WO2004021525A2 - Halbleiterlaservorrichtung mit externem resonator und konkavem spiegel - Google Patents

Halbleiterlaservorrichtung mit externem resonator und konkavem spiegel Download PDF

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WO2004021525A2
WO2004021525A2 PCT/EP2003/008526 EP0308526W WO2004021525A2 WO 2004021525 A2 WO2004021525 A2 WO 2004021525A2 EP 0308526 W EP0308526 W EP 0308526W WO 2004021525 A2 WO2004021525 A2 WO 2004021525A2
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laser device
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laser element
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Aleksei Mikhailov
Wieland Hill
Paul Alexander Harten
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Hentze-Lissotschenko Patentverwaltungs Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser device comprising a semiconductor laser element or a plurality of individual lasers mounted in parallel with a plurality of exit surfaces from which laser light can emerge, which has a greater divergence in a first direction than in a second direction perpendicular thereto, and at least one spaced apart to the exit surfaces outside the semiconductor laser element or the individual laser, reflection means arranged with at least one reflective surface which can reflect back at least parts of the light emerging from the semiconductor laser element or the individual lasers through the exit surfaces into the semiconductor laser element or the individual lasers such that the mode spectrum of the semiconductor laser element or the individual laser is affected.
  • a semiconductor laser device of the aforementioned type is known from I. Nelson, B. Chann, TG Walker, Opt. Lett. 25, 1352 (2000).
  • an external resonator is used, which uses a grating as the reflection means.
  • a fast-axis collimation lens is located in the external resonator directly after the semiconductor laser element.
  • Two lenses serving as a telescope are arranged between the fast-axis collimation lens and the grating.
  • the semiconductor laser device known from the prior art can only influence the longitudinal modes of the semiconductor laser element or the individual emitters of the semiconductor laser element. Due to the structure known from the prior art, the transverse mode spectrum of the semiconductor laser device cannot be influence. For this reason, this semiconductor laser device known from the prior art will have a multitude of different transverse modes per emitter, all of which contribute to the laser light emitted by the semiconductor laser device. Due to this fact, the laser light emerging from the semiconductor laser device according to this prior art is difficult to focus.
  • the problem underlying the present invention is to create a semiconductor laser device of the type mentioned at the outset, which has a high output power with improved beam quality.
  • the at least one reflecting surface of the reflection means is concavely curved.
  • the additional lenses inside the external resonator can be dispensed with because the concavely curved reflecting surface can simultaneously serve as an imaging element.
  • the concave curvature of the reflecting surface makes it possible, in particular, to dispense with the comparatively complex structuring of the semiconductor laser element.
  • the at least one reflecting surface can reflect the corresponding partial beams of the laser light back onto the respective exit surfaces in such a way that they serve as an aperture. This measure can be used to influence the mode spectrum of the semiconductor laser element with the simplest of means.
  • the semiconductor laser device can comprise a lens means arranged between the reflection means and the semiconductor laser element or the individual emitters, which can at least partially reduce the divergence of the laser light at least in the first direction.
  • This lens means thus serves as a fast-axis collimation lens.
  • the reflection means has a reflecting surface on which partial beams originating from different exit surfaces can be reflected.
  • the reflection means can have a multiplicity of reflecting surfaces, which can each reflect partial beams emerging from the individual exit surfaces.
  • the semiconductor laser device comprises one Beam transformation unit, which is designed in particular as a beam rotating unit and can preferably rotate individual beams, in particular by approximately 90 °. With such a beam transformation unit, this can be done from the
  • Semiconductor laser device emerging laser light are transformed such that it is then easier to focus.
  • the beam transformation unit is arranged between the reflection means and the semiconductor laser element or the individual lasers, in particular between the reflection means and the lens means.
  • Such an arrangement of the beam transformation unit within the external resonator allows more space for the coupling to be created.
  • the semiconductor laser device can further comprise a frequency-doubling element which is arranged between the reflection means and the semiconductor laser element or the individual lasers, in particular between the reflection means and the lens means.
  • the second harmonic could be at least partially derived from the
  • the semiconductor laser element is supplied with voltage or supplied with current for generating electron-hole pairs only in partial regions which correspond to the spatial extent of a desired mode of the laser light.
