Investigating self-mode-locking in VECSELs: Nonlinear lensing and frequency-modulated combs

Optisch gepumpte Halbleiterscheibenlaser, im Englischen als ”vertical-external-cavity surface-emitting lasers“ oder VECSELs bezeichnet, zeichnen sich durch eine hohe Ausgangsleistung, exzellente Strahlqualität sowie eine Vielzahl von verfügbaren Emissionswellenlängen aus, die durch den Einsatz der modernen Halbleiterepitaxie ermöglicht werden. Dabei können diese Laser nicht nur im Dauerstrichbetrieb betrieben werden, sondern auch ultrakurze Pulse in der Größenordnung von einigen hundert Femtosekunden erzeugen. Dies wird als Modenkopplung bezeichnet, da dabei die longitudinalen Lasermoden über ein nichtlineares optisches Bauelement miteinander koppeln und so phasenstabil zueinander sind. Normalerweise ist dieses nichtlineare optische Bauelement ein sogenannter SESAM (englische Abkürzung für ”semiconductor saturable absorber mirror“), der ähnlich wie der VECSEL Chip aus einem oder mehreren Quantentöpfen oder Lagen von Quantenpunkten und einen integrierten Bragg-Spiegel besteht, aber nicht optisch gepumpt wird. Durch die dadurch in die Laserkavität integrierte sättigbare Absorption erfahren kurze Pulse mit hohe Spitzenleistungen weniger Verlust als der Dauerstrichbetrieb was den gepulsten Betrieb begünstigt. Solche gepulsten Laser sind für eine Vielzahl von Anwendungen wie beispielsweise die Zweiphotonenmikroskopie oder die Frequenzkammspektroskopie interessant. Neben der Pulserzeugung mit SESAMs wurden in den letzten Jahren von mehreren Gruppen auch spontane Pulsemission aus VECSELn beobachtet. Dieses Phänomen wird Selbstmodenkopplung genannt. Bis heute ist jedoch umstritten, was die Ursache dahinter ist und ob es dabei wirklich zu einem stabilen modengekoppelten Zustand kommt. Eine vermutete Ursache der Selbstmodenkopplung ist, dass der intrinische nichtlineare Brechungsindex des VECSEL Chips zur Selbst(de-)fokussierung des intrakavitären Strahlprofils führt. Mit dem Einführen eines Spaltes in der Kavität oder des Verringerns der Pumpspotgröße auf dem Chip könnten so die Verluste im gepulsten Betrieb minimiert werden wie es auch bei der Kerr-Linsen Modenkopplung in Festkörperlasern der Fall ist. Im Gegensatz zu diesen hängt die nichtlineare Linse im VECSEL Chip allerdings im Allgemeinen sowohl von der optischen Anregung als auch von der Pulslänge ab. Deswegen befasst sich ein Teil dieser Arbeit mit der experimentellen Untersuchung des nichtlinearen Brechungsindex von VECSEL Chips in Abhängigkeit der Wellenlänge, der Anregungsdichte und der Pulslänge. Dabei werden die Messmethoden Z-scan und die ultraschnelle Strahlablenkung (engl.”beam deflection“) angewandt. Aus den Messungen wird ein nichtlinearer Brechungsindex in der Größenordnung von −10e−16 m^2/W für Laserpulse kurzer als eine Pikosekunde bestimmt. Für lange Pulslängen von einigen Pikosekunden und großen Anregungsdichten wird der nichtlineare Brechungsindex positiv und sein Wert nimmt stark zu (∼ +10e−15 m^2/W). Diese Messungen bestätigen einige Berichte von Selbstmodenkopplung in VECSELn bei denen aus der Kavitätsgeometrie das Vorzeichen und die Größenordnung des nichtlinearen Brechungsindex abgeschätzt werden kann. Dabei wird angenommen, dass für eine effiziente Kerr-Linsen Modenkopplung eine Veränderung der intrakavitären Strahlweite von einigen Prozent benötigt wird. Weiterhin wird in dieser Arbeit die Möglichkeit untersucht, ob VECSEL sogenannte frequenzmodulierte Kämme erzeugen können. Dabei handelt es sich um eine spezielle Art der Modenkopplung, bei der die Lasermoden zwar gekoppelt sind, aber die Phasenbeziehung zwischen benachbarten Moden nicht annähernd null ist, sondern sich zwischen 0 und 2π über das Laserspektrum verteilt. Das führt dazu, dass die emittierte Laserleistung quasi zeitlich konstant ist, aber die Frequenz periodisch mit der Zeit variiert. Diese Art von Modenkopplung wird durch resonante Vierwellenmischprozesse im Halbleiterlasermedium erzeugt und ist insbesondere bei Quantenkaskaden- und Diodenlasern ein fundamentaler Betriebszustand, der für Anwendungen wie die Zweikammspektroskopie genutzt werden kann. Mittels der neuartigen Messmethode SWIFTS (engl.”shifted-wave-interference Fourier-transform spectroscopy“) kann dabei direkt die Phasenbeziehung zwischen benachbarten Moden gemessen und ein Maß für die Phasenstabilität erhalten werden. Durch Einsatz von SWIFTS wird in dieser Arbeit gezeigt, dass auch VECSEL in einem frequenzmodulierten Kammzustand laufen können. Das ist durchaus überraschend, da Elemente wie starkes räumliches Lochbrennen und große Auskoppelverluste wie sie für kantenemittierende Dioden- und Quantenkaskadenlaser typisch sind, und als wichtig für frequenzmodulierte Kammerzeugung angesehen worden sind, hier wegfallen . Jedoch zeigt es wie universell der Zustand des frequenzmodulierten Kammes in Halbleiterlasern ist und kann als Anreiz dienen dieses Phänomen auch von der theoretischen Seite her noch besser zu verstehen.