Optisch gepumpter Festkörperlaser

Die Erfindung betri f ft einen optisch gepumpten Festkörperlaser, insbesondere einen oberflächenemittierenden optisch gepumpten Festkörperlaser .

Laser, Festkörperlaser und Halbleiterlaser sind bekannt . Insbesondere sind Halbleiterlaser mit diversen Materialsystemen bekannt , mit denen sich allerdings bislang nur bestimmte Wellenlängen einfach realisieren lassen . Weitere Wellenlängen können durch Festkörperlaser, insbesondere durch mittels Laserdioden gepumpte Festkörperlaser ( diode-pumped solid-state ( DPSS ) lasers ) , bereitgestellt werden .

Aufgabe der Erfindung ist es , einen optisch gepumpten Festkörperlaser bereitzustellen, der kompakt ist und einen einfachen Aufbau hat .

Diese Aufgabe wird durch den optisch gepumpten Festkörperlaser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . In davon abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Aus führungsvarianten angegeben .

Gemäß einer Aus führungs form umfasst der optisch gepumpte Festkörperlaser eine Pumpstrahlungsquelle und einen Laserresonator zum Ausbilden von zumindest einer stehenden Welle mit einem aktiven Lasermedium . Die Pumpstrahlungsquelle und der Laserresonator sind derart relativ zueinander angeordnet , dass der Laserresonator durch die Pumpstrahlungsquelle gepumpt werden kann . Der Laserresonator ist an einem ersten Ende durch einen Endspiegel zur Reflektion der stehenden Welle und an einem zweiten Ende durch einen Auskoppelspiegel zur Reflektion der stehenden Welle und Auskoppelung einer Laserstrahlung begrenzt . Der Laserresonator weist zudem mindestens vier Reflektoren auf , an denen sich die Erstreckungsrichtung der stehenden Welle ändert .

Dadurch kann der Laserresonator besonders kompakt ausgestaltet werden .

Gemäß einer Aus führungs form erstreckt sich das Lasermedium schichtartig . Insbesondere kann es sich schichtartig entlang einer Hauptrichtung und/oder einer Hauptebene erstrecken . Dementsprechend hat das Lasermedium z . B . eine flächige Oberseite und - vorzugsweise parallel dazu - eine flächige Unterseite , wobei etwaige Seitenflächen wesentlich kleiner sind als sowohl die Ober- als auch die Unterseite , z . B . um mindestens einen Faktor 5 oder 10 oder 20 oder 50 .

Dabei sowie generell können die Reflektoren derart angeordnet sein, dass sich die stehende Welle zigzagförmig erstreckt und dabei mehrfach durch das Lasermedium hindurch erstreckt .

Insbesondere kann sich die stehende Welle entlang deren Ausbreitungsrichtung durch das Lasermedium hindurch erstrecken und dann an einer Oberseite des Lasermediums an zwei aufeinanderfolgenden Reflektoren reflektiert werden und sich dann erneut durch das Lasermedium hindurch erstrecken und dann an der Unterseite des Lasermediums an zwei aufeinanderfolgenden Reflektoren reflektiert werden und sich dann erneut durch das Lasermedium hindurch erstrecken .

Die Begri f fe „Oberseite" und „Unterseite" beschreiben hier und im Folgenden zwei zumindest im Wesentlichen gegenüberliegenden flächige Seiten des schichtartigen Lasermediums . Welcher der beiden Seiten der Begri f f „oben" bzw . „unten" zugeordnet wird, ist beliebig . Die Begri f fe „oben" und „unten" dienen lediglich der Definition gleichartiger Ausrichtungen in Bezug auf die nachfolgend beschriebenen optionalen weiteren Komponenten des Festkörperlasers . Entlang der stehenden Welle ergibt sich somit die Abfolge : Lasermedium - Reflektor - Reflektor - Lasermedium - Reflektor - Reflektor - Lasermedium . Diese Abfolge kann beliebig lang wiederholt werden bis dann schließlich die Laserstrahlung durch den Auskoppelspiegel ausgekoppelt wird oder durch den Endspiegel reflektiert wird . Also z . B . Endspiegel - Lasermedium - Reflektor - Reflektor - Lasermedium - Reflektor - Reflektor - Lasermedium - Reflektor - Reflektor - Lasermedium - Reflektor - Reflektor - Auskoppelspiegel .

Die stehende Welle erstreckt sich bevorzugt senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht durch das insbesondere schichtartige Lasermedium hindurch . Zum Beispiel kann sie sich in einem Winkel von einschließlich 85 bis einschließlich 95 Grad durch das insbesondere schichtartige Lasermedium hindurch erstrecken .

