DE60120651T2

DE60120651T2 - Optisch gepumpter passiv modengekoppelter oberflächenemittierender halbleiterlaser mit externem resonator

Info

Publication number: DE60120651T2
Application number: DE60120651T
Authority: DE
Inventors: Rüdiger PASCHOTTA; Reto HÄRING; Ursula Keller
Original assignee: GigaTera AG
Current assignee: GigaTera AG
Priority date: 2000-02-11
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2021-02-10
Also published as: ATE330347T1; EP1264373B1; US6735234B1; IL150788A0; EP1264373A1; AU2994401A; JP2003523092A; WO2001059895A1; JP4977298B2; DE60120651D1; CA2399661A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft gepulste Laser und Verfahren zum Erzeugen gepulster Laserstrahlung und im Spezielleren passiv modengekoppelte, optisch gepumpte, oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit externem Resonator (OPS-EXSELs).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Halbleiterlaser sind auf dem Gebiet bekannt. Deren Laserverstärkungsmedium besteht aus einem Halbleitermaterial, wie zum Beispiel InGaAs. In den meisten Fällen benötigen sie keinen externen Resonator, weil die Endflächen des Halbleitermaterials als die Resonatorspiegel ausgelegt werden können. Sie können elektrisch gepumpt werden, indem eine geeignete Spannung an das Halbleitermaterial angelegt wird. Die sogenannte Bandabstandstechnik, eine Technik, die die große Anzahl bekannter Halbleitermaterialien und Laserausführungen nutzt, bietet eine hohe Anzahl emittierbarer Wellenlängen in dem Infrarot- und sichtbaren Bereich. Halbleiterlaser sind klein und kompakt und können bei geringen Kosten in großen Stückzahlen hergestellt werden.
Halbleiterlaser können entweder als kantenemittierende Laser oder als oberflächenemittierende Laser ausgelegt sein. Kantenemittierende Laser stellen die gebräuchlichste Form von Halbleiterlasern dar, dieses Konzept schränkt aber die Modenfläche in der Vorrichtung sehr stark ein. Für die Erzeugung ultrakurzer Pulse besteht eine Folge davon darin, dass die Pulsenergie auch auf Werte weit unter dem begrenzt ist, was z. B. mit auf ionendotierten Kristallen basierten Lasern erreichbar ist. Auch kann eine hohe mittlere Ausgangsleistung (wenige Watt oder mehr) nicht mit guter Querstrahlqualität erzeugt werden. Diese Probleme können mit oberflächenemittierenden Halbleiterlasern gelöst werden, wo die Modenflächen stark vergrößert werden können, insbesondere wenn die Vorrichtung optisch gepumpt wird.
Zur Zeit bekannte elektrisch gepumpte oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSELs; engl: vertical-cavity surface-emitting lasers) sind in ihrer Ausgangsleistung oder hinsichtlich der Strahlqualität eingeschränkt. Dies ist der Fall, weil bei einem VCSEL mit kleiner Fläche die Wärmeabstrahlung den Treiberstrom begrenzt, während bei einem VCSEL mit großer Fläche die Pumpverteilung nicht gleichmäßig genug ist, um einen Grundquermodenbetrieb unterstützen. Mit optischem Pumpen kann das Problem der Pumpgleichmäßigkeit überwunden werden, und ein externer Resonator gewährleistet einen stabilen Grundmodenbetrieb auch bei einem großen Modenumfang (M. Kuznetsov et al., "High-power (> 0.5-W CW) diode-pumped vertical-external-cavity surface-emitting semiconductor lasers with circular TEM₀₀ beams", IEEE Phot. Tech. Lett., Bd. 9, Nr. 8, S. 1063, 1997). Die ausgedehnte Verstärkungsbandbreite von Halbleiterquantentopflasern ist zur Erzeugung ultrakurzer Pulse reizvoll. Laser, die kurze (im Nanosekunden- und Sub-Nanosekunden-Bereich) oder ultrakurze (im Sub-Picosekunden-Bereich) Pulse emittieren, sind auf dem Gebiet bekannt. Ein bekanntes Verfahren zur Erzeugung kurzer oder ultrakurzer Pulse ist Modenkopplung. Modenkopplung ist eine kohärente Überlagerung longitudinaler Laserresonatormoden. Sie wird durch eine zeitliche Verlustmodulation erzwungen, die die Verluste im Resonator für einen Puls innerhalb jeder Resonatorumlaufzeitdauer verringert. Dies resultiert zu einem offenen Gesamtverstärkungsfenster, in dem Pulse nur eine Verstärkung erfahren, wenn sie den Modulator zu einem vorgegebenen Zeitpunkt passieren. Die Verlustmodulation kann entweder aktiv oder passiv gebildet sein.
Aktive Modenkopplung wird zum Beispiel unter Verwendung eines akusto-optischen Modulators als Element im Resonator erreicht, das mit der Resonatorumlaufzeitdauer synchronisiert ist. Aktive Modenkopplung eines diodengepumpten Quantentopflasers ist z. B. mit einem akusto-optischen Prisma im Resonator erreicht worden, das Pulslängen von 100–120 ps bereitstellt (M. A. Holm, P. Cusumano, D. Burns, A. I. Ferguson und M. D. Dawson, CLEO '99 Technical Digest, Baltimore 1999, Referat CTuK63).
