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Halbleiterscheibenlaser

Entwicklung und Optimierung von leistungsstarken Halbleiterscheibenlaser und Erweiterung ihrer Einsatzmöglichkeiten

Allgemeines zu Halbleiterscheibenlasern:

  • In den vergangenen Jahren haben oberflächenemittierende Halbleiterscheibenlaser mit externer Kavität (engl.: vertical external cavity surface emitting laser, VECSEL) eine große Aufmerksamkeit im Bereich der Laserentwicklung erfahren. Diese Laser vereinen durch die Verwendung einer externen Kavität die Vorteile der Halbleiterlaser mit denen der Festkörper- und Gaslaser.
Lasermessplatz zur Charakterisierung von Hochleistungs-VECSEL-Systeme. Foto: Anne Schroll
Abbildung 1: Lasermessplatz zur Charakterisierung von Hochleistungs-VECSEL-Systeme. Foto: Anne Schroll
 
  • Während konventionelle Halbleiterlaser durch die heutigen Möglichkeiten in der Epitaxie bereits einen weiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums abdecken können und zudem eine sehr hohe Effizienz aufweisen, ist ihre Strahlqualität und die erreichbare Ausgangsleistung für viele Anwendungen unzureichend. Dem gegenüber stehen sowohl die Festkörperlaser als auch die Gaslaser. Die Flexibilität des Resonatordesigns sowie die hervorragende Strahlqualität bei gleichzeitiger hoher Ausgangsleistung dieser Lasersysteme ermöglichen ihren Einsatz in vielen Bereichen; von der Grundlagenforschung bis hin zur Materialbearbeitung. Jedoch sind diese Laser meist in der Wahl der Emissionswellenlänge stark begrenzt, so dass nicht immer die für die jeweilige Anwendung optimale Wellenlänge zur Verfügung steht. Halbleiterscheibenlaser kombinieren die Vorteile dieser beiden Lasersysteme, wodurch eine vielseitige und leistungsstarke Laserquelle entsteht, die in vielen Bereichen Anwendungen finden kann, darunter in der Spektroskopie, in Anrege-Abfrage-Experimenten, in der Erzeugung von Frequenzkämmen und zur Bereitstellung von Mikrowellen- bzw. THz-Quellen als Lokaloszillatoren . Dabei können nicht nur besonders hohe Ausgangsleistungen bis zu 106 W  im Dauerstrichbetrieb erzielt werden, sondern auch besonders hohe intrakavitäre Leistungen, welche für eine effiziente nichtlineare Frequenzmischung genutzt werden kann. Insbesondere die externe Kavität ermöglicht den Einsatz optischer Elemente im Resonator, wie doppelbrechende Filter für den Einfrequenzbetrieb oder nichtlinearer Kristalle für beispielsweise Differenzfrequenzerzeugung.
 
Schematische Darstellung eines VECSELs mit V-förmiger Kavität und seitlicher Anregung. Grafik: Dalia Al Nakdali.
Abbildung 2: Schematische Darstellung eines VECSELs mit V-förmiger Kavität und seitlicher Anregung. Grafik: Dalia Al Nakdali.
  • Der Aufbau eines VECSELs beinhaltet neben dem auf einer Quantenfilmstruktur basierenden Verstärkungsmedium einen im Halbleiter integrierten, hochreflektiven Braggspiegel. Dieser bildet zusammen mit dem Verstärkungsmedium einen aktiven Spiegel. Um die Laserkavität zu vervollständigen, wird mit dem Laserchip sowie einem oder mehreren weiteren Spiegel der Resonator realisiert. Mit Hilfe dieser Anordnung ist es möglich, neben einer hohen Flexibilität in der Resonatorkonfiguration und einer sehr guten Strahlqualität gleichzeitig eine hohe Ausgangsleistung zu erreichen. Die Wellenlänge kann dabei relativ frei über die Wahl des Halbleitersystems eingestellt werden.
Abbildung 3: Das Team. Foto: SFB1083/Tim van der Bovenkamp.
Abbildung 3: Das Team. Foto: SFB1083/Tim van der Bovenkamp.