Zum Beispiel kann sie sich bei den zuvor beschriebenen Abfolgen j eweils senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht durch das Lasermedium hindurch erstrecken .

Zwei aufeinander folgende Reflektoren können durch unterschiedliche Abschnitte einer Erhebung, insbesondere Prisma, auf dem Lasermedium gebildet sein . Das gilt insbesondere aber nicht ausschließlich für die j eweiligen zwei aufeinander folgenden Reflektoren bei den zuvor beschriebenen Abfolgen . Die Erhebung kann derart geformt sein, dass sie die stehende Welle kollimiert . Die Erhebung kann mit einer spiegelnden Schicht ( auch spiegelnde Beschichtung genannt ) versehen sein . Die Erhebung kann aus einem Führungsmedium bestehen . Mehrere solcher Erhebungen aus dem Führungsmedium können auf einer Seite ( Ober- oder Unterseite ) des Lasermediums vorhanden sein . Diese können durch das Führungsmedium miteinander verbunden sein oder sie sind nicht durch das Führungsmedium miteinander verbunden .

Gemäß einer Aus führungs form umfasst der Auskoppelspiegel und/oder der Endspiegel eine oder mehrere Schichten auf dem vorzugsweise schichtartigen Lasermedium oder besteht daraus . Die Schichten können direkt auf dem Lasermedium ausgebildet sein, z . B . auf dessen Ober- oder Unterseite , oder es kann sich alternativ dazu mindestens eine weitere Schicht zwischen Lasermedium und Auskoppelspiegel und/oder der Endspiegel erstrecken .

Gemäß einer Aus führungs form umfasst der Festkörperlaser zudem ein auf einer Seite des Lasermediums angeordnetes vorzugsweise schichtartiges Führungsmedium zum Führen der stehenden Welle , wobei zumindest zwei der Reflektoren als eine Erhebung des Führungsmediums gebildet sind . Die Erhebung kann mit einer spiegelnden Schicht versehen sein .

Dabei ist es vorteilhaft , wenn die spiegelnde Schicht nicht auf dem Lasermedium, sondern auf dem Führungsmedium angeordnet ist . Zwischen den angeregten Niveaus im Lasermedium und dem Leitungsband der Schicht könnte es andernfalls zum Ladungsträgeraustausch kommen, der wiederum zu nichtstrahlenden Rekombinationen und Ef fi zienzverlust führt , insbesondere durch Plasmonenexitation . Besonders vorteilhaft ist dies , wenn es sich bei der spiegelnden Schicht um eine Schicht handelt , die ein Metall umfasst oder aus Metall oder Metallen besteht .

Vorzugsweise umfasst der Festkörperlaser zwei derartige Führungsmedien, eines auf der Oberseite , das andere auf der Unterseite des Lasermediums .

Gemäß einer Aus führungs form hat der Festkörperlaser ein auf der Oberseite des Lasermediums angeordnetes oberes (vorzugsweise schichtartiges ) Führungsmedium zum Führen der stehenden Welle mit mehreren Erhebungen, die j eweils zwei der Reflektoren bilden sowie einem auf der Unterseite des Lasermediums angeordneten unteren (vorzugsweise schichtartigen) Führungsmedium zum Führen der stehenden Welle mit mehreren Erhebungen, die j eweils zwei der Reflektoren bilden . Das Führungsmedium mit Reflektoren ermöglicht eine einfache Herstellung des Festkörperlasers . Das obere und das untere Führungsmedium können mit dem Lasermedium mittels eines brechungsindexangepassten Materials verbunden werden, beispielsweise durch Laminieren oder Kleben . Dabei kann das Führungsmedium für mehrere Laser in Form eines Wavers bereitgestellt werden und die Führungsmedien können bereits - vor Vereinzelung - auf dem Waver angebracht werden . Derartige Verfahren werden auch waverseitige Prozessierung ( engl . : waver level processing) genannt .

Das Führungsmedium kann Glas umfassen oder daraus bestehen .

Der Auskoppelspiegel kann auf der Oberseite des oberen Führungsmediums angeordnet sein und der Endspiegel auf der Unterseite des unteren Führungsmediums .

Der Auskoppelspiegel kann eine oder mehrere Schichten umfassen . Dasselbe gilt für den Endspiegel .

Insbesondere kann der Auskoppelspiegel eine oder mehrere Schichten auf der Oberseite des oberen Führungsmediums oder des Lasermediums umfassen oder daraus bestehen und der Endspiegel kann eine oder mehrere Schichten auf der Unterseite des unteren Führungsmediums oder des Lasermediums umfassen oder daraus bestehen .