Die Erzeugung ultrakurzer Pulse beruht jedoch auf passiven Modenkopplungsverfahren, weil nur ein passiver Shutter schnell genug ist, ultrakurze Pulse zu formen und zu stabilisieren. Passive Modenkopplung beruht auf einer sättigbaren Absorbervorrichtung, die mit ansteigender optischer Intensität abnehmenden Verlust hervorruft. Wenn die Parameter des sättigbaren Absorbers für das Lasersystem korrekt eingestellt sind, wird eine stabile und selbst beginnende Modenkopplung erreicht. Modenkopplung mit sättigbarem Absorber von Diodenlasern ist umfangreich untersucht worden, wobei ursprünglich ein sättigbarer Halbleiterabsorberspiegel (SESAM; engl.: semiconductor saturable absorber mirror) in einem externen Resonator (Y. Silberberg, P. W. Smith, D. J. Eilenberger, D. A. B. Miller, A. C. Gossard und W. Woiegman, Opt. Lett. 9, 507, 1984), und vor kürzerem in monolithischen Vorrichtungen verwendet wurde, die Abschnitte eines in Rückwärtsrichtung vorgespannten Übergangs nutzen, um für sättigbare Absorption zu sorgen (für eine Übersicht siehe "Ultrafast Diode Lasers: Fundamentals and Applications", herausgegeben von P. Vasil'ev, Artech House, Boston, 1995). Es wurde gezeigt, dass ein harmonisch modengekoppelter monolithischer Laser Picosekunden-Pulse bei einer bis zu 1,54 THz variablen Wiederholungsrate erzeugt (S. Arahira, Y. Matsui und Y. Ogawa, IEEE J. Quantum Electron. 32, 1211, 1996); solche Vorrichtungen sind jedoch auf wenige Zehn Milliwatt Ausgangsleistung beschränkt.
Ein anderer Ansatz zur Erzeugung kurzer Pulse bestand darin, einen modengekoppelten Farb stoff- oder Festkörperlaser als synchrone optische Pumpe für einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem externen Resonator (VECSEL) zu verwenden (W. B. Jiang, R. Mirin und J. E. Bowers, Appl. Phys. Lett. 60, 677, 1992). Diese Laser erzeugten typischer Weise Chirp-Pulse mit einer Länge von etwa 20 ps, die extern auf Sub-Picosekunden oder sogar Sub-100-Femtosekunden-Dauer komprimiert wurden (W. H. Xiang, S. R. Friberg, K. Watanabe, S. Machida, Y. Sakai, H. Iwamura und Y. Yamamoto, Appl. Phys. Lett. 59, 2076, 1991). Der allgemeine Nachteil dieses Ansatzes, der weit verbreitete Anwendungen verhindert, besteht darin, dass der pumpende Laser selbst ultrakurze Pulse zu liefern hat. Dies beeinträchtigt stark die Attraktivität des Gesamtsystems hinsichtlich Komplexität, Größe, Kosten und erreichbarer Pulswiederholrate.
In dem U.S.-Patent Nr. 5,461,637 (Mooradian et al.) ist ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) mit einem über einem Halbleitersubstrat ausgeformten Quantentopfbereich offenbart. Über dem Quantentopfbereich ist eine erste reflektierende Oberfläche ausgebildet und über dem Substrat, gegenüber der ersten reflektierenden Oberfläche, ist eine zweite reflektierende Oberfläche ausgebildet, die einen Laserresonator bilden. Es gibt jedoch keine Lehre über Maßnahmen, die zum Modenkoppeln eines solchen VCSEL ergriffen werden müssen.
Die Zusammenfassung der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung JP456293 offenbart einen oberflächenemittierenden Laser mit externem Resonator mit monolithisch integrierter Doppel-Heteroübergangsverstärkungsstruktur und sättigbarer Absorberstruktur, um Piezosekundenpulse zu erzeugen. Der derart offenbarte elektrisch gepumpte Laser hat jedoch eingeschränkte Auslegungsfreiheitsgrade.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen einfachen, robusten Laser, der kurze (im Picosekunden-Bereich) oder ultrakurze (im Sub-Picosekunden-Bereich) Pulse erzeugt, mit einer hohen Wiederholrate (im Bereich von einigen GHz oder höher), mit einer hohen optischen mittleren Ausgangsleistung (von wenigstens Hunderten von Milliwatt) und einer guten Strahlqualität (Koeffizient der Strahlqualität M² ≤ 5; cf. T. F. Johnston, Jr., "M² concept characterizes beam quality", Laser Focus World, Mai 1990) bereitzustellen.
Es ist festgestellt worden, dass die Kombination eines optisch gepumpten oberflächenemittierenden Lasers mit externem Resonator (EXSEL) mit einer sättigbaren Halbleiterabsorberstruktur das obige Problem löst. Daher umfasst der Laser gemäß der Erfindung einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit externem Resonator. Der Laser wird optisch gepumpt, vorzugsweise mit einer Diodenlaserleiste hoher Leistung. Schließlich wird er mit einem SESAM in dem externen Resonator modengekoppelt oder alternativ mit einem sättigbaren Absorber, der in die Halbleiterlaserstruktur integriert ist. SESAM steht hier für jegliche sättigbare Halbleiterabsorberstrukturen, die zum Beispiel manchmal als A-FPSA (Opt. Lett. 17, 505, 1992), SBR (Opt. Lett. 20, 1406, 1995), D-SAM (Opt. Lett. 21, 486, 1996), dotierte dielektrische Halbleiterschichten (Opt. Lett. 23, 1766, 1998) oder gefärbte Glasfilter (Appl. Phys. Lett. 57, 229, 1990) bezeichnet worden sind. Beliebige andere sättigbare Absorber könnten verwendet werden, die es ermöglichen, die Betriebsparameter zur stabilen Modenkopplung einzustellen (cf. C. Hönninger et al., "Q-switching stability limits of cw passive mode locking", J. Opt. Soc. Am. B 16, 46, 1999).
Insbesondere umfasst der Laser gemäß der Erfindung:
Ein erstes reflektierendes Element und ein von diesem getrenntes, zweites reflektierendes Element, wobei die ersten und zweiten reflektierenden Elemente einen optischen Resonator für Laserstrahlung definieren;
eine im Wesentlichen ebene Halbleiter-Verstärkungsstruktur mit einer sich im Wesentlichen in einer Oberflächenebene erstreckenden Oberfläche, um die Laserstrahlung zu emittieren;
Mittel zum Anregen der Halbleiter-Verstärkungsstruktur, um die Laserstrahlung ausgehend von der Oberflächenebene zu emittieren, wobei die Anregungsmittel eine Pumpquelle umfassen, um eine Pumpstrahlung zu emittieren, die auf die Halbleiter-Verstärkungsstruktur fällt; und
eine sättigbare Halbleiter-Absorberstruktur zum Modenkoppeln der Laserstrahlung.
