High-Power Operation of Semiconductor Disk Lasers

Die Entwicklung von Halbleiterscheibenlasern (im Englischen SDL), welche auch als vertikalemittierende Scheibenlaser mit externer Kavität (engl. VECSEL) bekannt sind, ermöglichte den Aufstieg von Halbleiterlasern in eine zuvor nicht erreichbare Leistungsklasse bei gleichzeitig hoher beugungsbegrenzter Strahlqualität. Durch den steten Fortschritt im Bereich der SDLs können diese gegenüber herkömmlichen Halbleiterlasern wesentliche Vorteile aufweisen. Darunter fällt die Erzeugung starker Ausgangsleistung bei Erhalt der TEM00 Abstrahlcharakteristik, was bei stark gepumpten Diodenlasern kaum vorstellbar ist. Auch der Verzicht auf einen p-n-Übergang im SDL-Chip macht sich positiv bemerkbar, indem weniger Verluste durch die Absorption freier Ladungsträger in dotierten Bereichen stattfinden. Darüber hinaus ist durch eine große Gewinnbandbreite in Halbleitersystemen eine breite Wellenlängenverstimmung (> 100 nm) möglich. Schließlich erlaubt die Konfiguration mit externer Kavität die Umsetzung diverser Betriebsarten, unter anderem eine intrakavitäre Frequenzkonversion, einen wellenlängenverstimmbaren Einzelfrequenzbetrieb und Modenkopplung. Diese Vielseitigkeit ist insbesondere für Anwendungen vorteilhaft. Bisher wurden vor allem Quantenfilm (engl. QW) basierte SDLs aufgrund ihrer hohen Ausbeute entwickelt. Jedoch werden Quantenpunkt (engl. QD) basierte SDLs zunehmend beliebter, da sie eine Anzahl an Vorteilen bieten, die mit QW Strukturen schwer erzielbar ist, wie eine reduzierte Laserschwelle, eine niedrige thermische Empfindlichkeit, und eine höhere differenzielle Verstärkung. Darüber hinaus eignen sich InGaAs-basierte QD SDLs auch in Hinblick auf eine große Abdeckung verschiedener Wellenlängenbereiche im Bereich 1-1,3 µm, auf eine hohe Wellenlängenverstimmbarkeit und sehr schnelle Ladungsträgerdynamiken, welche potenziell eine Verbesserung des Modenkopplungsbetriebs ermöglicht. Die in dieser Thesis vorgestellten Forschungsarbeiten behandelten primär die Entwicklung und Demonstration von leistungsstarken SDLs basierend auf QD-Strukturen. Die QDs im Halbleiterchip wurden mittels Molekularstrahlepitaxie des InGaAs/GaAs Materialsystems im Stranski-Krastanov Modus gewachsen und wurden von unseren Kooperationspartnern zur Untersuchung der Leistungsoptimierung zur Verfügung gestellt. Der Einsatz eines InGaAs QD Verstärkungsmedium ermöglichte dabei die Entwicklung von SDLs im infraroten Spektralbereich zwischen 1 bis 1,3 µm. In dieser Arbeit wurden daher zwei SDLs mit Emissionswellenlängen von 1040 und 1080~nm untersucht. Für die Leistungsoptimierung wurden die Experimente mit einer linearen Kavitätskonfiguration durchgeführt. Die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente wurden durchgeführt, um eine maximale Dauerstrich-Ausgangsleistung aus einem einzelnen, jeweils vorhandenen QD-Chip zu erzielen. Hierzu wurden systematisch Kavitätsparameter wie die Kavitätslänge, die Anregungsfleckgröße und die Transmittivität des Auskoppelspiegels variiert, um die beste mögliche Leistung des untersuchten Systems zu erzielen. In Folge der Optimierung der Betriebsbedingungen wurden schließlich rekordhohe Dauerstrich-Ausgangsleistungen von bis zu 8,4 bzw. 7,2 W bei Temperaturen um 2 °C für die SDLs bei 1040 bzw. 1180 nm demonstriert. Darüber hinaus zeigten die SDLs unter Einsatz eines in die Kavität eingefügten doppelbrechenden Filters eine Verstimmbarkeit der Laseremission über einen relativ großen Bereich von 45 bzw. 37 nm für die SDLs bei 1040 und 1180 nm. Obwohl die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse bereits einen Beitrag zur Entwicklung von QD SDLn geleistet haben mögen, sei angemerkt, dass weitere Bemühungen nötig sind, um die Vorteile von QD SDLs weitläufig zu erforschen. Diese werden zum Beispiel weitere Untersuchungen hinsichtlich thermische Sensibilität und Betriebsstabilität der QD basierten Laser beinhalten. Folglich werden daraus neue Erkenntnisse über bessere Chipdesigns für einen leistungsstärkeren Betrieb erzielt. Abschließend wurde in dieser Arbeit die Rolle von optischen Streuverlusten in SDLn bei ihrer Leistungsfähigkeit anhand Untersuchungen des thermischen Widerstands eines SDL Chips mit niedriger Oberflächenqualität hervorgehoben. Hierzu wurde aus der experimentellen Eingangs-Ausgangs-Leistungscharakteristik des SDLs basierend auf dem thermischen Überrolleffekt für verschiedene Auskoppeltransmittivitäten im Vergleich mit einem erweiterten Modell für den thermischen Widerstand ein Verlustanteil im Resonatorsystem aufgrund von optischen Oberflächenstreuverlusten bestimmt. Das Modell vernachlässigt dabei nicht den Anteil von nicht wärmebezogener Verluste im SDL. Dadurch ermöglicht diese Studie ein besseres Verständnis der Leistungsbegrenzungen von SDLn, die für den Betrieb bei hoher Ausgangsleistung bestimmt sind. Zusammenfassend lässt sich somit sagen, dass für eine hohe Emissionsleistung des Lasers nicht nur ein Chip mit optimierter Halbleiterstruktur, sondern auch mit möglichst guter Strukturoberfläche und -Beschaffenheit erforderlich ist, da optische Verluste durch Streuung im System nicht vernachlässigbar sind.