Gemäß einer Aus führungs form ist der Endspiegel als Einkoppelspiegel ausgestaltet und die Strahlungsquelle und der Laserresonator sind derart relativ zueinander angeordnet , dass die Pumpstrahlung via dem Einkoppelspiegel in den Laserresonator eingekoppelt wird .

Dies kann erreicht werden, indem als Endspiegel ein wellenlängenselektiver Spiegel verwendet wird, der für die Pumpstrahlung durchlässig ist und für die Laserstrahlung hochreflektierend . Als Auskoppelspiegel kann ebenfalls ein wellenlängenselektiver Spiegel verwendet werden . Dadurch kann die Wellenlänge des Lasers stabilisiert werden . Insbesondere kann eine Re- flektivität des Auskoppelspiegels bei einer Hauptwellenlänge der Laserstrahlung ein Maximum aufweisen und hin zu größeren und/oder kleineren Wellenlängen abfallen, um die Wellenlänge zu stabilisieren .

Gemäß einer Aus führungs form umfasst der Festkörperlaser eine auf zumindest einem der Reflektoren angeordnete wellenlängenselektive Ref lektionsbeschichtung, die geeignet ist , eine Hauptwellenlänge der Laserstrahlung zu stabilisieren . Um dies zu erreichen, kann eine Ref lektivität des zumindest einen Reflektors auf Grund der Ref lektionsbeschichtung ein Maximum bei der Hauptwellenlänge aufweisen und hin zu größeren und/oder kleineren Wellenlängen als die Hauptwellenlänge abfallen .

Gemäß einer Aus führungs form umfasst der Festkörperlaser zudem ein Gehäuse . Dieses kann hermetisch sein und kann durch einen Träger, das schichtartige Lasermedium und einen Rahmen, der den Träger mit dem schichtartigen Lasermedium verbindet , gebildet sein . Der Rahmen kann ein oder mehrere Seitenwände umfassen . Die Pumpstrahlungsquelle kann in dem Gehäuse angeordnet sein, insbesondere auf dem Träger, z . B . auf dessen Oberseite .

Der Träger kann ein PCB ( engl . : printed circuit board) , ein Keramikträger, eine Metallkernplatine oder ein QFN-Substrat sein . Die Pumpstrahlungsquelle kann auf dem Träger aufgelötet oder aufgeklebt sein .

Die Pumpstrahlungsquelle kann einen Halbleiterlaser umfassen . Insbesondere kann es sich dabei um ein oder mehrere Halbleiterlaser handeln, insbesondere ein oder mehrere oberflächenemittierende Halbleiterlaser, beispielsweise ein VCSEL- Array . Bei dem zuvor beschriebenen Gehäuse kann die Pumpstrahlungsquelle einen oder mehrere auf dem Träger angeordnete oberflächenemittierende Halbleiterlaser umfassen oder daraus bestehen, insbesondere einen oder mehrere VCSEL (engl. : Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder HCSEL (engl. : Horizontal Cavity Surface Emitting Laser) , beispielsweise ein VCSEL- Array .

Der Laser kann auf dem Materialsystem GaN basieren.

Gemäß einer Aus führungs form umfasst das Lasermedium einen Laserkristall oder besteht daraus. Dieser kann mit einem Metall der seltenen Erden dotiert sein, insbesondere Tb3+ oder Pr3+ .

Das Lasermedium kann ein flächiger Laserkristall sein. Dieser kann eine Dicke von einschließlich 0,2 bis einschließlich 2 mm aufweisen.

Der Festkörperlaser 1 kann z.B. in einem Spektrometer oder in einer Erweiterte-Realität-Brille, auch AR-Brille genannt, oder in einer Virtuelle-Realität-Brille, auch VR-Brille gen- nannt, verwendet werden.

