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Halbleiterscheibenlaser

Source: Anne Schroll
Abb 1: Laser setup for the characterization of high-performance VECSEL systems

Entwicklung und Optimierung von leistungsstarken Halbleiterscheibenlasern 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.

  • 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.
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Source: Dalia Al Nakdali


Abb. 2: Schematische Darstellung eines VECSELs mit V-förmiger Kavität und seitlicher Anregung

  • 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 Spiegeln 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.
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Source: SFB1083/Tim van der Bovenkamp

Abb 3: Das Vecsel Team 2014

…und was wir an VECSELn untersuchen:

Folgende Aspekte werden in der AG Experimentelle Halbleiterphysik bearbeitet:

  •     Intrakavitäre Frequenzkonversion (Terahertz-Erzeugung)
  •     Modenkopplung von Halbleiterscheibenlasern

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]

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Source: AG Koch/AR-I

Wir haben einen Halbleiterscheibenlaser zum Pulsen gebracht, und das ganz ohne sättigbare Absorber.

Das Foto links zeigt uns bei Justagearbeiten an einem gepulsten Vecsel.

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:

Ansprechpartner: Dr. Arash Rahimi-Iman, Prof. Dr. Martin Koch