…und was wir an VECSELn untersuchen:

  • In der AG Experimentelle Halbleiterphysik werden VECSELaufgebaut und charakterisiert.  Die Arbeitsgruppe arbeitet dabei eng mit der Arbeitsgruppe Theoretische Halbleiterphysik von Prof. Stephan Koch ( http://www.uni-marburg.de/fb13/research/theoretical-semiconductor-physics/research) zusammen, die die numerische Modellierung des Laserprozesses und das Design der Halbleiterchips übernimmt, sowie dem Wissenschaftlichen Zentrum für Materialwissenschaften (Dr. Wolfgang Stolz) (http://www.uni-marburg.de/wzmw/strl/index_html) in dem die Halbleiterchips epitaktisch gewachsen und prozessiert werden.
  • Folgende Aspekte werden in der AG Experimentelle Halbleiterphysik bearbeitet:
  • Intrakavitäre Frequenzkonversion (Terahertz-Erzeugung)
  • Zwei-Farben-Emission bzw. Multimoden-Dynamik
  • Einzelfrequenzbetrieb und Frequenzstabilisierung
  • Modenkopplung von Halbleiterscheibenlasern
  • Wärmemanagement von Hableiterscheibenlasern
  • Leistungsoptimierung
  • Neue Emissionswellenlängen
  • Derzeit hält die Arbeitsgruppe einen Weltrekord: die höchste Ausgangsleistung die aus einem Halbleiterscheibenlaser erzielt wurde.
  • siehe: B. Heinen, et al., 106 W continuous wave output power from a vertical-external-cavity surface-emitting laser (VECSEL), IET Electronics Letters 48, 516, (2012) [DOI]
Abbildung 4: Justagearbeiten am gepulsten VECSEL. Foto: Foto: AG Koch/AR-I.
Abbildung 4: Justagearbeiten am gepulsten VECSEL. Foto: AG Koch/AR-I.

Kürzliches Highlight:

Wir haben einen Halbleiterscheibenlaser zum Pulsen gebracht, und das ganz ohne sättigbare Absorber. Hohe Leistungen erreicht der absorberlose Laser nämlich ebenfalls, der durch ein ganz neues Verfahren sehr kurze Pulse mit hohen Repetationsraten emittiert. Sättigbare Absorber sind maßgeschneiderte Halbleiterbauteile, die bislang nötig waren, um VECSEL zum Pulsen zu bringen. Ihre Herstellung ist verhältnismäßig teuer und aufwendig, darüber hinaus limitieren sie die Leistungsfähigkeit des Lasers auf dem Weg zu immer stärkeren Lichtquellen. Nachdem der Betrieb absorberloser VECSEL nun bei einfacher, doppelter und sogar dreifacher Pulsrate erfolgreich demonstriert wurde, steht die Optimierung dieser im Vordergrund. Selbststartende modengekoppelte VECSEL können schließlich aufgrund ihrer Bauweise und Eigenschaften für bestimmte Anwendungen sehr nützlich sein und eine Alternative zu teuren Titan-Saphir Lasern darstellen. Mehr dazu:

https://www.uni-marburg.de/aktuelles/news/2014a/0327b

http://www.uni-marburg.de/fb13/aktuelles/news/ordner_2014/alias.2014-04-03.1884231032

http://digital-library.theiet.org/content/journals/10.1049/el.2014.0895 (DOI:  10.1049/el.2014.0895)

Siehe auch: M. Gaafar et al., Harmonic self-mode-locking of an optically pumped semiconductor disc laser, Electronics Letters 7/2014 (DOI:  10.1049/el.2014.0157)


 

Zuletzt aktualisiert: 23.10.2014 · Lippert SinaCatherine, Physik

 
 
 
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Tel. +49 6421 28-21322, Fax +49 6421 28-27036, E-Mail: anne.ehlers@physik.uni-marburg.de

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