  • This comparatively simple measure can further optimize the preference for desired modes of the laser light.
  • Fig. 1 is a schematic plan view of a first
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of a second embodiment of a semiconductor laser device according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of a third embodiment of a semiconductor laser device according to the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic top view of a fourth embodiment of a semiconductor laser device according to the invention.
  • the exemplary embodiment of a semiconductor laser device according to the invention shown in FIG. 1 comprises a semiconductor laser element 1 with a plurality of exit surfaces 2, 3, 4, 5, from which laser light can emerge.
  • the semiconductor laser element 1 is designed as a broad stripe emitter array or as a so-called laser diode bar.
  • only four exit surfaces 2, 3, 4, 5 that serve to separate the light emissions are shown.
  • the laser light emerging from each of the exit surfaces 2, 3, 4, 5 is divided into two partial beams 2a, 2b; 3a, 3b; 4a, 4b; 5a, 5b split, each enclosing an oppositely equal angle with the normal on the exit surfaces 2, 3, 4, 5.
  • the two partial beams 2a, 2b; 3a, 3b; 4a, 4b; 5a, 5b each represent a picked-out laser mode of the emitting partial area of the semiconductor laser element 1 belonging to the corresponding exit surface 2, 3, 4, 5.
  • a semiconductor laser device further comprises, outside the semiconductor laser element 1, a lens means 6 which is designed as a fast-axis collimation lens.
  • the fast axis corresponds to the Y direction in the Cartesian coordinate system shown.
  • the fast axis in such broad-band emitters is the direction perpendicular to the direction in which the individual emitters are arranged next to one another.
  • the divergence of such a semiconductor laser element 1 in the fast axis is substantially greater than in the slow axis perpendicular thereto, which corresponds to the X direction in FIG. 1.
  • a reflecting means 7 with a reflecting surface 8 facing the semiconductor laser element 1 is arranged behind the lens means 6 at a suitable distance from the semiconductor laser element 1.
  • the partial beams 2a, 3a, 4a, 5a are reflected back from the reflecting surface 8 in the direction of the exit surfaces 2, 3, 4, 5.
  • the exit surfaces 2, 3, 4, 5 are optionally provided with an anti-reflective coating, so that the partial beams 2a, 3a, 4a, 5a reflected back can at least partially penetrate into the semiconductor laser element 1 such that the mode spectrum of the semiconductor laser element 1 thereby being affected .
  • focal length and distance of the reflection means 7 with respect to the exit surfaces 2, 3, 4, 5, the propagation of certain modes in the semiconductor laser element 1 can be preferred.
  • not all laser emitters which are assigned to the individual exit surfaces 2, 3, 4, 5 generally oscillate in the same mode because the angles at which the partial beams 2a, 3a, 4a, 5a from the exit surfaces
  • the beam waist on the exit surfaces 2, 3, 4, 5 can correspond approximately to their respective width.
  • the coupling out of the semiconductor laser device according to FIG. 1 can take place via the partial beams 2b, 3b, 4b, 5b.
  • a further partially reflecting reflection means could be inserted below the reflection means 7 in FIG. 1, which serves as a decoupler.
  • a beam transformation unit could also be introduced into the beam path of the partial beams 2b, 3b, 4b, 5b, which facilitates the further processing of the coupled partial beams.
  • Fig. 2 shown embodiment of a semiconductor laser device according to the invention, the same parts are provided with the same reference numerals.
  • partial beams 2c, 3c, 4c, 5c are drawn, which correspond to a transverse mode of the individual emitters of the semiconductor laser element 1, which in the substantially parallel to the normal on the exit surfaces 2, 3, 4, 5, d. H. approximately in the Z direction according to the Cartesian coordinate system from which semiconductor laser element 1 emerges.
  • the reflection means 9 provided in FIG. 2 not only has a reflecting surface, but a plurality of reflecting surfaces 10, 11, 12, 13.
  • each of the partial beams 2c, 3c, 4c, 5c is assigned one of the reflecting surfaces 10, 11, 12, 13, so that in this embodiment each of the emitters of the semiconductor laser element 1 corresponding to the exit surfaces 2, 3, 4, 5 is in the same transversal or longitudinal mode can be operated.