Die Erfindung wird nachstehend in Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert, die schematisch zeigen:

Figur 1: einen optisch gepumpten Festkörperlaser gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 2: einen optisch gepumpten Festkörperlaser gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Figur 3: einen optisch gepumpten Festkörperlaser gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

In Figur 1 ist ein optisch gepumpter Festkörperlaser 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Wesentliche Bestandteile des Festkörperlasers 1 sind die Pumpstrahlungs- quelle 100 sowie der Laserresonator 200 . Bei der Pumpstrahlungsquelle 100 handelt es sich vorliegend um eine GaN- basierten Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL ) . Alternativ dazu kann beispielsweise ein beliebiger sonstiger Halbleiterlaser verwendet werden, insbesondere ein anderer vertikal emittierender Laser, beispielsweise ein Hori zontal Cavity Surface Emitting Laser (HCSEL ) oder auch ein kantenemittierende Halbleiterlaser oder auch ein Array derartiger Laser . Die Pumpstrahlungsquelle 100 ist derart relativ zu dem Laserresonator 200 angeordnet , dass die von der Pumpstrahlungsquelle 100 emittierte Pumpstrahlung 310 via dem Endspiegel 220 in den Laserresonator 200 eingekoppelt wird und der Laserresonator 200 dementsprechend durch die Pumpstrahlung 310 der Pumpstrahlungsquelle 100 gepumpt wird .

Der Einkoppelspiegel 220 ist ein frequenzselektiver Spiegel , der im blauen Spektralbereich eine hohe Transmission aufweist , so dass die Pumpstrahlung 310 in den Laserresonator 200 einkoppeln kann . Gleichzeitig ist der Einkoppelspiegel 220 für die langwelligere zu erzeugende Laserstrahlung 330 (bzw . die stehende Welle 320 ) hochref lektiv und bildet einen an einem Ende des Laserresonators 200 angeordneten Endspiegel 220 zur Reflektion der im Laserresonator 200 aus zubildenden stehenden Welle 320 . An seinem zweiten Ende ist der Laserresonator 200 durch den Auskoppelspiegel 230 begrenzt , der in Spektralbereich der Laserstrahlung 330 eine relativ hohe Re- flektivität aufweist , so dass sich in dem Resonator 200 die stehende Welle 320 ausbilden kann und gleichzeitig die Laserstrahlung 330 via dem Auskoppelspiegel 230 aus dem Laserresonator 200 ausgekoppelt werden kann .

Wie zuvor erwähnt , handelt es sich bei dem Einkoppelspiegel 220 um einen frequenzselektiven Spiegel . Der Einkoppelspiegel 220 ist vorliegend ein frequenzselektiver Mehrschichtspiegel , dessen Einzelschichten auf die Unterseite 203 des Lasermediums aufbeschichtet sind . Der Auskoppelspiegel ist auf die Oberseite 202 des Lasermediums aufbeschichtet . Der Laserresonator 200 umfasst vier Reflektoren 210 , an denen sich die Ausbreitungsrichtung der stehenden Welle 320 ändert . Dementsprechend erstreckt sich die stehende Welle 320 zickzackförmig mehrfach durch das Lasermedium 201 , das im vorliegenden Aus führungsbeispiel schichtartig ausgebildet ist , hindurch . Jeweils zwei der Reflektoren 210 werden durch die auf der Oberseite 202 bzw . Unterseite 203 des Lasermediums 201 angeordneten Prismen 212 gebildet . Die stehende Welle 320 erstreckt sich j eweils im Wesentlichen senkrecht durch das schichtartige Lasermedium 201 hindurch .

Der Festkörperlaser 1 gemäß dem ersten Aus führungsbeispiel umfasst überdies eine Kollimationslinse 240 mittels derer die divergente Pumpstrahlung 310 vor deren Einkopplung in den Laserresonator 200 via dem Einkoppelspiegel 220 zu einem annähernd parallelen Strahl kollimiert wird .

Das Lasermedium 201 ist im vorliegenden Aus führungsbeispiel ein mit einem Metall der seltenen Erden dotierter Laserkristall . Für diese Dotierung kommt insbesondere Tb3+ oder Pr3+ in Frage . Mittels dieser Materialien kann ein mittels der blauen Stählung der GaN basierten Punpstrahlungsquelle anregbarer und in einem grünen Spektralbereich ( Tb3+ ) bzw . orangefarbenen Spektralbereich ( Pr3+ ) emittierender Laserkristall 201 erzeugt werden . Diese Spektralbereiche sind mit derzeitigen Halbleiterlasern nicht zugänglich .

In Figur 2 ist ein optisch gepumpter Festkörperlaser 1 gemäß einem zweiten Aus führungsbeispiel dargestellt . Dieser umfasst die Bestandteile des Festkörperlasers 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel . Zusätzlich umfasst der Festkörperlaser 1 gemäß dem zweiten Aus führungsbeispiel ein oberes Führungsmedium 215 und ein unteres Führungsmedium 214 , wobei die Prismen 212 integral in diesen Führungsmedien 214 , 215 gebildet sind . Beispielsweise können die Führungsmedien 214 , 215 j eweils als integrales Glaselement mitsamt den Prismen 212 gefertigt werden . Zur Fertigung des Laserresonators 200 können dann die Führungsmedien 214 , 215 und das Lasermedium 201 di- rekt aufeinander gebondet oder geklebt werden . Beispielsweise kann zunächst das Lasermedium 201 auf das obere Führungsmedium 215 geklebt werden und dann das untere Führungsmedium 214 auf das resultierende Halbzeug geklebt werden .

