forschungsprogramm optische technologien - Baden-Württemberg ...

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Wissenschaft & Forschung
[2001]
Projekt:
Scheibenlaser mit Halbleiterstrukturen
Gut zehn Jahre nach der ersten Vorstellung des Scheibenlasers
werden diese nun kommerziell mit Leistungen bis in den Multikilowatt-Bereich
mit guter Strahlqualität und hervorragendem
Wirkungsgrad angeboten. Das Lasermedium hat hier die Form
einer sehr dünnen, rückseitig verspiegelten und gekühlten
Scheibe. Thermisch induzierte Linsenbildung oder Doppelbrechung
lassen sich so deutlich reduzieren; die Laserleistung (wie
auch die Kühlleistung) ist einfach über die Fläche des gepumpten
Bereichs (bei konstanter Pumpleistungsdichte) skalierbar.
Dieses Prinzip ist auch auf Halbleiterstrukturen übertragbar.
Das laseraktive Medium wird durch nur wenige Nanometer
dicke Schichten, sogenannte Quantenfilme gebildet. Deren
Emissionswellenlänge wird durch die Schichtdicke sowie die
Größe der Bandlücke bestimmt und ist innerhalb gewisser
Grenzen frei wählbar. Hinzu kommt, dass die hohe Güte des
Scheibenlaser-Resonators eine äußerst effiziente resonatorinterne
Frequenzverdopplung gestattet. Auf diese Weise wird der
gesamte sichtbare und nahinfrarote Spektralbereich mit Halbleiter-Scheibenlasern
zugänglich. Die höchsten bisher erreichten
Leistungen sind 30 W bei 980 nm und 15 W bei 490 nm in
einem nahezu beugungsbegrenzten Strahl.
Absorption der Pumpstrahlung
Das dünne aktive Material erleichtert nicht nur die Kühlung,
sondern reduziert auch die Transparenz- und damit die Laserschwelle,
erfordert aber besondere Maßnahmen zur Erhöhung
der Absorption der Pumpstrahlung. Für den Festkörper-Scheibenlaser
wurde dazu eine Pumpoptik entwickelt, die es gestattet,
die nicht absorbierte Pumpstrahlung mehrmals auf die
Scheibe abzubilden. Bei Halbleitern wurde bisher meist ein
anderer Weg beschritten. Die an die Quantenfilme angrenzenden
Schichten werden als Absorber für die höherenergetische
Pumpstrahlung ausgebildet.
Die Bandlücke und Dicke dieser Absorberschichten wird so
groß gewählt, dass die Laserstrahlung ungehindert passieren
kann, die Pumpstrahlung dagegen in einem einzigen Durch-
Ausschreibung 2001: Neue Laserstrahlquellen
Halbleiter-Scheibenlaser
Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart
Universität Ulm, Abteilung Optoelektronik
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Institut für Technische Physik
gang effektiv absorbiert wird. So elegant diese Methode auch
ist, sie hat den Nachteil, dass die Energie der Pumpphotonen
ca. 20 % größer sein muss, als die der Laserphotonen. Und diese
Energiedifferenz wird in Wärme umgesetzt und muss abgeführt
werden. Dies gelingt, wenn mit relativ kleinen Pumpspots
gearbeitet wird, so dass die effektive dreidimensionale Wärmeleitung,
evtl. unterstützt durch Diamantwärmespreizer, zur
Kühlung genutzt werden kann.
Pumpen in die Quantenfilme
In dem Verbundprojekt „Halbleiter-Scheibenlaser“, welches
von dem Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart
(IFSW), dem Institut für Technische Physik des Deutschen
Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) in Stuttgart und
der Abteilung Optoelektronik der Universität Ulm bearbeitet
wird, wird nun erstmals angestrebt, eine prinzipiell beliebige
Leistungsskalierung über die Größe der Pumpfläche zu realisieren.
Dazu muss jedoch die entstehende Wärme durch eine rein
eindimensionale Wärmeleitung abgeführt werden können,
ohne die Probentemperatur bei den erforderlichen Leistungsdichten
zu stark zu erhöhen.
Hierfür ist es hilfreich, die Wärmeerzeugung so weit wie möglich
zu reduzieren, also möglichst nahe an der Laserwellenlänge
direkt in die Quantenfilme zu pumpen. Ein einzelner Quantenfilm
absorbiert jedoch nur 1 % der Pumpphotonen im Einfachdurchgang,
bei höherer Ladungsträgerdichte sogar noch weniger.
Allerdings kann die Absorption durch Verwendung mehrerer
Quantenfilme erhöht werden, sofern die Pumpleistung, die
zur Erzeugung der Transparenzdichte aufgewandt werden
muss, nicht zu groß wird. Des weiteren kann die interne Kavität,
die aus der (meist unbeschichteten) Vorderseite der Halbleiterscheibe
und dem hinteren hochreflektierenden Spiegel gebildet
wird, so ausgelegt werden, dass sich für die Pumpstrahlung ein
resonant überhöhtes Stehwellenfeld ausbildet, in dessen Bäuchen
die Quantenfilme positioniert werden können. Schließlich
kann zusätzlich eine ein- oder mehrfache Rückabbildung der
nicht absorbierten Pumpstrahlung vorgenommen werden.