  • a wave-selective element 14 is drawn in dashed lines in FIG. 2, which can be embodied, for example, as an etalon.
  • the optional wave-selective element 14 makes it possible to select certain longitudinal modes, in particular a longitudinal mode, so that the emitted laser light has a small spectral width.
  • the coupling out of the semiconductor laser device can either be achieved in that the reflection means 9 is partially reflective, so that laser light can emerge from the reflection means 9 in the positive Z direction.
  • the side of the semiconductor laser element which faces away from the external resonator formed by the reflection means 9 can be partially anti-reflective or not highly reflective, so that laser light can emerge in the negative Z direction on the left side in FIG. 2 of the semiconductor laser element ,
  • Reflection means 9 is arranged the same reflection means, which can reflect the laser light emerging from the semiconductor laser element 1 in the negative Z direction back into the semiconductor laser element 1.
  • the external resonator is formed by the two reflection means 9, the reflecting surfaces of which face one another.
  • One of the reflection means 9 can be partially reflective, so that the laser light can partially pass through this reflection means for decoupling.
  • a beam transformation unit 15 is also shown in dashed lines on the right side of the reflection means, which can transform the beam from the reflection means 9 when light emerges in the positive Z direction.
  • the beam transformation unit can be a beam rotating unit, for example, which can rotate each of the partial beams 2c, 3c, 4c, 5c individually by, for example, 90 °.
  • Such a beam transformation improves the focusability of the emerging laser light. According to the invention, there is definitely the possibility of using such a beam transformation unit also in the embodiment according to FIG. 1.
  • the semiconductor laser device according to FIG. 3 differs from that in FIG. 2 essentially in that modes are preferred which, according to FIG. 1, emerge from the exit surfaces 2, 3, 4, 5 at an angle to the normal.
  • the reflection means 16 provided in the semiconductor laser device according to FIG. 3 in turn has a multiplicity of reflecting surfaces 17, 18, 19, 20.
  • the reflection means 16 drawn in a solid line it is oriented essentially parallel to the X direction, so that the paths of the individual partial beams 2a, 3a, 4a, 5a between the exit surfaces 2, 3, 4, 5 and the reflecting surfaces 17, 18, 19, 20 are the same.
  • a reflection means 16 'can also be provided, which is shown in dash-dot lines in FIG.
  • the reflection means 16' which is essentially perpendicular to the direction of propagation of the partial beams 2a, 3a, 4a, 5a is aligned, the optical paths of the partial beams 2a, 3a, 4a, 5a are different between the exit surfaces 2, 3, 4, 5 and the reflection means 16 '.
  • the individual reflecting surfaces 17, 18, 19, 20 are inclined with respect to the Z axis. This does not apply to the reflection means 16 '. However, it may be necessary to design the radii of curvature of the reflecting surfaces differently.
  • FIG. 3 also shows a beam transformation unit 15, which is arranged in the beams 2b, 3b, 4b, 5b to be coupled out.
  • the laser light passing through this beam transformation unit 15 can be focused, for example, by further focusing means on the end of an optical fiber.
  • a beam transformation unit in the external resonator ie between the respective reflection means 7, 9, 16, 16 'and the Semiconductor laser element 1, in particular to be arranged between the lens means 6 and the reflection means 7, 9, 16, 16 '.
  • Such an arrangement may have the advantage that it creates more space for the coupling.
  • a beam transformation unit for example designed as a beam rotating unit, rotates the emission of the individual emitters by 90 °. After such a rotation, the partial beams 2a, 3a, 4a, 5a run upwards at the same angles to the X-Z plane and the partial beams 2b, 3b, 4b, 5b downwards at the same angles.
  • a single cylinder mirror is then suitable for slow-axis collimation. If spherical mirrors are to be used, a mirror array is also required for slow-axis collimation.
  • a stack of emitter arrays is used, a one-dimensional array of cylindrical mirrors could be used for the slow-axis collimation in a setup with a beam rotating unit.
  • a frequency-doubling element for example a frequency-doubling crystal
  • this element could be accommodated between the lens means 6 and the reflection means 9 in FIG. 2.