Das Verfahren zum Erzeugen gepulster elektromagnetischer Laserstrahlung gemäß der Erfindung umfasst die Schritte:
Erzeugen einer Pumpstrahlung;
Anregen einer im Wesentlichen ebenen Halbleiter-Verstärkungsstruktur, die eine Oberfläche aufweist, die sich im Wesentlichen in einer Oberflächenebene erstreckt, um ausgehend von der Oberfläche Laserstrahlung zu emittieren, indem die Pumpstrahlung auf die Halbleiter-Verstärkungsstruktur fällt;
Rückführen der Laserstrahlung in einen optischen Resonator; und
Modenkoppeln der Laserstrahlung mittels einer sättigbaren Halbleiter-Absorberstruktur.
Im Folgenden erläutern wir wie diese Erfindung eine Anzahl von Problemen löst, der mit zuvor verwendeten Ansätzen verbunden sind. Indem ein Halbleiter-Verstärkungsmaterial verwendet wird, wird eine große Verstärkungsbandbreite, wie für die Erzeugung ultrakurzer Pulse erforderlich, erhalten. Die relativ geringe Sättigungsenergie des Halbleiter-Verstärkungsmediums ist, wie unten erläutert, zur Pulserzeugung bei hohen Wiederholraten förderlich. Die oberflächenemittierende Geometrie ermöglicht eine relativ große Lasermodenfläche, die die optischen Spitzenintensitäten auf dem Halbleiter reduziert und somit hohe Pulsenergien zulässt. Zum Betrieb mit Ausgangsleistungen von mehreren Watt stellt elektrisches Pumpen des Verstärkungsmediums keine gute Option dar, weil es auf diese Weise schwierig ist, eine im Wesentlichen gleichförmige Pumpdichte über eine große Modenfläche zu erhalten. Optisches Pumpen beseitigt dieses Problem und verleiht gleichzeitig mehr Konstruktionsfreiheit für die Optimierung der Verstärkungsstruktur. Eine Diodenleiste hoher Leistung, die kompakt ist und mehrere zehn Watt Pumplicht mit gutem. Wirkungsgrad liefert, ist als Pumpquelle am besten geeignet, wobei die schlechte Strahlqualität aufgrund der sehr geringen Absorptionslänge der Verstärkungsstruktur nicht bedeutsam ist. Ferner bestimmt der externe Laserresonator die Laserwiederholrate (über die Resonatorlänge) und erlaubt es auch, einen SESAM zu integrieren. Der letztere (oder alternativ ein in die Verstärkungsstruktur integrierter, sättigbarer Absorber) führt zur Modenkopplung, d. h. die Bildung von kurzen oder ultrakurzen Pulsen mit einem Abstand gemäß der Laserresonatorlänge.
Die relativ geringe Sättigungsenergie des Halbleiter-Verstärkungsmediums ist zur Pulserzeugung bei hohen Wiederholraten sehr bedeutsam. Andere passiv modengekoppelte Laser, die auf ionendotierten Kristallen basieren, haben eine viel größere Verstärkungssättigungsenergie. (Dies ist insbesondere für die meisten ionendotierten Verstärkungsmaterialien mit großer Verstärkungsbandbreite, wie zur Erzeugung von Sub-Picosekunden-Pulsen erforderlich, der Fall.) Aus diesem Grund neigen solche Laser zu Q-Schaltinstabilitäten (oder Q-geschalteter Modenkopplung, QML, siehe C. Hönninger et al., J. Opt. Soc. Am. B 16, 46, 1999). Diese Tendenz ist schwierig zu unterdrücken, wenn eine hohe Pulswiederholrate erforderlich ist und insbesondere wenn gleichzeitig eine hohe Ausgangsleistung erforderlich ist. Aufgrund ihrer deutlich kleineren Verstärkungssättigungsenergie zeigen Halbleiterlaser im Wesentlichen diese Probleme nicht auf und sind daher für die Erzeugung von Pulsketten mit hohen Wiederholungsraten und hohen mittleren Leistungen geeignet.
Ein wichtiges Konstruktionskriterium besteht darin, dass die Sättigungsenergie der Laserver stärkungsstruktur größer als die Sättigungsenergie des sättigbaren Absorbers sein muss. Zur stabilen Modenkopplung sollte das Verhältnis dieser zwei Größen vorzugsweise zwei oder noch größer sein. Wenn ein SESAM zur passiven Modenkopplung verwendet wird, kann seine Sättigungsenergie sowohl durch die SESAM-Auslegung als auch durch die Modenfläche des SESAM eingestellt werden, wobei die letztere durch die Laserresonatorauslegung gesteuert wird. Typischerweise würde die Modenfläche des SESAM deutlich kleiner (z. B. mehr als fünfmal kleiner und vorzugsweise mehr als zehnmal kleiner) als die Modengröße der Verstärkungsstruktur sein. Für einen sättigbaren Absorber, der in die Verstärkungsstruktur integriert ist, kann ein geeignetes Verhältnis der Sättigungsenergie durch eine geeignete Auslegung erreicht werden. Insbesondere kann die Vorrichtung so ausgelegt werden, dass die optischen Intensitäten in der Absorberstruktur größer als die Intensitäten in der Verstärkungsstruktur sind, z. B. indem die sich räumlich ändernden Intensitäten aufgrund eines Feldes stehender Wellen in der Struktur genutzt werden oder durch gekoppelte Resonatoren, wo sich in einem Resonator die Verstärkung und in dem anderen der Absorber befinden. Für einen Breitbandbetrieb sollte der gekoppelte Resonator bei Parallelresonanz liegen. Alternativ könnten die intrinsischen Sättigungsenergien des Absorbers und der Verstärkungsstruktur durch Bandabstandtechnik gesteuert werden.