Im vorliegenden Aus führungsbeispiel ist der Auskoppelspiegel 230 auf die Oberseite des oberen Führungsmediums 215 beschichtet und der Einkoppelspiegel 220 auf die Unterseite 203 des Lasermediums 201 . Alternativ dazu kann der Einkoppelspiegel 220 auch auf die Unterseite des unteren Führungsmediums 214 beschichtet werden und/oder der Auskoppelspiegel 230 auf die Oberseite des Lasermediums 201 .

Überdies ist bei dem Festkörperlaser 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel im Gegensatz zu dem Festkörperlaser 1 des ersten Aus führungsbeispiels ein vorzugsweise hermetisches Gehäuse 400 vorhanden . Das Gehäuse umfasst einen Träger 410 , auf dem der VCSEL 100 angeordnet ist , sowie einen Rahmen 420 , der den Träger 410 mit dem Laserresonator 200 verbindet . Dementsprechend bilden Träger 410 , Rahmen 420 und Laserresonator 200 ein Gehäuse 400 in dem der als Pumpstrahlungsquelle dienende VCSEL 100 angeordnet ist .

Überdies ist bei dem Festkörperlaser 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel auf den Reflektoren 210 eine wellenlängenselektive Ref lektionsbeschichtung 211 angeordnet , die eine Hauptwellenlänge der Laserstrahlung 330 stabilisiert . Die Re- f lektionsbeschichtung ist derart ausgestaltet , dass die Re- flektivität der Reflektoren 210 ein Maxium bei der Hauptwellenlänge ( Zielwellenlänge ) der Laserstrahlung 330 aufweist und hin zu größeren und/oder kleineren Wellenlängen als die Hauptwellenlänge abfällt . Dadurch kann ein Temperaturdri ft der Wellenlänge des Festkörperlasers 1 reduziert werden .

Derartige frequenzselektive Ref lektionsbeschichtungen 211 können durch Aufbringen mehrschichtiger Spiegel erzielt werden . Eine weitere Stabilisierung der Hauptwellenlänge der Laserstrahlung kann erreicht werden, indem auch der Auskoppel- spiegel 230 entsprechend frequenzselektiv ausgestaltet wird, das heißt , dass seine Ref lektivität ein Maxium bei der Hauptwellenlänge aufweist und hin zu größeren und/oder kleineren Wellenlängen abfällt .

In Figur 3 ist ein optisch gepumpter Festkörperlaser 1 gemäß einem dritten Aus führungsbeispiel dargestellt . Dieser ist identisch zudem gemäß dem zweiten Aus führungsbeispiel aufgebaut , bis auf folgende Unterschiede :

Der Festkörperlaser 1 gemäß dem dritten Aus führungsbeispiel weist keine Kollimationslinse 240 auf . Dafür werden die ersten beiden Reflektoren 210 nicht durch ein Prisma 212 sondern durch eine Erhebung mit gekrümmten Kanten 213 gebildet . Diese Kanten kollimieren die stehende Welle , so dass die Kollimationslinse 240 nicht erforderlich ist . Alternativ dazu können auch weitere der Prismen durch geeignete Erhebungen 213 mit gekrümmten Kanten ersetzt werden, so dass insgesamt eine kol- limierte Laserstrahlung 330 entsteht . Der Einkoppelspiegel 220 ist bei dem dritten Aus führungsbeispiel auf das untere Führungsmedium 214 aufbeschichtet .

Bezugs zeichenliste :

1 Optisch gepumpter Festkörperlaser

100 Pumpstrahlungsquelle

200 Laserresonator

201 Lasermedium

202 Oberseite des Lasermediums

203 Unterseite des Lasermediums

210 Reflektor

211 Ref lektionsbeschichtung

212 Erhebung in Form eines Prismas

213 Erhebung mit gekrümmten Kanten

214 unteres Führungsmedium

215 oberes Führungsmedium

220 Endspiegel , Einkoppelspiegel

230 Auskoppelspiegel

240 Kollimationslinse

310 Pumpstrahlung

320 stehende Welle

330 Laserstrahlung

400 Gehäuse

410 Träger

420 Rahmen