  • the reflecting surfaces 10, 1 1, 12, 1 3 can be highly reflective for the fundamental wavelength and transmissive for the wavelength of the second harmonic.
  • the lens means 6 could be designed in such a way that the fundamental wavelength is passed through unhindered and the second harmonic is reflected, so that the second harmonic is not fed back into the semiconductor laser element 1.
  • a two-dimensional array of spherical or cylindrical mirrors or a one-dimensional array of cylindrical mirrors can be used.
  • the distance and the focal length can be determined in accordance with the statements relating to FIG. 1.
  • FIG. 4 shows a semiconductor laser element 21 which is designed as a laser diode bar.
  • the semiconductor laser element 21 has a multiplicity of exit surfaces 22, 23, 24 from which laser light 25, 26, 27 can emerge.
  • a reflection means 28 is provided which has a multiplicity of reflecting surfaces 29, 30, 31 arranged next to one another, which is designed, for example, like the reflecting surface 10, 11, 12, 13 according to FIG are .
  • the reflecting surfaces 29, 30, 31 also reflect the corresponding portion of the laser light 25, 26, 27 through the associated exit surfaces 22, 23, 24 into the semiconductor laser element 21.
  • exit surfaces such as the middle exit surface 23 in FIG. 4
  • individual exit surfaces are provided with a highly reflective coating 33, so that no light can emerge from the semiconductor laser element from this exit surface 23. In this case, the light is reflected at this exit surface and, after further reflection at the opposite end surface 32, exits the semiconductor laser element 21 through one of the adjacent exit surfaces 22, 24.

Abstract

Halbleiterlaservorrichtung umfassende in Halbleiterlaserelement (1, 21) oder eine Mehrzahl von parallel montierten Einzellasern mit einer Mehrzahl von Austrittsflächen (2, 3, 4, 5, 22, 23, 24), aus denen Laserlicht austreten kann, das in einer ersten Richtung (Y) eine grössere Divergenz aufweist, als in einer dazu senkrechten zweiten Richtung, sowie mindestens ein beabstandet zu den Austrittsflächen (2, 3, 4, 5, 22, 23, 24) ausserhalb des Halbleiterlaserelements (1) oder der Einzellaser angeordnetes Reflexionsmittel (7, 9, 16, 16', 28) mit mindestens einer reflektierenden Fläche (8, 10, 11, 12, 13, 17, 18, 19, 20, 29, 30, 31), die zumindest Teile des aus dem Halbleiterlaserelements (1, 21) oder den Einzellasern durch die Austrittsflächen (2, 3, 4, 5, 22, 23, 24) ausgetretenen Laserlichts derart in das Halbleiterlaserelement (1, 21) oder die Einzellaser zurückreflektieren kann, dass dadurch das Modenspektrum des Halbleiterlaserelements (1, 21) oder der Einzellaser beeinflusst wird, wobeidie mindestens eine reflektierende Fläche (8, 10, 11, 12, 13, 17, 18, 19, 20, 29, 30, 31) des Reflexionsmittels (7, 9, 16, 16', 28) konkav gekrümmt ist.

Description

"Halbleiterlaservorrichtung"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterlaservorrichtung umfassend ein Halbleiterlaserelement oder eine Mehrzahl von parallel montierten Einzellasern mit einer Mehrzahl von Austrittsflächen, aus denen Laserlicht austreten kann, das in einer ersten Richtung eine größere Divergenz aufweist, als in einer dazu senkrechten zweiten Richtung, sowie mindestens ein beabstandet zu den Austrittsflächen außerhalb des Halbleiterlaserelements oder der Einzellaser angeordnetes Reflexionsmittel mit mindestens einer reflektierenden Fläche, die zumindest Teile des aus dem Halbleiterlaserelements oder den Einzellasern durch d ie Austrittsflächen ausgetretenen Lichts derart in das Halbleiterlaserelement oder die Einzellaser zurückreflektieren kann, dass dadurch das Modenspektrum des Halbleiterlaserelements oder der Einzellaser beeinflusst wird .