Zur Erzeugung ultrakurzer Pulse muss die Auslegung der Laserverstärkungsstruktur Bandbreiten beschränkende Effekte gekoppelter Resonatoren vermeiden, die von internen Reflexionen, z. B. ausgehend von der Oberfläche der Laserverstärkungsstruktur, herrühren können. Solche Reflexionen modulieren wirksam das Verstärkungsspektrum der Vorrichtung, was die nutzbare Verstärkungsbandbreite begrenzt. Eine Möglichkeit, solche Reflexionen zu unterdrücken, besteht darin, Halbleiterschichten (oder mögliche Schichten hergestellt aus anderen Materialien, wie zum Beispiel Dielektrika) so anzuordnen, dass sich die Reflexionen von den einzelnen Grenzflächen wirksam auslöschen. (Dies ist im Grundsatz das Prinzip von Antireflexionsbeschichtungen.) Eine andere Möglichkeit besteht darin, gewisse Reflexion ausgehend von der Oberfläche der Verstärkungsstruktur zuzulassen, aber die Dicke der gesamten Struktur so auszulegen, dass sie über den gesamten Wellenlängenbereich, wo Verstärkung auftritt, parallelresonant ist. Dies erhöht etwas den Pumpgrenzwert der Vorrichtung, erhöht aber auch die wirksame Verstärkungssättigungsenergie, was, wie oben erläutert, vorteilhaft sein kann.
Reflexionen ausgehend von der Rückseite des Halbleitersubstrats (auf dem die Verstärkungsstruktur gezüchtet ist) können ebenfalls bedeutsam die Vorrichtungsleistung beeinflussen, auch wenn die Restübertragung der Bragg-Spiegelstruktur recht gering ist. Die Ursache dafür besteht darin, dass Fabry-Perot-Effekte aufgrund der Reflexionen des Bragg-Spiegels und der Rückseite des Substrats entstehen können. Ein Erhöhen des Reflexionsvermögen des Bragg-Spiegels verringert solche Effekte, aber ein Aufrauen oder ein Winkelpolieren des Substrats stellt eine einfache und effektive Alternative dar.
Die Vorrichtung wird vorzugsweise mit einem einzelnen, in dem Resonator zirkulierenden Puls betrieben. Es kann jedoch eine harmonische Modenkopplung verwendet werden, um eine höhere Wiederholrate zu erreichen. Dies bedeutet, dass mehrere Pulse in dem Laserresonator mit einem festgelegten Abstand zirkulieren. Die Steuerung des Betriebs kann z. B. durch Hinzufügen eines geeigneten Spektralfilters in dem Laserresonator oder realisiert werden, indem der sättigbare Absorber an einer Stelle in dem Resonator angeordnet wird, wo sich einander entgegengesetzt ausbreitende Pulse treffen.
Es sollte beachtet werden, dass das Laserkonzept gemäß der Erfindung hinsichtlich der Leistung skalierbar ist. Zum Beispiel ist eine Verdoppelung der Ausgangsleistung möglich, indem das Doppelte der Pumpleistung verwendet wird, wobei die Modenflächen auf der Verstärkungsstruktur und der sättigbaren Absorberstruktur gleichzeitig verdoppelt werden. Die Verstärkungs- und Absorberstruktur werden dann mit den gleichen Intensitäten wie bei der ursprünglichen Vorrichtung betrieben. Der Temperaturanstieg an beiden Strukturen wird ebenfalls nicht bedeutsam erhöht, weil der Modendurchmesser größer als die Dicke der Verstärkungsstruktur und der Absorberstruktur gemacht werden kann; für diesen Fall haben Simulationen gezeigt, dass die Wärme im Wesentlichen in einer Dimension fließt, d. h. in der Richtung, in der die Dicken der Strukturen gemessen werden. Die Modenkopplungsleistung wird aufgrund der unveränderten Intensitäten ebenfalls nicht beeinflusst. Diese Skalierbarkeit gibt es für kantenemittierende Laser oder für elektrisch gepumpte oberflächenemittierende Laser nicht.
EXSELs (und auch VECSELs) verwenden einen Halbleiterwafer, bei dem ein Quantentopf oder ein Stapel von Quantentöpfen benachbart zu einer einzelnen Bragg-Spiegelstruktur oder einem metallischen Spiegel gezüchtet wird. Es ist auch möglich, eine dickere Hauptschicht für das Verstärkungsmedium vorzusehen. Es wird jedoch erwartet, dass Quantentopfverstärkungsschichten für den Lasergrenzwert besser sind, aber für Modenkopplung könnte es nützlich sein, dass die Sättigungsenergie für den Körper höher als in einem Quantentopf ist. Licht von einem oder mehreren Hochleistungsdiodenlasern mit mehreren Moden wird auf die Stirnfläche des Wafers fokussiert und pumpt die Töpfe durch Absorption in den Sperrschichtbereichen. Die Fläche der Lasermode auf einem aktiven Spiegel kann etwa 10⁴-mal größer als die Modenfläche auf der Seitenfläche eines kantenemittierenden Lasers sein, was Raum für die Erzeugung hoher mittlerer Leistung und großer Pulsenergie bietet. Gleichzeitig erzwingt der externe Resonator einen Grundmodenbetrieb in einem kreisförmigen, nahezu beugungsbeschränkten Strahl.
