forschungsprogramm optische technologien - Baden-Württemberg ...

Die genannten Maßnahmen zur Erhöhung der internen Absorption
stellen allerdings hohe Anforderungen an die Präzision
der Technologie. So müssen die Strukturen über die Länge der
internen Kavität von typischerweise zehn Wellenlängen mit
einer Genauigkeit von einem Zehntel der Wellenlänge, also
30 nm oder 1 %, gewachsen bzw. geätzt werden und auch die
Dicke und Zusammensetzung der Quantenfilme darf nur
wenige Prozent vom Sollwert abweichen.
Die theoretische Beschreibung des Scheibenlasers erfolgte
am IFSW, basierend auf der mikroskopischen Modellierung der
Quantenfilmstruktur durch das DLR. Die hochpräzisen Halbleiterstrukturen
wurden an der Universität Ulm mittels MBE
gewachsen und montiert und im Anschluss am IFSW bezüglich
ihrer optischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften
charakterisiert.
Experimentelle Ergebnisse
Mit einem Ti:Saphir-Laser wurden unter weitestgehend gleichen
Bedingungen Laserexperimente mit Absorber- und
Quantenfilmpumpen durchgeführt, um die Ergebnisse direkt
vergleichen zu können. Die Laserkennlinien sind – bezogen auf
die absorbierten Pumpphotonen – identisch, d. h. es treten
beim Absorberpumpen keine nennenswerten Verluste durch
den Energietransfer in die Quantenfilme auf; bezogen auf die
Leistungen hat das Quantenfilm-Pumpen einen leichten Vorteil
(Abb. 1).
Laserausgangsleistung (mW)
Absorbierte Pumpleistung (mW)
Abb. 1: Vergleich des Laserverhaltens
bei Absorber-Pumpen (blau)
und Quantenfilm-Pumpen (rot).
Auch die Kühlung ist in beiden Fällen hinreichend effektiv.
Schaut man sich jedoch die Temperatureffekte anhand der
Resonanzlinien im Photolumineszenzspektrum während des
Laserbetriebs an, so ergibt sich eine Linienverschiebung pro
Watt absorbierter Pumpleistung von 1,13 nm beim Absorber-
Pumpen gegenüber 0,39 nm beim Quantenfilm-Pumpen, entsprechend
einer Temperaturerhöhung von 17 K/W gegenüber
6 K/W (Abb. 2). Die thermische Belastung ist mithin beim
Absorber-Pumpen um den Faktor 3 größer. Falls nur der Quantendefekt
als Wärmequelle auftreten würde, ergäbe sich ein
Verhältnis 4,3 : 1. Das heißt, der Hauptteil der thermischen Last
resultiert aus dem Quantendefekt, und dieser kann durch
Quantenfilm-Pumpen drastisch reduziert werden.
Lage der Resonanz (nm)
Absorbierte Pumpleistung (mW)
Abb. 2: Verschiebung der Lage einer
Resonanzlinie im Fluoreszenzspektrum
als Funktion der absorbierten
Pumpleistung im Laserbetrieb.
Vergleich Absorber-gepumpt (blau)
und Quantenfilm-gepumpt (rot).
Zusammenfassung und Ausblick
Messungen haben gezeigt, dass durch direktes Pumpen in die
Quantenfilme ohne Umweg über spezielle Absorberschichten
der Wärmeeintrag um den Faktor 3 reduziert werden kann.
Bei ersten vergleichenden Messungen mit diodengepumpten
Strukturen hat sich gezeigt, dass dadurch das thermische Überrollen
später einsetzt, und so mit Quantenfilm-Pumpen eine
mehr als 50 % höhere Laserleistung erzielt werden konnte als
mit Absorber-Pumpen. Um eine dem Absorber-Pumpen vergleichbare
Absorptionseffizienz zu erzielen, muss jedoch eine
genaue Abstimmung der Halbleiterstruktur auf die Pumpstrahlung
erfolgen und gegebenenfalls eine mehrfache Rückabbildung
der Pumpstrahlung vorgesehen werden. Der reduzierte
Wärmeeintrag bietet die Chance, von der dreidimensionalen
Wärmeleitung auf die weniger effektive eindimensionale
Wärmeleitung überzugehen, die dann eine freie Leistungsskalierbarkeit
über die Fläche gestatten sollte. Dann sollte es möglich
sein, mit Halbleiterstrukturen in Leistungsbereiche vorzustoßen,
die bislang den Festkörperlasern vorbehalten sind, dies
aber mit dem Vorteil einer wesentlich größeren Flexibilität in
der Laserwellenlänge.
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