Eine Halbleiterlaservorrichtung der vorgenannten Art ist aus I . Nelson, B . Chann, T.G. Walker, Opt. Lett. 25, 1352 (2000) bekannt. Bei der darin beschriebenen Halbleiterlaservorrichtung wird ein externer Resonator verwendet, der als Reflexionsmittel ein Gitter einsetzt. Weiterhin befindet sich in dem externen Resonator direkt anschließend an das Halbleiterlaserelement eine Fast-Axis- Kollimationslinse. Zwischen der Fast-Axis-Kollimationslinse und dem Gitter sind zwei als Teleskop dienende Linsen angeordnet. Als nachteilig bei einer derartigen Halbleiterlaservorrichtung erweist sich, dass zum einen aufgrund der vielen optischen Komponenten innerhalb des externen Resonators vergleichsweise hohe Verluste auftreten, so dass die Ausgangsleistung der Halbleiterlaservorrichtung vergleichsweise gering ist. Zum anderen kann mit der aus dem Stand der Technik bekannten Halbleiterlaservorrichtung lediglich auf die longitudinalen Moden des Halbleiterlaserelements bzw. der einzelnen Emitter des Halbleiterlaserelements Einfluss genommen werden. Durch den aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau lässt sich das transversale Modenspektrum der Halbleiterlaservorrichtung nicht beeinflussen. Aus diesem Grund wird diese aus dem Stand der Technik bekannte Halbleiterlaservorrichtung pro Emitter eine Vielzahl von unterschiedlichen transversalen Moden aufweisen, die sämtlich zu dem von der Halbleiterlaservorrichtung ausgesandten Laserlicht beitragen. Aufgrund dieser Tatsache lässt sich das aus der Halbleiterlaservorrichtung gemäß diesem Stand der Technik austretende Laserlicht nur schwer fokussieren.
Gemäß dem Stand der Technik wird weiterhin versucht, das Modenspektrum von Halbleiterlaserelementen durch Strukturierung der aktiven Zone des Halbleiterlaserelements zu beeinflussen. Diese Strukturierungen können beispielsweise Veränderungen des Brechungsindex in verschiedenen Richtungen umfassen, so dass durch diese sich in verschiedenen Richtungen ändernden Brechungsindizes die Ausbreitung einzelner bevorzugter transversaler Lasermoden bevorzugt wird. Weiterhin besteht die Möglichkeit, beispielsweise durch unterschiedliche Dotierungsgrade auf die Anzahl der zur Rekombination zur Verfügung stehenden Elektronen-Loch- Paare einzuwirken, so dass an unterschiedlichen Stellen der aktiven Zone unterschied liche Verstärkungen des Laserlichtes möglich sind . Beide vorgenannten Methoden zur Bevorzugung einzelner transversaler Moden sind mit beträchtlichem Fertigungsaufwand verbunden und ergeben ebenfalls keine wirklich befriedigende Strahlqualität bzw. Ausgangsleistung der Halbleiterlaservorrichtung.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Halbleiterlaservorrichtung der eingangs genannten Art, d ie eine hohe Ausgangsleistung bei verbesserter Strahlqualität aufweist.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die mindestens eine reflektierende Fläche des Reflexionsmittels konkav gekrümmt ist. Auf diese Weise kann gegenüber dem vorbeschriebenen Stand der Technik auf die zusätzlichen Linsen innerhalb des externen Resonators verzichtet werden, weil die konkav gekrümmte reflektierende Fläche gleichzeitig als abbildendes Element dienen kann. Durch die konkave Krümmung der reflektierenden Fläche kann insbesondere auf die vergleichsweise aufwendige Strukturierung des Halbleiterlaserelementes verzichtet werden.
Weiterhin kann die mindestens eine reflektierende Fläche die entsprechenden Teilstrahlen des Laserlichtes auf die jeweiligen Austrittsflächen derart zurückreflektieren, dass diese als Apertur dienen. Durch diese Maßnahme kann mit einfachsten Mitteln Einfluss auf das Modenspektrum das Halbleiterlaserelements genommen werden.
Wie bei dem Stand der Technik kann die Halbleiterlaservorrichtung ein zwischen dem Reflexionsmittel und dem Halbleiterlaserelement oder den Einzelemittern angeordnetes Linsenmittel umfassen, das zumindestens in der ersten Richtung die Divergenz des Laserlichts zumindest teilweise verkleinern kann. Dieses Linsenmittel dient somit als Fast-Axis-Kollimationslinse.
Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, dass das Reflexionsmittel eine reflektierende Fläche aufweist, an der von unterschiedlichen Austrittsflächen ausgehende Teilstrahlen reflektiert werden können. Alternativ dazu kann das Reflexionsmittel eine Vielzahl von reflektierenden Flächen aufweisen, die jeweils aus den einzelnen Austrittsflächen austretende Teilstrahlen reflektieren können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Halbleiterlaservorrichtung eine Strahltransformationseinheit, die insbesondere als Strahldreheinheit ausgeführt ist und vorzugsweise jeweils einzelne der Teilstrahlen drehen kann, insbesondere um etwa 90°. Mit einer derartigen Strahltransformationseinheit kann das aus der
Halbleiterlaservorrichtung austretende Laserlicht derart transformiert werden, dass es anschließend leichter fokussierbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Strahltransformationseinheit zwischen dem Reflexionsmittel und dem Halbleiterlaserelement oder den Einzellasern angeordnet, insbesondere zwischen dem Reflexionsmittel und dem Linsenmittel. Durch eine derartige Anordnung der Strahltransformationseinheit innerhalb des externen Resonators kann mehr Raum für die Auskopplung geschaffen werden.
Die Halbleiterlaservorrichtung kann weiterhin ein frequenzverdoppelndes Element umfassen, das zwischen dem Reflexionsmittel und dem Halbleiterlaserelement oder den Einzellasern angeordnet ist, insbesondere zwischen dem Reflexionsmittel und dem Linsenmittel . Dabei könnte insbesondere die zweite Harmonische zumindest teilweise aus der
Halbleiterlaservorrichtung ausgekoppelt und die Grundwellenlänge zur Beeinflussung des Modenspektrums zumindest teilweise in das Halbleiterlaserelement oder die Einzellaser zurückreflektiert werden.
Erfindungsgemäß besteht weiterhin die Möglichkeit, dass das Halbleiterlaserelement nur in Teilbereichen, die der räumlichen Ausdehnung einer gewünschten Mode des Laserlichts entsprechen, mit Spannung beaufschlagt bzw. mit Strom zur Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren versorgt wird . Durch diese vergleichsweise einfach durchführbare Maßnahme kann die Bevorzugung gewünschter Moden des Laserlichts weiter optimiert werden. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine erste
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung;
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung;
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung.
Das in Fig. 1 abgebildete Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung umfasst ein Halbleiterlaserelement 1 mit einer Mehrzahl von Austrittsflächen 2, 3, 4, 5, aus denen Laserlicht austreten kann. Das Halbleiterlaserelement 1 ist als Breitstreifenemitter-Array bzw. als sogenannter Laserdiodenbarren ausgeführt. In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel sind nur vier der Lichtemissionen d ienende voneinander separierte Austrittsflächen 2, 3, 4, 5 eingezeichnet. Es besteht jedoch durchaus die Möglichkeit, dass eine wesentliche größere Zahl von parallel und beabstandet zueinander angeordneten Austrittsflächen vorgesehen ist. Das aus jeder der Austrittsflächen 2, 3, 4, 5 austretende Laserlicht ist jeweils in zwei Teilstrahlen 2a, 2b; 3a, 3b; 4a, 4b; 5a, 5b aufgespalten, die jeweils mit der Normalen auf den Austrittsflächen 2, 3, 4, 5 einen entgegengesetzt gleichen Winkel einschließen. Die beiden jeweils zusammengehörigen Teilstrahlen 2a, 2b; 3a, 3b; 4a, 4b; 5a, 5b repräsentieren jeweils eine herausgegriffene Laser-Mode des zu der entsprechenden Austrittsfläche 2, 3, 4, 5 gehörigen emittierenden Teilbereichs des Halbleiterlaserelements 1 .