Mit dem Laser gemäß der Erfindung sind Sub-Picosekunden-Pulsdauern erreichbar, indem gekoppelte Resonatoreffekte eliminiert werden, und durch Kompression externer Pulse. Solche Vorrichtungen sind im Wesentlichen frei von der Q-Schaltneigung, die bei passiv modengekoppelten dielektrischen Lasersystemen mit hohen Wiederholraten inhärent ist (cf. C. Hönninger, R. Paschotta, F. Morier-Genoud, M. Moser und U. Keller, J. Opt. Soc. Am. B, 16, 46, 1999). Bandabstands- und Vorrichtungsstrukturtechnik erlaubt es, einen großen Wellenlängenbereich mit der gleichen Lasertechnik abzudecken, und sie erlaubt es auch, die Pulse zu formen oder Verstärkung und sättigbaren Absorber innerhalb des gleichen Wafers zu integrieren. Die Erfindung ermöglicht somit robuste, effiziente gepulste Laserquellen mit hoher mittlerer Leistung bei einem hinsichtlich Beugung begrenzten Strahl, Sub-Picosekunden-Pulsdauern und Wiederholraten von mehreren GHz.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform eines EXSEL gemäß der Erfindung;
2 ist ein schematischer Querschnitt eines bei einer bevorzugten Ausführungsform des EXSEL gemäß der Erfindung verwendeten Halbleiter-Aktivspiegel-Elements;
3 ist ein schematischer Querschnitt eines bei einer bevorzugten Ausführungsform des EXSEL gemäß der Erfindung verwendeten SESAM;
4 ist eine graphische Wiedergabe des Hochfrequenzspektrums der Leistungsausgabe des EXSEL von 1;
5 ist eine graphische Wiedergabe der Autokorrelationsspur von dem EXSEL von 1 emittierten modengekoppelten Pulsen (durchgezogene Kurve) und eine Anpassung an die Daten, die ein hyperbolisches Sekantenpulsprofil mit 25,7 ps FWHM voraussetzen;
6 ist eine graphische Wiedergabe des gemessenen spektralen Profils der modengekoppelten Ausgabe des EXSEL von 1;
7–9 sind schematische Veranschaulichungen weiterer Ausführungsformen von EXSELs gemäß der Erfindung; und
10 ist eine graphische Wiedergabe des Brechungsindexprofils und des Feldmusters ei nes EXSEL gemäß der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine schematische, vereinfachte Veranschaulichung eines Lasers gemäß der Erfindung. Der Laser umfasst einen optischen Resonator 1, der durch ein erstes reflektierendes Element 11 und ein zweites reflektierendes Element 12 zum Reflektieren von Laserstrahlung 10 begrenzt ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform von 1 ist das erste reflektierende Element 11 ein Bragg-Reflektor 4; alternativ könnte das erste reflektierende Element 11 eine metallische reflektierende Schicht sein. Das zweite reflektierende Element 12 ist ein sättigbarer Halbleiterabsorberspiegel (SESAM; engl.: semiconductor saturable absorber mirror) 5, um den Laser passiv modenzukoppeln; eine bevorzugte Ausführungsform des SESAM 5 ist unten unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Der Laser umfasst ferner eine Mehrfach-Quantentopf-(MQW)-Verstärkungstruktur 3. Die Quantentopf-Verstärkungsstruktur 3 und der Bragg-Reflektor 4 sind als benachbarte Stapel von auf einem Halbleitersubstrat 28 gezüchteten Halbleiterschichten realisiert; dieses Mehrfachfunktionselement wird als "Aktivspiegel-Element" 2 bezeichnet und ist unter Bezugnahme auf 2 im Einzelnen beschrieben. Das Aktivspiegel-Element 2 ist auf einer Wärmesenke 29 befestigt, vorzugsweise durch eine Rückseite 22. Alternativ könnte die Vorrichtung durch Kontakt mit einer transparenten Wärmesenke auf einer Vorderseite 21 gekühlt werden, z. B. ein Stück eines an den Halbleiter bondierten Saphirs.
Die Verstärkungsstruktur 3 wird durch ein Pumplicht 70 optisch gepumpt, das die Quantentöpfe in der Mehrfach-Quantentopf-Verstärkungsstruktur 3 durch Absorption in den Sperrschichtbereichen pumpt. Das Pumplicht 70 wird vorzugsweise durch einen oder mehrere Hochleistungsdiodenpumplaser 7 mit mehreren Moden erzeugt und auf eine Vorderseite des Aktivspiegel-Elements 2 durch eine Pumpoptik 71 fokussiert. Alternativ könnte das Pumplicht 70 auch durch eine optische Faser zugeführt werden. Zum Beispiel kann ein 2 W Breitstreifendiodenlaser 7, der bei 810 nm emittiert, verwendet werden, um die Verstärkungsstruktur 3 kontinuierlich mit bis zu 1,6 W zu pumpen, die auf einen Bereich mit einer Fläche von etwa 90 × 90 μm² auf der Vorderseite 21 des Aktivspiegel-Elements 2 fokussiert sind. Das Aktivspiegel-Element 2 absorbiert typischer Weise etwa 60% der einfallenden Pumpleistung. Die Fläche der Lasermode 10 auf dem Aktivspiegel-Element 2 kann etwa 10⁴-mal größer als der die Modenfläche auf der Seitenfläche eines kantenemittierenden Lasers sein, was Raum zur Erzeugung hoher mittlerer Leistung und großer Pulsenergie liefert. Gleichzeitig erzwingt der externe Resonator 1 einen Grundmodenbetrieb bei einem kreisförmigen, nahezu beugungsbeschränkten Strahl 10.
Der Laserresonator 1 ist V-förmig, d. h. durch einen sphärischen Faltspiegel 8 einmal gefaltet.
Der Faltspiegel 8 dient gleichzeitig als Ausgangskoppelspiegel und hat z. B. einen Radius von 10 mm und eine Transmission von 0,4% bei einer Laserwellenlänge von etwa 1030 nm.
Die in 1 gezeigte Ausführungsform eines Lasers gemäß der Erfindung ist ein optisch gepumpter oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit vertikalem externen Resonator (OPS-VECSEL; engl.: optically pumped semiconductor vertical-external-cavity surface-emitting laser), der mittels eines SESAM 5 passiv modengekoppelt ist. Bei früheren Experimenten emittierte der VECSEL von 1 Pulse von einer 26 ps FWHM-Dauer bei 1030 nm mit einer um 4,4 GHz variablen Wiederholrate.
