- 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.
Inhaltsverzeichnis
Aufbau
Die Halbleiterstruktur besteht aus einer aktiven Zone, die auf einem DBR-Spiegel (distributed Bragg reflector) mit sehr hoher Reflektivität sitzt. Die aktive Zone besteht üblicherweise aus einer Sequenz periodisch angeordneter Quantenfilme (Quantentöpfen), die von Pumplichtabsorberschichten umgeben sind. Der Laserresonator wird durch den DBR-Spiegel und mindestens 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. Der Pumplaser wird auf die Halbleiterscheibe fokussiert, wodurch sich in diesem Bereich Inversion ausbildet und der optisch gepumpte Halbleiterlaser anschwingt. Durch Vergrößerung der angeregten Fläche kann die Leistung des optische gepumpten Halbleiterlasers bis in den Wattbereich hinein skaliert werden, ohne dass die Strahlqualität darunter leidet.
Vorteile
Vorteile gegenüber Kantenemittern sind in erster Linie die bessere Strahlqualität und das symmetrische Strahlprofil, aber auch die Flächenskalierbarkeit und der Externe Resonator.
Vorteile gegenüber VCSELs sind die wesentlich höhere Ausgangsleistung sowie die Flächenskalierbarkeit und der Externe Resonator.
Vorteile gegenüber Festkörperlasern sind die durch die Zusammensetzung des Halbleiters gezielt einstellbare Laserwellenlänge, die geringeren Herstellungskosten und seine Kompaktheit.
Nachteile
Nachteile gegenüber Kantenemittern sind die schlechtere Effizienz, der höhere Kaufpreis und die Komplexität.
Nachteile gegenüber VCSELs sind der aufwändige Aufbau sowie der höhere Kaufpreis und die Größe.
Nachteile gegenüber Festkörperlasern sind die üblicherweise schlechtere Effizienz, die eventuell kürzere Lebensdauer des Halbleiters und die zum Teil sehr viel geringere Ausgangsleistung.
Anwendungen
- Mit Hilfe von Frequenzverdopplung im externen Resonator kann die Infrarotstrahlung in sichtbares Licht umgewandelt werden. Da es sich bei Frequenzverdopplung um einen nichtlinearen optischen Effekt handelt, ist für hohe Effizienz eine sehr hohe Intensität nötig. Sehr hohe Intensitäten liegen innerhalb des Resonators vor, weshalb ein nichtlinearer optischer Kristall innerhalb des externen Resonators des Halbleiterscheibenlasers platziert wird. Die Zusammensetzung des verwendeten Halbleiters bestimmt die Infrarotwellenlänge und lässt sich so gezielt einstellen. Durch die Auswahl geeigneter optisch nichtlinearer Kristalle kann prinzipiell das komplette sichtbare Farbspektrum abgedeckt werden. Blaue, grüne, gelbe und orange frequenzverdoppelte Halbleiter-Scheibenlaser wurden schon demonstriert und sind kommerziell erhältlich.
- 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.
- Optisch gepumpte Halbleiter werden zum Pumpen anderer Laserquellen, vornehmlich Ultrakurzpulslaser oder UV-Laser, verwendet.
Literatur
- Svent-Simon Beyertt: Quantenfilm-Pumpen zur Leistungsskalierung von Halbleiter-Scheibenlasern. Herbert Utz Verlag, München 2011, ISBN 978-3-8316-4051-5
- Thomas Kübler: Modellierung und Simulation des Halbleiterscheibenlasers. Herbert Utz Verlag, München 2009, ISBN 978-3-8316-0918-5.
Weblinks
Kategorien:- Technische Optik
- Halbleiterbauelement
- Laserstrahlquelle
Wikimedia Foundation.