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, umfasst eine erfindungsgemäße Halbleiterlaservorrichtung weiterhin außerhalb des Halbleiterlaserelements 1 ein Linsenmittel 6, das als Fast-Axis- Kollimationslinse ausgebildet ist. Die Fast-Axis entspricht in dem eingezeichneten kartesischen Koordinatensystem der Y-Richtung. Die Fast-Axis ist bei derartigen Breitstreifenemittern die Richtung senkrecht zu der Richtung, in denen die Einzelemitter nebeneinander angeordnet sind . Die Divergenz eines derartigen Halbleiterlaserelements 1 in der Fast-Axis ist wesentlich größer als in der dazu senkrechten Slow-Axis, die in Fig. 1 der X-Richtung entspricht.
Hinter dem Linsenmittel 6 ist in geeigneter Entfernung von dem Halbleiterlaserelement 1 ein Reflexionsmittel 7 mit einer dem Halbleiterlaserelement 1 zugewandten reflektierenden Fläche 8 angeordnet. Von der reflektierenden Fläche 8 werden die Teilstrahlen 2a, 3a, 4a, 5a in Richtung auf die Austrittsflächen 2, 3, 4, 5 zurückreflektiert. Die Austrittsflächen 2, 3, 4, 5 sind gegebenenfalls mit einer entspiegelnden Beschichtung versehen, so dass die zurückreflektierten Teilstrahlen 2a, 3a, 4a, 5a zumindest teilweise derart in das Halbleiterlaserelement 1 eindringen können, dass dadurch das Modenspektrum des Halbleiterlaserelements 1 beeinflusst wird . I nsbesondere kann je nach Ausrichtung, Brennweite und Abstand des Reflexionsmittels 7 hinsichtlich der Austrittsflächen 2, 3, 4, 5 die Ausbreitung bestimmter Moden in dem Halbleiterlaserelement 1 bevorzugt werden. Bei der in Fig. 1 abgebildeten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung werden in der Regel nicht alle Laseremitter, die den einzelnen Austrittsflächen 2, 3, 4, 5 zugeordnet sind, auf der gleichen Mode oszillieren, weil die Winkel, unter denen die eingezeichneten Teilstrahlen 2a, 3a, 4a, 5a aus den Austrittsflächen
2, 3, 4, 5 austreten, etwas unterschiedlich sind .
Der Abstand der reflektierenden Fläche 8 von den Austrittsflächen 2,
3, 4, 5 kann so gewählt werden, dass er im wesentlichen der Brennweite der reflektierenden Fläche 8 entspricht. Insbesondere kann durch entsprechende Wahl des Abstands bzw. der Brennweite die Strahltaille auf den Austrittsflächen 2, 3, 4, 5 etwa deren jeweiliger Breite entsprechen.
Die Auskopplung aus der Halbleiterlaservorrichtung gemäß Fig.1 kann über die Teilstrahlen 2b, 3b, 4b, 5b erfolgen. Beispielsweise könnte in Fig. 1 unterhalb des Reflexionsmittels 7 ein weiteres teilreflektierendes Reflexionsmittel eingefügt werden, das als Auskoppler dient. Zusätzlich oder alternativ dazu könnte auch in den Strahlengang der Teilstrahlen 2b, 3b, 4b, 5b eine Strahltransformationseinheit eingebracht werden, die d ie weitere Verarbeitung der ausgekoppelten Teilstrahlen erleichtert.
Bei der in Fig . 2 abgebildeten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. In Fig. 2 sind Teilstrahlen 2c, 3c, 4c, 5c eingezeichnet, die einer transversalen Mode der einzelnen Emitter des Halbleiterlaserelements 1 entsprechen, die im wesentlichen parallel zu der Normalen auf den Austrittsflächen 2, 3, 4, 5, d . h. etwa in Z-Richtung gemäß dem kartesischen Koord inatensystem, aus dem Halbleiterlaserelement 1 austritt. Das in Fig. 2 vorgesehene Reflexionsmittel 9 weist nicht nur eine reflektierende Fläche, sondern eine Mehrzahl von reflektierenden Flächen 10, 1 1 , 12, 13 auf. Somit ist jedem der Teilstrahlen 2c, 3c, 4c, 5c eine der reflektierenden Flächen 10, 1 1 , 12, 13 zugeordnet, so dass bei dieser Ausführungsform jeder der den Austrittsflächen 2, 3, 4, 5 entsprechenden Emitter des Halbleiterlaserelements 1 in der gleichen transversalen bzw. longitudinalen Mode betrieben werden kann.