2 zeigt ein Beispiel eines Halbleiter-Aktivspiegel-Elements 2, das für den EXSEL gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Die verschiedenen Schichten können z. B. durch das bekannte metallorganische chemische Dampfabscheidungs-(MOCVD; engl.: metalorganic-chemical-vapor-deposition)- oder Molekularstrahlepitaxie-(MBE; engl.: molecular-beam-epitaxy)-Verfahren aus einem GaAs-Substrat 28 (in 2 nicht gezeigt) gezüchtet werden. Der Bragg-Spiegel 4 umfasst z. B. einen 27-fachen Stapel von Paaren aus AlAs-Schichten 41 und Al_0,1Ga_0,9As-Schichten 42. Die Mehrfach-Quantentopf-Verstärkungsstruktur 3 auf der Oberseite des Bragg-Spiegels 4 besteht aus einem Stapel von 12 (in 2 sind nur 4 gezeigt) zusammendrückend belasteten In_0,2Ga_0,8As-Quantentöpfe 31 zusammen mit belastungskompensierenden GaAs_0,94P_0,06-Schichten 32 einer Dicke, die ausgelegt ist, die Gesamtbelastung in der Struktur auf Null abzugleichen. Die GaAsP-Schichten 32 sind von den InGaAs-Quantentöpfen 31 durch GaAs-Schichten 33 getrennt, die die Töpfe in Halbwellenintervallen räumlich teilen. Eine Fensterschicht 24 aus 450 nm dickem Al_0,43Ga_0,57As ist auf der Mehrfach-Quantentopf-Verstärkungsstruktur 3 gezüchtet, um Ladungsträger von der Vorderseite 21 weg zu halten. Die Vorderseite 21 ist mit einer 10 nm dicken Deckschicht 23 aus GaAs ausgerüstet.
Nach dem Züchten der oben beschriebenen Schichten auf einem Wafer werden Plättchen 2 mit einer Fläche von näherungsweise 5 × 5 mm² von dem Wafer getrennt, gefaltet und poliert, um das GaAs-Substrat 28 auf eine Dicke von etwa 200 μm zu verringern, und an eine Kupferwärmesenke 29 unter Verwendung von Indium-Metall angebracht (cf. 1). Das von einem Rand eines solchen getrennten Plättchens 2 emittierte Photoluminiszenzspektrum zeigt eine starke Spitze bei etwa 980 nm. Die Plättchen 2 legen einen Laserbetrieb bei Wellenlängen über dem Bereich 1000–1040 nm an den Tag, bestimmt von der Temperatur und auch durch Variation der Schichtdicke über dem Wafer.
Eine vereinfachte Ausführungsform eines SESAM 5, der für den EXSEL gemäß der Erfindung verwendet werden kann, ist in 3 gezeigt. Dieser SESAM 5 besteht aus einem Bragg-Spiegel mit einem 25-fachen Stapel von Paaren aus AlAs-Schichten 53 und GaAs-Schichten 54 und einem Parallelresonanz-λ/2-Resonator 52 geringer Genauigkeit, der einen einzelnen 20 nm dicken In_0,2Ga_0,8As-Quantentopf 51 integriert, der durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) bei geringer Temperatur (300°C) gezüchtet ist. Der Niederintensitätsverlust eines solchen SESAM 5 beträgt etwa 1,3% und die Bleichantwort (engl. bleaching response) ist bitemporal mit einer 130-fs schnellen Komponente und einer Verzögerungszeit von 4 ps. Strukturen dieses Typs sind als extrem vielseitige modenkoppelnde Vorrichtungen für Festkörperlaser etabliert (cf. U. Keller, K. J. Weingarten, F. X. Kärtner, D. Kopf, B. Braun, I. D. Jung, R. Fluck, C. Hönninger, N. Matuschek und J. Aus der Au, IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron. 2, 435, 1996).
Mit einer auf den Wafer einfallenden Pumpleistung von 1,4 W emittiert der durch 1–3 veranschaulichte VECSEL eine Gesamtleistung von 21,6 mW, die zwischen zwei Ausgangsstrahlen 10', 10'' gleich aufgeteilt ist. Ein weiterer Anstieg der Pumpleistung bewirkt, dass die Ausgangsleistung aufgrund thermischer Effekte abfällt. Der VESCEL zeigt eine stabile, selbstbeginnende Modenkopplung bei der Resonatorumlaufwiederholrate von 4,43 GHz. 4 zeigt die Grundschwingungsspitze in dem Hochfrequenzspektrum des Photostroms von einer die Laserausgabe überwachenden schnellen Diode. Das Signal wurde mit einer 50 GHz Photodiode und einem 26 GHz Verstärker und Spektrumanalysegerät erhalten. Spektrale Messungen mit geringerer Auflösungsbandbreite zeigen einen Jitter von etwa 10 kHz, der wahrscheinlich durch geringe Schwankungen der Resonatorlänge in der Größenordnung von 80 nm verursacht wird.
Eine gemessene Pulsautokorrelationsspur ist in 5 (durchgezogene Kurve) mit einer besten Anpassung an ein hyperbolisches Sekantenprofil (gestrichelte Kurve), für die die FWHM-Pulsdauer von 25,7 ps angenommen ist, gezeigt.
6 zeigt das optische Spektrum des durch 1–3 veranschaulichten VECSEL mit einer Bandbreite von 0,25 nm FWHM, was einem Zeit-Bandbreite-Produkt für diese Pulse von etwa 1,8 entspricht. Auch innerhalb der eingeschränkten Bandbreite sind die Pulse durch Verstärkungssättigung stark verzittert, was die Pulse selbstphasenmoduliert. Bei einem synchron gepumpten VECSEL kann dieser Effekt teilweise durch die durch gepulstes Pumpen induzierte externe Phasenmodulation kompensiert werden kann, die von entgegengesetztem Vorzeichen ist (cf. W. Jiang und J. E. Bowers, in "Compact Sources of Ultrashort Pulses", herausgegeben von Irl N. Duling III, C. U. P. 1995). Nichtsdestotrotz ist über eine externe Kompression von Pulsen von synchron gepumpten VECSELs um drei Größenordnungen auf eine Dauer von 21 fs berichtet worden (W. H. Xiang, S. R. Friberg, K. Watanabe, S. Machida, Y. Sakai, H. Iwamura und Y. Yamamoto, Appl. Phys. Lett. 59, 2076, 1991).
