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Titel:Single-frequency and Dual-wavelength Operation of Vertical-external-cavity Surface-emitting Lasers
Autor:Zhang, Fan
Weitere Beteiligte: Koch, Martin (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2017
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2017/0159
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2017-01590
DOI: https://doi.org/10.17192/z2017.0159
DDC: Physik
Titel(trans.):Einzelfrequenz- und Zwei-Farben-Betrieb von Vertical-external-cavity Surface-emitting Lasern
Publikationsdatum:2017-02-20
Lizenz:https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0

Dokument

Schlagwörter:
Halbleiterlaser, semiconductor laser, semiconductor disk laser, Scheibenlaser, Laser, Einzelfrequenzlaser, dual-wavelength laser, Hochleistungslaser, Zwei-Farben-Laser, single-frequency laser, VECSEL

Summary:
Vertical-external-cavity surface-emitting lasers (VECSELs), also referred to as semiconductor disk lasers (SDLs), were invented in the mid-1990s by combining the gain media of semiconductor lasers with the geometry concepts of solid-state disk lasers. After two decades of research and development, this kind of laser offers a high-power output with excellent beam quality at a wavelength which can be tailored by semiconductor bandgap engineering. Moreover, the flexible external cavity of VECSELs allows for the utilization of intracavity elements and saturable absorbers. This feature provides the possibility to operate VECSELs under specific function modes such as single-frequency operation, dual-wavelength operation, and mode-locking. This work focuses on the experimental study and development of single-frequency as well as dual-wavelength VECSELs. Additionally, an important factor, namely the spectral detuning of VECSELs is discussed and its impact on the performance of the device is experimentally demonstrated. In order to achieve single-frequency operation, the VECSEL is allowed to operate only on fundamental transverse mode, single longitudinal mode, and single polarization mode. Therefore, to suppress the undesired modes, losses are required to a certain degree. However, this makes the realization of a high-power output challenging, where an overall high gain and a low loss level for the laser mode are favorable. In this work, a high-power single-frequency VECSEL is implemented by balancing the gain and the losses of the laser in combination with frequency stabilization methods. The maximum passively stabilized single-frequency output power from this device reaches 23.6 W, which is to this date the highest power among all single-frequency semiconductor lasers. The major noise sources are identified by analyzing the laser linewidth with respect to the sampling time. In order to further stabilize the single-frequency VECSEL, both passive and active frequency stabilization techniques are applied. In contrast to a single-frequency laser, laser emission from dual-wavelength VECSELs contains two clusters of multiple longitudinal modes, which can be used for intracavity difference-frequency generation (DFG). For instance, Scheller et al. presented a room-temperature terahertz source based on a dual-wavelength VECSEL. However, both the achievable intracavity power and wavelength spacing of the two colors are limited by the single-chip design. Here, an alternative approach is demonstrated in which two different VECSEL chips are serially connected in one resonant cavity.In this way, the gain of both chips are combined, which enables dual-wavelength operation with over 600 W intracavity power at a wavelength spacing of 10 nm. The wavelength spacing can be flexibly altered by employing different chip sets and/or intracavity filters. Furthermore, to complement the characterization of the existing terahertz-emitting VECSELs, the beam quality of the terahertz signal is investigated. According to the ISO standard, the deduced M2-factors for the x- and y-axis amount to 1.41 and 1.72, respectively, which confirm the high quality of the terahertz beam emitted from this intracavity-DFG-based source. In an additional effort to optimize the performance of VECSELs, which strongly depends on the thermal management, the chip design and its quality, the spectral detuning of VECSELs is targeted. The detuning of VECSELs is defined as the wavelength difference between the material gain and the longitudinal confinement factor at room temperature. Although the detuning is a key factor regarding the output power, threshold, and emission wavelength, it is difficult to conduct experimental studies while excluding the influence of other parameters. In this work, the cavity angle of a V-shaped cavity is varied to change the detuning of a VECSEL chip. Then the impact of different detunings on the performance of the device is demonstrated: By changing the detuning from -37 to -20 nm, an increment of the maximum output power by 70% is observed, while the threshold pump power is modified by a factor of four. Moreover, the wavelength tunability of the VECSEL can be greatly enhanced by the modification of the cavity angle, which is practical for applications that require additional wavelength accessibility.

Zusammenfassung:
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.

