auch noch bei geeigneter Ausformung bewegbar angeordnet werden kann. Auf die detaillierte Beschreibung bzw. Ausgestaltung dieses Spiegels 20 wird bei der Beschreibung der Fig. 5 und 6 eingegangen, in diesem Anwendungsfall kann der Spiegel in longitu­ dinaler Richtung ausgelenkt werden, so daß hierdurch die Resonatorlänge aktiv einstellbar ist, was in einer Frequenzmodulation der Laserstrah­ lung resultiert.

In gleicher Anordnung kann der Laser ein- und ausgeschaltet oder auch gütegeschaltet werden, wenn der Laserspiegel so ausgeformt ist, daß eine Verkippung der Spiegelfläche relativ zur Fläche 7 des Halbleiterlasers bzw. der Halbleiter-Laserdiode 1 durch mikromechanische Ansteuerung er­ folgt. Problemlos können solche Spiegel 20, die eine verminderte Ferti­ gungsgenauigkeit aufweisen, montiert werden, wenn durch mikromechanische Ansteuerung des Spiegels 20 nach der Montage, letzterer einjustiert und anschließend fixiert wird. Nähere Erläuterungen hierzu werden nachfol­ gend - um Wiederholungen zu vermeiden - in der Beschreibung zu den Fig. 5 und 6 gegeben.

Die Fig. 2 veranschaulicht in analoger Weise einen durch Laserdioden ge­ pumpten Festkörperlaser mit der vorgeschlagenen Spiegelanordnung 20, welche dieselben Eigenschaften wie beschrieben aufweist. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel werden hier alle Elemente des Lasers, welche ähnliche mechanische Abmessungen aufweisen, wie die Spiegelanordnung 20, auf ei­ ner gemeinsamen Basis montiert werden. Der Halbleiterlaser 1 ist auf ei­ ner Wärmesenke 2 montiert. Die Laserstrahlung wird über eine Ankoppelop­ tik 7 in einen Festkörperlaserkristall 8 - z. B. Nd : YAG - fokussiert, dessen eine Stirnseite beispielsweise mit einem Coating 9 versehen ist, welches hochtransmittierend für die Laserdiodenstrahlung und hochreflek­ tierend für die Festkörperlaserstrahlung ist. Das Coating 10 ist antire­ flektierend für die Festkörperlaserstrahlung, so daß sich zwischen Spie­ gelschicht 9 und der Beschichtung des mikromechanischen Spiegels 20 ein Laserresonator für die Festkörperlaserstrahlung ausbildet. Die Eigen­ schaften des Frequenzmodulierens, An- und Ausschalten sowie das Güte­ schalten sind hier ebenso gegeben, wie eine aktive Justage des Spiegels 20.

In der Fig. 3 ist eine Ausführungsform eines mikromechanischen Laser­ spiegels skizziert, der aus einem anisotrop geätzten Halbleitersubstrat 51 besteht, welches mit einem Spiegelsubstrat 52 kontaktiert ist. Das Spiegelsubstrat 52 ist einseitig mit einer teilreflektierenden Spiegel­ schicht 53 und rückseitig mit einer Antireflexschicht 54 für die Laser­ wellenlänge beschichtet.

In der Fig. 4 ist eine Spiegelausführung mit sogenannter frei schwebender Spiegelschicht ohne Substrat gezeigt, wie sie Gegenstand einer gleich­ laufenden Anmeldung ist. Diese Ausführungsform kann auch im hier vorlie­ genden Falle gut eingesetzt werden, da durch Weglassen des Substrates 52 ein besonders einfacher Aufbau und eine geringe bewegte Masse reali­ siert werden kann.

Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen den detaillierten Aufbau des Spiegels, wie er in den Anordnungen gemäß den Fig. 1 und 2 verwendet wird. Hierbei zeigt die Fig. 5 diesen Spiegel in einer Aufsicht. Siliziumsubstrate können beispielsweise so geätzt werden, daß an beweglichen Aufhängela­ schen eine kleine Siliziumfläche befestigt ist, welche entweder das Spiegelsubstrat gemäß Fig. 3 trägt, oder aber eine frei schwebende Spie­ gelschicht gemäß Fig. 4 ist. Aufgrund der elastischen Aufhängung kann diese Siliziumfläche nun je nach Anordnung und Ansteuerung durch die Ak­ tuatoren, überall translatiert oder verkippt werden. Das in Fig. 5 skiz­ zierte Ausführungsbeispiel zeigt eine Anordnung für parallele Auslen­ kung, beispielsweise zur Frequenzmodulation des verwendeten Lasers. In diesem Fall kann z. B. eine hochgradig symmetrische, diagonale Anordnung der Biegebalken gewählt werden. Die Gegenelektrode am unteren Deckwafer ist hierbei nicht unterteilt. In einer leichten Abwandlung ergibt sich nach dem gleichen Prinzip eine Anordnung, die sich für Kippbewegungen des Spiegels eignet, beispielsweise um eine Güteschaltung des Laserreso­ nators oder eine Justage des Spiegelelementes zu realisieren. Die Auf­ hängung kann hierbei in Form zweier Torsionsbalken gewählt werden. In d­ iesem Falle werden die Elektrodenflächen in zwei getrennte Hälften ge­ teilt, die unabhängig voneinander angesteuert werden.

Die Fig. 6 zeigt diesen Spiegel im Schnitt und verdeutlicht die Ansteue­ rung und den Aufbau der Aktoren. Es ist deutlich erkennbar, daß zwischen den elastischen Aufhängebalken und der Spiegelschicht je eine Elektrode am oberen Wafer angeordnet ist, welche über einen Luftspalt getrennt ei­ ner Gegenelektrode gegenüberliegt. Werden Ladungen auf die Elektroden aufgebracht, so führt dies je nach dem Ladungsvorzeichen zu einer Anzie­ hung oder Abstoßung der Elektroden und somit - je nach Ansteuerung der Gesamtheit der Elektroden und der Anordnung der Biegebalken, zu einer translatorischen Bewegung oder zu einer Verkippung der Spiegel. Wird auf jeweils alle Elektroden und Gegenelektroden jeweils dieselbe Ladung auf­ gebracht, so ergibt sich eine gleichförmige Translation. Ist die Ladung unterschiedlich, so ergibt sich eine Verkippung. Insbesondere bei einer Konzeption mit Torsionsbalken ist die Verkippung besonders effizient zu erzeugen.

Werden bei einer translatorischen Verschiebung die Ladungen mit einer schnellen Periodizität aufgebracht (Wechselspannung), so wird der Spie­ gel periodisch translatiert. Die Translation eines Laser-Resonatorspie­ gels führt aber wie bekannt zu einer Frequenzänderung des Lasers und ei­ ne schnelle periodische Translation auch zu einer schnellen Frequenzmo­ dulation.

Durch Verkippung kann der Spiegel entweder so justiert werden, daß der optimale Arbeitspunkt des Lasersystems eingestellt wird - was eine ge­ ringere Anforderung an die Montagegenauigkeit erlaubt - oder der Spiegel wird periodisch so verkippt, daß der Laser vom optimalen Arbeitspunkt durch Dejustage des Spiegels ausgeschaltet wird. Wird dies mit geeigne­ ter Periodizität und geeignetem Taktverhältnis durchgeführt, so führt dies zum bekannten Phänomen der Riesenpulserzeugung des Lasers (Güte- oder Q-Schaltung).