Während sich die intrinsische Quantentopfverstärkung über mehrere zehn Nanometern erstreckt, kann die Bandbreite des VECSEL durch einen Effekt gekoppelter Resonatoren eingeschränkt sein, der aus einer Restübertragung durch den Bragg-Spiegel 4 und Reflexion von der In-beschichteten Rückseite 22 des Substrats 28 herrührt. Ein Aufrauhen oder Winkelpolieren der Rückseite 22 beseitigt diesen Effekt. Ein weiterer untergeordneter Resonator kann durch den Bragg-Spiegel 4 und Fresnel-Reflexion ausgehend von der Vorderseite 21 des Aktivspiegel-Elements 2 mit einem freien spektralen Bereich von etwa 40 nm gebildet werden. Dieser untergeordnete Resonator arbeitet in der Nähe der Resonanz bei der Laserwellenlänge und kann daher den Lasergrenzwert etwas verringern und auch den effektiven Verstärkungssättigungsfluss auf einen Wert unterhalb des Absorptionssättigungsflusses des Parallelresonanz-SESAM absenken. Der V-Resonator 1 ist daher vorzugsweise asymmetrisch ausgebildet, um die Resonatormode stärker auf den SESAM 5 als auf das Aktivspiegel-Element 2 zu fokussieren. Die Längen der den SESAM 5 und das Aktivspiegel-Element 2 enthaltenden Resonatorschenkel sind z. B. 6 mm bzw. 28 mm, was zu einem Verhältnis der Modenfläche auf der Verstärkungsstruktur 3 zu der auf dem SESAM 5 von etwa 40 führt. Eine weitere Verringerung des Modenflächenverhältnisses ruft eine progressive Verlängerung der Pulse von bis zu etwa 80 ps und schließlich einen Betriebszustand mit verrauschtem Pulsieren hervor. Eine bedeutsame Erhöhung der Ausgangsleistung kann durch mit Diodenleisten gepumpte Vorrichtungen mit verbessertem Wärmemanagement und Waferaufbau erreicht werden.
Weitere Ausführungsformen von Lasern gemäß der Erfindung sind in den 7–9 gezeigt.
Der Laser von 7 weist auch einen V-förmigen Laserresonator 1 auf, aber im Gegensatz zu der Ausführungsform von 1 wird das Aktivspiegel-Element 2 als Faltspiegel 8 verwendet. Der Resonator 1 ist von dem SESAM 5 und dem Ausgangskopplungsspiegel 12 begrenzt.
Die 8 und 9 zeigen Ausführungsformen, bei denen die Verstärkungsstruktur 3 und die Absorberstruktur 5 in das gleiche Element 6 integriert sind, das als das "Aktivabsorberspiegel-Element" bezeichnet wird. Die verschiedenen Schichten sind nicht im Einzelnen gezeigt. In 8 ist die Verstärkungsstruktur 3 mit einem Quantentopf 31 oder mit einer Mehrzahl von Quantentöpfen auf der Oberseite des Aktivabsorberspiegel-Elements 6 angeordnet. Der Verstärkungsstruktur 3 folgt ein dazwischen liegendes Element 63, das Pumplicht 70 im Wesentlichen reflektiert, Laserstrahlung 10 aber im Wesentlichen durchlässt. Die Pumpstrahlung 70 bei dieser Ausführungsform fällt ausgehend von einer Vorderseite 61 des Aktivabsorberspiegel-Elements 6 auf die Verstärkungsstruktur 3. Dem dazwischen liegenden Element 63 folgt eine Absorberstruktur 5 mit einem Quantentopf 51 oder einer Mehrzahl von Quantentöpfen. Alle diese Elemente sind auf einem Substrat 68 gezüchtet. Das Aktivabsorberspiegel-Element 6 und ein externer Spiegel 12 bilden einen Laserresonator 1. Bei der Ausführungsform von 9, ist die Verstärkungsstruktur 3 benachbart zu dem Substrat 68. Das Pumplicht 70 geht durch das Substrat 68 hindurch und fällt ausgehend von der Rückseite 62 des Aktivabsorberspiegel-Elements 6 auf die Verstärkungsstruktur 3. Die Absorberstruktur 5 und die Verstärkungsstruktur 3 sind wiederum durch ein dazwischen liegendes Element 63 getrennt, das Pumplicht 70 im Wesentlichen reflektiert, Laserstrahlung 10 aber im Wesentlichen durchlässt.
10 zeigt ein Brechungsindexprofil (oben) und eine Berechnung des Feldmusters (unten) eines z. B. bei der Ausführungsform von 9 verwendeten Aktivabsorberspiegel-Elements 6. Auf der Oberseite des Aktivabsorberspiegel-Elements 6 ist eine Absorberstruktur 5 gezüchtet. Mit einzelnen Elementen wird die Sättigungsenergie der Absorberstruktur 5 und der Verstärkungsstruktur 3 durch mehr oder weniger genaues Fokussieren der Lasermode eingestellt. Bei einem Aktivabsorberspiegel-Element 6 können die Intensität und dadurch die Sättigungsenergie durch Verwendung des Musters stehender Wellen variiert werden. Bei der Absorberstruktur 5 von 10 wird ein Fabry-Perot-Resonatorhohlraum für den Absorber 5 verwendet, um die Intensität zu erhöhen und dadurch die effektive Absorbersättigungsenergie zu verringern. Das Pumplicht 70 wird größtenteils durch die Absorberstruktur 5 hindurch übertragen, hauptsächlich weil der Absorberquantentopf 51 im Gegensatz zu den verstärkenden Quantentöpfen 31 nicht von pumpabsorbierendem Material umgeben ist. Die verstärkenden Quantentöpfe 31 werden hauptsächlich durch Ladungsträger angeregt, die in dem umgebenden Medium 33 erzeugt und davon ausgehend zu den Quantentöpfen 31 übertragen werden. Somit kann das Pumplicht 70 durch den sättigbaren Absorber 5 hindurch übertragen werden, ohne dabei den letzteren bedeutsam anzuregen, während die höhere Spitzenintensität des zirkulierenden Laserpulses 10 den Absorber 5 weiterhin sättigen kann.
Ein Beispiel des Aufbaus des Aktivabsorberspiegel-Elements 6, wie in 10 gezeigt, ist in Tabelle I angegeben.