Bibliographie / References

  1. [4] M. Kuznetsov, F. Hakimi, R. Sprague, and A. Mooradian, “Design and characteristics of high-power ( >0.5-W CW) diode-pumped vertical-external-cavity surface-emitting semiconductor lasers with circular TEM00 beams,” Sel. Top. Quantum Electron. IEEE J. Of, vol. 5, no. 3, pp. 561-573, Jun. 1999.
  2. [11] P. Georges, I. Sagnes, and A. Garnache, “Design of a low-threshold VECSEL emitting at 852 nm for Cesium atomic clocks,” Opt. Quantum Electron., vol. 40, no. 2-4, pp. 167-173, Jan. 2008.
  3. [2] C. Jördens and M. Koch, “Detection of foreign bodies in chocolate with pulsed terahertz spectroscopy,” Opt. Eng. 47, 037003-037003-5 (2008).
  4. [14] M. Frede et al., “Fundamental mode, single-frequency laser amplifier for gravitational wave detectors,” Opt. Express, vol. 15, no. 2, p. 459, Jan. 2007.
  5. [3] M. Kuznetsov, F. Hakimi, R. Sprague, and A. Mooradian, “High-power (>0.5 W CW) diode-pumped vertical-external-cavity surface-emitting semiconductor lasers with circular TEM00 beams,” IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 9, no. 8, pp. 1063-1065, Aug. 1997.
  6. [15] P. Kwee et al., “Stabilized high-power laser system for the gravitational wave detector advanced LIGO,” Opt. Express, vol. 20, no. 10, pp. 10617-10634, May 2012.
  7. [4] E. Castro-Camus, M. Palomar, and A. A. Covarrubias, “Leaf water dynamics of Arabidopsis thaliana monitored in-vivo using terahertz time-domain spectroscopy,” Sci.
  8. [13] LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration et al., “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger,” Phys. Rev. Lett., vol. 116, no. 6, p. 061102, 2016.
  9. [12] S. Ranta, M. Tavast, T. Leinonen, R. Epstein, and M. Guina, “Narrow linewidth 1118/559 nm VECSEL based on strain compensated GaInAs/GaAs quantum-wells for laser cooling of Mg-ions,” Opt. Mater. Express, vol. 2, no. 8, pp. 1011-1019, Aug. 2012.
  10. [10] W. J. Alford et al., “Optically Pumped Semiconductor Lasers for Precision Spectroscopic Applications,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 49, no. 8, pp. 719-727, 2013.
  11. [6] U. Keller and A. C. Tropper, “Passively modelocked surface-emitting semiconductor lasers,” Phys. Rep., vol. 429, no. 2, pp. 67-120, Jun. 2006.
  12. [8] A. Rahimi-Iman, “Recent advances in VECSELs,” J. Opt., vol. 18, no. 9, p. 093003, 2016.
  13. [9] B. Rudin et al., “Highly efficient optically pumped vertical-emitting semiconductor laser with more than 20 W average output power in a fundamental transverse mode,” Opt. Lett., vol. 33, no. 22, pp. 2719-2721, Nov. 2008.
  14. [2] A. Haglund, J. S. Gustavsson, J. Vukusic, P. Modh, and A. Larsson, “Single fundamentalmode output power exceeding 6 mW from VCSELs with a shallow surface relief,” IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 16, no. 2, pp. 368-370, 2004.
  15. [1] T. H. Maiman, “Stimulated Optical Radiation in Ruby,” Nature, vol. 187, no. 4736, pp. 493-494, 1960.
  16. Wiesauer, V. Reisecker, and M. Koch, “Terahertz spectroscopy to study the orientation of glass fibres in reinforced plastics,” Compos. Sci. Technol. 70, 472-477 (2010).
  17. [16] C. L. Mueller et al., “The advanced LIGO input optics,” Rev. Sci. Instrum., vol. 87, no. 1, p. 014502, Jan. 2016.
  18. [1] T. Kürner and S. Priebe, “Towards THz Communications - Status in Research, Standardization and Regulation,” J. Infrared Millim. Terahertz Waves 35, 53-62 (2013).
  19. [5] A. C. Tropper, H. D. Foreman, A. Garnache, K. G. Wilcox, and S. H. Hoogland, “Verticalexternal-cavity semiconductor lasers,” J. Phys. Appl. Phys., vol. 37, no. 9, pp. R75-R85, May 2004.


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