Optisch gepumpter Halbleiterlaser

Optisch gepumpte Halbleiterlaser (Disk-Laser) werden auch Halbleiter-Scheibenlaser oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) genannt. Im Gegensatz zu konventionellen Halbleiterlasern wird der aktive Halbleiter nicht elektrisch, sondern optisch durch einen anderen (kurzwelligeren) Laser angeregt. Das klingt zunächst umständlich, doch es ergeben sich dadurch gegenüber anderen Lasertypen verschiedene Vorteile.

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Aufbau

Die Halbleiterstruktur besteht aus einer aktiven Zone und einem DBR-Spiegel (Distributed Bragg Reflector), der eine sehr hohe Reflektivität besitzt. Die aktive Zone besteht üblicherweise aus einer Sequenz periodisch angeordneter Quantenfilme (Quantentöpfen), die von Absorberschichten umgeben sind. Der Laserresonator wird durch den DBR-Spiegel und einen externen Spiegel gebildet.

Eigenschaften

Üblicherweise emittieren optisch gepumpte Halbleiterlaser im nahen oder mittleren Infrarot, abhängig von der Art des verwendeten Halbleiters. Der Pumplaser, in der Regel eine Laserdiode, emittiert ebenfalls im nahen Infrarot, besitzt aber eine etwas kürzere Wellenlänge. Durch Vergrößerung der angeregten Fläche kann die Leistung in den Wattbereich hinein erhöht werden, ohne dass die Strahlqualität darunter leidet.

Vorteile gegenüber Kantenemittern:

• Bessere Strahlqualität
• Symmetrisches Strahlprofil
• Flächenskalierbarkeit
• Externer Resonator

Vorteile gegenüber VCSELs:

• Wesentlich höhere Ausgangsleistung
• Flächenskalierbarkeit
• Externer Resonator

Vorteile gegenüber Festkörperlasern:

• Laserwellenlänge lässt durch die Zusammensetzung des Halbleiters gezielt einstellen
• Geringere Herstellungskosten

Anwendungen

• Mit dem Verfahren der Frequenzverdopplung kann die unsichtbare Infrarotstrahlung in sichtbares Licht umgewandelt werden. Dazu wird im externen Resonator des Scheibenlasers ein optisch nichtlinearer Kristall platziert, der die unsichtbare Infrarotstrahlung in sichtbares Licht umwandeln kann. Für eine hohe Verdopplungseffizienz ist eine hohe Infrarotleistung im Resonator und eine gute Strahlqualität erforderlich. Die Zusammensetzung des verwendeten Halbleiters bestimmt die Infrarotwellenlänge und lässt sich so gezielt einstellen. Durch die Auswahl geeigneter optisch nichtlinearer Kristalle kann prinzipiell dass komplette sichtbare Farbspektrum abgedeckt werden. Blaue, grüne, gelbe und orange frequenzverdoppelte Halbleiter-Scheibenlaser wurden schon demonstriert. Kommerziell erhältlich sind bisher lediglich blau emittierende optisch gepumpte Halbleiterlaser.

• Durch die Integration sättigbarer Absorber in den Laserresonator kann durch passive Modenkopplung (modelocking) ein Pulsbetrieb ermöglicht werden. Dabei erhält man sehr kurze Pulse mit einer sehr hohen Wiederholrate.

• Absorptionsspektroskopie (TDLAS) ist eine weitere interessante Anwendung.