Tabelle I
Verschiedene weitere Ausführungsformen können ins Auge gefasst werden, ohne sich dabei vom Umfang der Erfindung zu entfernen.

Claims

Ein Laser für das Emittieren von gepulster elektromagnetischer Laser-Strahlung, wobei der Laser umfasst: ein erstes reflektierendes Element (11) und ein von diesem getrenntes, zweites reflektierendes Element, wobei die ersten und zweiten reflektierenden Elemente einen optischen Resonator für Laser-Strahlung definieren; eine im Wesentlichen ebene Halbleiter-Verstärkungsstruktur (3), die eine im Wesentlichen sich in einer Oberflächenebene erstreckende Oberfläche aufweist, um die Laserstrahlung zu emittieren; Mittel (7, 71) zum Anregen der Halbleiter-Verstärkungsstruktur, um die Laserstrahlung von der Oberflächenebene zu emittieren; und eine sättigbare Halbleiter-Absorberstruktur (5), um die Laserstrahlung modenzukoppeln; dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungsmittel eine Pumpquelle (7) aufweist, um eine Pumpstrahlung zu emittieren, welche auf die Halbleiter-Verstärkungsstruktur fällt.
Der Laser gemäss Anspruch 1, bei dem die Halbleiter-Verstärkungsstruktur (3) eine Quantentopf-Struktur mit einem Quantentopf oder mit einer Mehrzahl von Quantentöpfen aufweist.
Der Laser gemäss Anspruch 1, bei dem die Laserstrahlung die Form eines Laserstrahls hat, wobei der Laserstrahl auf der Halbleiter-Verstärkungsstruktur (3) und auf der sättigbaren Halbleiter-Absorberstruktur (5) definierte Querschnittsflächen aufweist, und bei dem der optische Resonator so ausgelegt ist, dass die Querschnittfläche auf der Halbleiter-Verstärkungsstruktur größer als die Querschnittfläche auf der sättigbaren Halbleiter-Absorberstruktur ist.
Der Laser gemäss Anspruch 1, bei dem die Halbleiter-Absorberstruktur (5) eine Quantentopfstruktur ist.
Der Laser gemäss Anspruch 1, bei dem der sättigbare Halbleiter-Absorber ein sättigbarer Halbleiter-Absorberspiegel ist, der als eines von den beiden reflektierenden Elementen, die den optischen Resonator definieren, oder als eines in dem optischen Resonator angeordnetes drittes reflektierendes Element dient.
Der Laser gemäss Anspruch 1, mit einem Bragg-Reflektor (4), wobei der Bragg- Reflektor als eines der reflektierenden Elemente dient, die den optischen Resonator definieren.
Der Laser gemäss Anspruch 6, bei dem der Bragg-Reflektor (4) und die Halbleiter-Verstärkungsstruktur (3) auf einem gemeinsamen Substrat (28) als Stapel aus Halbleiterschichten verwirklicht sind.
Der Laser gemäss Anspruch 1, bei dem der optische Resonator V-förmig und vorzugsweise asymmetrisch ist.
Der Laser gemäss Anspruch 1, bei dem optische Resonator ein Spektralfilter zur harmonischen Modenkoppelung aufweist.
Der Laser gemäss Anspruch 1, bei dem der sättigbare Absorber zur harmonischen Modenkoppelung an einem Ort innerhalb des optischen Resonators angeordnet ist, an dem sich entgegengesetzt ausbreitende Pulse treffen.
Der Laser gemäss Anspruch 1, bei dem die Pumpquelle (7) einen Diodenlaser umfasst, vorzugsweise einen Diodenpumplaser von hoher Leistung oder einen Diodenpumplaser von hoher Leuchtkraft.
Laser gemäss Anspruch 1, bei dem die Halbleiter-Verstärkungsstruktur auf einem Kühlkörper befestigt ist.
Laser gemäss Anspruch 1, bei dem die Halbleiter-Verstärkungsstruktur und die sättigbare Halbleiter-Absorberstruktur als Stapel aus Halbleiterschichten auf einem gemeinsamen Substrat verwirklicht sind.
Verfahren zur Erzeugung von gepulster elektromagnetischer Laserstrahlung, das die Schritte aufweist: Anregen einer im Wesentlichen ebenen Halbleiter-Verstärkungsstruktur (3), die eine Oberfläche aufweist, die sich im Wesentlichen in einer Oberflächenebene erstreckt, um Laserstrahlung von der Oberfläche zu emittieren; Rückführen der Laserstrahlung in einen optischen Resonator; und Modenkoppeln der Laserstrahlung mittels einer sättigbaren Halbleiter-Absorberstruktur (5); dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Weiteren den Schritt, Pumpstrahlung zu erzeugen, umfasst und dass die Verstärkungsstruktur angeregt wird, indem die Pumpsstrahlung auf die Halbleiter-Verstärkungsstruktur fällt.
Das Verfahren gemäss Anspruch 14, bei dem die Halbleiter-Verstärkungsstruktur (3) eine Quantentopfstruktur ist.
Das Verfahren gemäss Anspruch 14, bei dem die Halbleiter-Absorberstruktur (5) eine Quantentopfstruktur ist.
Das Verfahren gemäss Anspruch 14, bei dem die Laserstrahlung in der Form eines Laserstrahles erzeugt wird, wobei der Laserstrahl auf der Halbleiter-Verstärkungsstruktur und auf der sättigbaren Halbleiter-Absorberstruktur definierte Querschnittsflächen aufweist, und bei dem der optische Resonator auf eine solche Weise ausgelegt wird, dass die Querschnittsfläche auf der Halbleiter-Verstärkungsstruktur größer als die Querschnittsfläche auf der sättigbaren Halbleiter-Absorberstruktur ist.
Das Verfahren gemäss Anspruch 14, bei dem die Laserstrahlung von der Halbleiter-Absorberstruktur (5) reflektiert wird.
Das Verfahren gemäss Anspruch 14, bei dem eine harmonische Modenkoppelung durchgeführt wird.