Die hier beschriebenen Spiegel werden ätztechnisch so ausgestaltet, daß der optisch aktive Bereich an dünnen Biegebalken aus Silizium- oder ei­ nem geeigneten Dünnfilm frei beweglich aufgehängt wird. Aus Integrier­ barkeitsgründen bietet es sich an, zur Krafteinleitung die Elektrostatik zu verwenden. Dabei wird das Siliziumsubstrat elektrisch kontaktiert, so daß der Spiegel eine Elektrode einer Kondensatoranordnung darstellt. Diese Einheit wird mit einem zweiten Siliziumsubstrat verbunden, in das eine durchgehende Öffnung zur Transmission des Laserstrahls hineingear­ beitet ist. Ferner ist eine flache Vertiefung vorgesehen, die den Elek­ trodenabstand zum beweglichen Teil und damit auch die Bewegungsfreiheit des Spiegels festlegt. Innerhalb dieser Vertiefung sind Kondensator-Ge­ genelektroden aufgebracht. Diese zwei Substrate werden durch geeignete Verfahren - wie beispielsweise anodisches Bonden oder Si-Si-Bonden - miteinander verbunden. Durch Anlegen einer äußeren Spannung an die Elek­ troden wird der Spiegel elektrostatisch bewegt. Neben der Elektrostatik können auch andere Kraftprinzipien eingesetzt werden, z. B. die Piezo­ elektrik oder die Magnetik. Dazu kann ein entsprechend kleines Stellele­ ment oder ein Dauermagnet der Spiegelanordnung zugefügt werden.

Die Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Anordnung, bei welcher zweidimensionale Arrays von Lasersystemen mit mikromechanisch manipulierbaren Spiegeln hergestellt werden. Um das System nicht unnötig komplex darzustellen, wird lediglich ein Array von Halbleiter-Laserdio­ den mit mikromechanisch manipulierbaren Spiegeln betrachtet. In analoger Weise können jedoch auch von Laserdioden gepumpte Festkörperlaser herge­ stellt werden.

In dieser dargestellten Ausführungsform werden Arrays von mikromecha­ nisch manipulierbaren Laserspiegeln 160 aus einem Siliziumsubstrat ge­ ätzt und entsprechend optisch beschichtet, so daß über die Siliziumwa­ feroberfläche verteilt eine zweidimensionale Anordnung von Spiegeln in regelmäßigen Abständen mit entsprechenden Ansteuerelementen entsteht. Hierbei können auch die Spiegel und die Spiegelansteuerung aus zwei Si­ liziumwafern gefertigt sein, welche miteinander kontaktiert werden, so daß die Spiegelansteuerung jeweils exakt zu den Spiegelelementen posi­ tioniert ist. Der Wafer 150 - versehen mit einer dielektrischen Be­ schichtung 120 - wird exakt positioniert in Relation zu einem zweiten Wafer 110, auf welchem sich in ebenso regelmäßigen Abständen eine zwei­ dimensionale Arrayanordnung von Laserdioden 140 und Strahlumlenkelemen­ ten 130 befindet. Dieser Wafer 110 kann beispielsweise aus Silizium be­ stehen, in welches die Strahlumlenkelemente 140 geätzt und mit einer re­ flektierenden Spiegelschicht 170 versehen sind, und auf welchem die zu­ meist auf GaAs-Basis hergestellten Dioden 130 entsprechend exakt mon­ tiert sind. Der Wafer 110 kann aber auch aus einer monolithischen GaAs- Anordnung bestehen, in welcher die Laserdioden entsprechend strukturiert und geätzt sind, ebenso wie die Strahlumlenkelemente 140. Dieser Wafer 110 ist nun seinerseits verbunden mit einer Kühleinheit 100, welche z. B. aus auf Siliziumbasis hergestellten Mikrokanalkühlern besteht. Die pa­ rallel zur Waferfläche 110 emittierte Strahlung der Laserdioden wird nun über die Strahlumlenkelemente 140 so umgelenkt, daß sie senkrecht zur Waferoberfläche des Wafers 150 auf die mikromechanisch bewegbaren Spie­ gel fällt, von dort teilweise in sich reflektiert wird, teilweise als Laserstrahlung 170 senkrecht zur Spiegelfläche austritt.

