Single-frequency and Dual-wavelength Operation of Vertical-external-cavity Surface-emitting Lasers

Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Lasers (VECSELs), also oberflächenemittierende Laser mit vertikal angeordneter externer Kavität, wurden Mitte der 1990er-Jahre als eine weitere Klasse von vertikalemittierenden Lasern eingeführt. Diese bedienen sich einer Kombination aus laseraktiven Medien von Halbleiterlasern und den geometrischen Konzepten von Festkörper-Scheibenlasern, weshalb sie auch Halbleiter-Scheibenlaser (Semiconductor Disk Lasers, SDLs) genannt werden. Nach zwei Jahrzehnten an Forschung und Entwicklung bietet dieser Typ Halbleiterlaser nicht nur Zugang zuhohen Leistungen, sondern auch mit hervorragender Strahlqualität. Die Wellenlänge von VECSELn kann recht komfortabel und flexibel mithilfe der Bandlückengestaltung in der Halbleitertechnik angepasst werden. Weiterhin ermöglicht das Kavitätsdesign dieser Laser die Nutzung von zusätzlichen Elementen im externen Resonator und die Nutzung von sättigbaren Absorberspiegeln. Dank dieser Eigenschaft können VECSEL in verschiedenen Modi wie Dauerstrich- und Zwei-Farben-Betrieb verwendet werden, und eignen sich auch für die aus Ultrakurzpulslasern bekannte Modenkopplung. In der vorliegenden Arbeit liegt der Schwerpunkt auf die experimentelle Untersuchung und Entwicklung von Einzelfrequenz- und Zwei-Farben-VECSELn. Des Weiteren wird die spektrale Verstimmung (das Detuning) von VECSELn betrachtet und ihr Einfluss auf die Leistung des VECSELs experimentell untersucht. Um einen Dauerstrichbetrieb im schmalbandigen Einzelfrequenzmodus zu erzielen, muss der VECSEL sehr selektiv betrieben werden. Dazu muss die Lasermode in der transversalen Grundmode und mit einer selektierten Polarisation anschwingen, und nur eine einzelne Longitudinalmode aufweisen. Um unerwünschte Moden zu unterdrücken, sind optische Verluste bis zu einem gewissen Grad sogar erforderlich. Dies erschwert jedoch die Erzielung hoher Ausgangsleistungen, welche nur durch einen hohen Gewinn der Lasermode bei gleichzeitig niedrigen Verlusten begünstigt wird. In dieser Arbeit wird ein besonders leistungsstarker Einzelfrequenz-VECSEL realisiert, indem Gewinn und Verluste des Lasers sorgfältig im Hinblick auf einen einmodigen Betrieb ausgleichen werden. Die maximal erzielte Dauerstrich-Ausgangsleistung dieses VECSELs beträgt 23.6 W, was im Bereich Einzelfrequenz-Halbleiterlaser bis zur heutigen Zeit einen Rekordwert darstellt. Die größten Störquellen für einen sauberen Einzelfrequenzbetrieb werden identifiziert, indem die Laserlinienbreite im Hinblick auf die Abtastzeit untersucht wird. Um den Einzelfrequenz-VECSEL zusätzlich zu stabilisieren, werden sowohl passive als auch aktive Frequenzstabilisierungstechniken angewandt. Im Gegensatz zu Einzelfrequenzlasern besitzt die Laseremission von Zwei-Farben-VECSELn zwei spektral getrennte Gruppen longitudinaler Moden, die zur intrakavitären Differenzfrequenzbildung (Difference-Frequency Generation, DFG) genutzt werden können. So haben Scheller et al. beispielsweise eine Zimmertemperatur-Terahertz-Quelle basierend auf einem Zwei-Farben-VECSEL präsentiert. Allerdings werden sowohl die im Resonator erzielbare Leistung als auch der Wellenlängenabstand der zwei Farben durch das Einzel-Chip-Design begrenzt. An dieser Stelle wird eine alternative Herangehensweise vorgestellt, die zwei verschiedene VECSEL-Chips seriell in einem Hohlraumresonator verbindet. Auf diese Weise wird der Gewinn beider Chips kombiniert, was zu einem Zwei-Farben-Betrieb mit über 600 W Leistung im Resonator bei einer Wellenlängendifferenz von 10 nm führt. Der Wellenlängenabstand kann in diesem System jedoch unter Verwendung verschiedener Chipsätze und/oder Filter im Resonator flexibel verändert werden. Ergänzt wird die Beschreibung der bestehenden Terahertz-emittierenden VECSEL durch die Untersuchung der Strahlqualität des emittierten Terahertz-Signals. Gemäß des ISO-Standards beträgt der abgeleitete M2-Faktor für die X- und Y-Achse 1,41 bzw. 1,72, was die hohe Qualität des intrakavitär erzeugten DFG-basierten Terahertz-Strahls dieser Quelle bestätigt. Ergänzend zu vorangehenden Optimierungsbemühungen in Bezug auf die Leistungsfähigkeit von VECSELn, die stark vom thermischen Management, dem Chipdesign und der Chipqualität abhängt, wird im Rahmen dieser Arbeit auch die spektrale Verstimmung von VECSELn näher untersucht. Unter der Verstimmung von VECSELn versteht man die Wellenlängendifferenz zwischen dem Gewinn im Lasermedium und dem longitudinalen Einschluss-Faktor der Mikrokavität bei Raumtemperatur. Obwohl die Verstimmung ein wesentlicher Faktor hinsichtlich Ausgangsleistung, Laserschwelle und Emissionswellenlänge ist, ist es schwierig, experimentelle Studien unter Ausschluss der Einflüsse anderer Parameter durchzuführen. In dieser Arbeit wird erstmals der Kavitätswinkel eines V-förmigen Resonators variiert, um die Verstimmung eines VECSEL-Chips gezielt zu verändern. Anschließend wird der Einfluss verschiedener Verstimmungen systematisch auf die Leistung des VECSELs demonstriert: Bei der Veränderung der Verstimmung von -37 auf -20 nm lässt sich ein Anstieg der maximalen Ausgangsleistung um 70 % beobachten, während sich die Schwellenpumpleistung um den Faktor vier verändert. Zudem kann die Wellenlängen-Durchstimmbarkeit des VECSELs durch die Modifikation des intrakavitären Einfallswinkels auf dem Laserchip deutlich erhöht werden, was insbesondere für Anwendungen praktisch ist, welche eine erweiterte Wellenlängen-Zugänglichkeit erfordern.