Realization of a Kerr-lens mode-locked vertical-external-cavity surface-emitting laser

Neben dem Dauerstrichbetrieb (engl. continuous wave, kurz CW), bei dem Licht kontinuierlich emittiert wird, können speziell entwickelte Laser auch kurze oder sogar ultrakurze Lichtpulse erzeugen, wobei im letzteren Fall von Ultrakurzpulslasern die Rede ist. Bis jetzt wurden Ultrakurzpulslaser in verschiedenen Industrie- und Forschungsbereichen, wie der Biologie, Metrologie oder Medizin eingesetzt. Aber hohe Kosten und die große Komplexität dieser Systeme verhindern ihren Einsatz in neuen Anwendungsgebieten, in denen günstige und kompakte Ultrakurzpulslaser, wie zum Beispiel bei der optische Takterzeugung für Mikroprozessoren oder beim optischen Richtfunk, benötigtwerden. Halbleiterlaser würden diesen Anforderungen genügen, jedoch sind konventionelle Halbleiterlaser Kantenemitter, deren Ausgangsleistung nicht ohne weiteres gesteigert werden kann. Auch Oberflächenemitter in einer Mikrokavität unterliegen dieser Beschränkung. Zudem besitzen die stärksten Kantenemitter eine stark asymmetrische Strahlcharakteristik, wodurch sie für vieleAnwendungensbereiche von Ultrakurzpulslasern untauglich sind. Oberflächenemittierende Halbleiterscheibenlaser mit externer Kavität (engl. Vertical-external- cavity surface-emitting lasers, kurz VECSEL), auch als Halbleiterscheibenlaser (engl. semiconductor disk lasers, kurz SDL) bezeichnet, sind leistungsstarke und sehr flexible koherente Lichtquellen. Sie können als Hybridsystem aus ionendotierten Festkörperlasern und konventionellen Halbleiterlasern betrachtet werden. SDLs kombinieren die Vorteile eines aktiven Mediums aus Halbleitermaterialien, z.B. Flexibilität der Wellenlänge, hohen Gewinnquerschnitt und einfache Herstellung mit den Vorteilen eines ionendotierten Festkörperlasers, wie externe Resonatoren mit hoher Güte und exzellentem Strahlprofil. Zudem erlaubt der 1-D Wärmestrom, welcher aus dem Aufbau als Dünnschichtlaser resultiert und eine effiziente Kühlung ermöglicht, die Skalierung der Ausgangsleistung durch Veränderung von Anregungsbereich und Modengröße. SDLs haben sich als vielseitige Laser mit unterschiedlichen Betriebsmodi erwiesen, welche auf der einen Seite bemerkenswerte Ausgangsleistungen im multimoden oder einzelfrequenten CW-Betrieb und auf der anderen Seite zwei-Farben sowie modengekoppelte Emission beinhalten. Modengekoppelte SDLs besitzen gegen über Festkörperlasern viele Vorteile, wie ihre geringe Komplexität, Kompaktheit, Kostengünstigkeit und ein extrem weiter Bereich dermöglichen Emissionswellenlängen (vom Sichtbaren bis zum mittleren Infrarotbereich, abhängig vom verwendeten Materialsystem) sowie hohe Wiederholraten. Dadurch werden Ultrakurzpuls- SDLs für verschieden Anwendungen sehr interessant, welche auf kompakte, günstige und massenfertigungstaugliche Lasertechnologie setzen. In diesem Zusammenhang, motiviert durch den Bedarf die beschriebenen Limitierungen zu überwinden, war das Ziel dieser Arbeit das weitere Potential von modengekoppelten SDLs zu erforschen. Insbesondere lag der Fokus auf dem SML oder dem sättigbaren- Absorber-freien Betrieb, welcher als eine vielversprechende Technik zur Realisierung eines kompakten, robusten und kostengünstigen modengekoppelten Systems betrachtet wird. In dieser Arbeit werden die experimentellen Ergebnisse zum SML Betrieb eines SDLs im sub-Picosekunden Bereich präsentiert. Wir zeigen, dass der SML Betrieb nicht nur für Quantenfilm basierenden SDLs, sondern auch auf Quantenpunkt basierenden Systemen möglich ist. Des weiteren wird die Modenkopplung bei höheren Harmonischen mit sub ps Pulsen bei diskreten Ausgangsleistungen gezeigt. Weiterhin wurde zur Erweiterung der Anwendungen von Ultrakurzpuls-SDLs eine ultrahelle Einzelphotonenquelle durch optische Anregung einer deterministisch integrierten Einzelquantenpunkt Mikrolinse mittels eines modengekoppelten SDL realisiert. Das kompakte und stabile Lasersystem erlaubt die überwindung der limitierten Repetitionsraten von kommerziellen, modengekopellten Ti:Sapphir Lasern und die Anregung der Einzelquantenpunkt Mikrolinse mit einer Pulswiederholrate nahe 500 MHz und einer Pulsdauer von 4,2 ps mit einer Wellenlänge von 508 nm, die durch Frequenzverdopplung in einem externen nichtlinearen Kristall erreicht wurde.