Eine solche Anordnung ermöglicht die zweidimensionale Arrayausbildung von einzelnen, beispielsweise in der Frequenz abstimmbaren Laserdioden, aber auch von einzeln in der Amplitude oder in der Frequenz schnell mo­ dulierbaren Laserdioden, gütegeschalteten Laserdioden oder die entspre­ chende Kontrolle von Amplitude, Frequenz oder Güte von mit Laserdioden gepumpten Festkörperlasern. Die Fertigung ist problemlos mit herkömmli­ cher Batchtechnologie gegeben, da lediglich mehrere Wafer in bekannter Weise geätzt und strukturiert werden müssen, welche anschließend als Ganzes gegeneinander positioniert und verbunden werden. Eine Einzelju­ stage oder Einzelverbindung von Elementen entfällt hier.

Claims (10)

1. Lasersystem mit einem oder mehreren aktiv kontrollierten Laser­ spiegeln, die durch elektrostriktive Materialien, wie Piezokeramiken be­ wegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserspiegel des Lasersy­ stems jeweils durch ein auf der Basis der Mikrosystemtechnik hergestell­ tem und aus einem Halbleitermaterial geformten Element gebildet werden, welches mit dem Verfahren der Halbleiter-Strukturierung (Ätztechnik) zum einen als Aktuator ausgebildet und zum anderen mittels optischer Be­ schichtungstechnik (dielektrische oder Metallfilm-Beschichtung) zu einem das Lasersystem in seinen Emissionseigenschaften kontrollierbaren Spie­ gelelement geformt ist.

2. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aktiv kontrollierte Laserspiegel mit einem freischwebenden Spiegelcoa­ ting versehen ist.

3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aktiv kontrollierte Laserspiegel aus einem Verbund von Halbleiter­ elementen und optisch beschichteten Spiegelsubstratelementen gebildet wird.

4. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das aktiv kontrollierte Spiegelelement zur Modulation der Laser-Emissionsfrequenz mit einer longitudinal gerichteten Bewegung be­ aufschlagt wird.

5. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das aktiv kontrollierte Spiegelelement zur Erzeugung von Riesenimpulsen (Q-switching) mit einer Kippbewegung beaufschlagt wird.

6. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das aktiv kontrollierte Spiegelelement relativ zum Laser­ system mittels einer komplexen Bewegung justiert oder das Lasersystem in seiner Amplitude moduliert wird.

7. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von in einem Halbleitermaterial monolithisch strukturierten oder auf einem Halblei­ termaterial hybride aufgebrachten, mit Strahlumlenkeinheiten versehene Laserdioden einer ein- oder zweidimensionalen Laserspiegelanordnung ge­ genüber positioniert sind, so daß sich in seiner Gesamtheit eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von Laserdioden mit zumindest einem ex­ ternen Laserspiegel je Laserdiode ergibt.

8. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Laserspiegeleinheit (20, 160) fest mit der Einheit der Laserdioden (1, 130) verbunden ist und in Größe und Anzahl der La­ sersysteme beliebig aufgeteilt werden kann.

9. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von auf einem Halbleitermaterial hybride aufgebrachten Laserdioden (20, 130) oder Kop­ peloptiken und Festkörper-Laserkristallen, welche mit Strahlumlenkein­ heiten (140) versehen sind, einer ein- oder zweidimensionalen Anordnung von Laserspiegeln gegebenübergestellt ist, so daß sich in seiner Gesamt­ heit eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von durch Laserdioden gepumpten Festkörperlasern mit zumindest einem externen Laserspiegel je Laserdiode ergibt.

10. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das die Laserdioden tragende Halbleitersubstrat (100) mit Kühlkanälen (101) zur Temperaturkonstanthaltung der wärmeerzeugenden La­ serdioden (130) versehen ist, oder das Substrat mit einem weiteren, mit Kühlkanälen versehenen Halbleitersubstrat verbunden ist.