Zur Bevorzugung einer einzelnen longitudinalen Mode ist in Fig. 2 gestrichelt ein wellenselektives Element 14 eingezeichnet, das beispielsweise als Etalon ausgeführt sein kann. Durch das optionale wellenselektives Element 14 besteht die Möglichkeit, bestimmte longitudinale Moden, insbesondere eine longitudinale Mode auszuwählen, so dass das ausgesandte Laserlicht eine geringe spektrale Breite aufweist.
Die Auskopplung aus der Halbleiterlaservorrichtung kann entweder dadurch erzielt werden, dass das Reflexionsmittel 9 teilreflektierend ausgebildet ist, so dass in positiver Z-Richtung aus dem Reflexionsmittel 9 Laserlicht austreten kann. Alternativ dazu kann die Seite des Halbleiterlaserelements, die von dem durch das Reflexionsmittel 9 gebildeten externen Resonator abgewandt ist, teilweise entspiegelt sein oder nicht hochreflektierend sein, so dass auf der linken Seite in Fig. 2 des Halbleiterlaserelements Laserlicht in die negative Z-Richtung austreten kann.
Gemäß einer weiteren Alternative besteht die Möglichkeit , dass in Fig. 2 links von dem Halbleiterlaserelement 1 ein weiteres, dem Reflexionsmittel 9 gleichendes Reflexionsmittel angeordnet ist, das das aus dem Halbleiterlaserelement 1 in negativer Z-Richtung austretende Laserlicht in das Halbleiterlaserelement 1 zurückreflektieren kann. Der externe Resonator wird in diesem Fall durch die beiden Reflexionsmittel 9 gebildet, deren reflektierende Flächen einander zugewandt sind. Eines der Reflexionsmittel 9 kann dabei teilreflektierend ausgebildet sein , so dass das Laserlicht durch dieses Reflexionsmittel teilweise zur Auskopplung hindurchtreten kann.
In Fig. 2 ist weiterhin auf der rechten Seite des Reflexionsmittels eine Strahltransformationseinheit 15 gestrichelt eingezeichnet, die bei Lichtaustritt in positiver Z-Richtung aus dem Reflexionsmittel 9 den Strahl transformieren kann. Es kann sich bei der Strahltransformationseinheit beispielsweise um eine Strahldreheinheit handeln, die jeden der Teilstrahlen 2c, 3c, 4c, 5c einzeln um beispielsweise 90° drehen kann. Durch eine derartige Strahltransformation wird die Fokussierbarkeit des austretenden Laserlichts verbessert. Es besteht erfindungsgemäß durchaus die Möglichkeit, eine derartige Strahltransformationseinheit auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 zu verwenden.
Die Halbleiterlaservorrichtung gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen in Fig. 2 im wesentlichen dadurch, dass Moden bevorzugt werden, die entsprechend Fig. 1 unter einem Winkel zur Normalen aus den Austrittsflächen 2, 3, 4, 5 austreten. Das bei der Halbleiterlaservorrichtung gemäß Fig. 3 vorgesehene Reflexionsmittel 16 weist wiederum eine Vielzahl von reflektierenden Flächen 17, 18, 19, 20 auf. Bei der durchgezogen eingezeichneten Ausführungsform des Reflexionsmittels 16 ist dieses im wesentlichen parallel zur X- Richtung orientiert, so dass die Wege der einzelnen Teilstrahlen 2a, 3a, 4a, 5a zwischen den Austrittsflächen 2, 3, 4, 5 und den reflektierenden Flächen 17, 18, 19, 20 gleich sind. Alternativ dazu kann auch ein Reflexionsmittel 16' vorgesehen sein, das in Fig. 3 strichpunktiert eingezeichnet ist und an der gleichen Stelle in die Halbleiterlaservorrichtung eingebaut sein kann, wie das Reflexionsmittel 16. Für ein derartiges Reflexionsmittel 1 6', das im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Teilstrahlen 2a, 3a, 4a, 5a ausgerichtet ist, sind die optischen Wege der Teilstrahlen 2a, 3a, 4a, 5a zwischen den Austrittsflächen 2, 3, 4, 5 und dem Reflexionsmittel 16' verschieden.
Bei dem Reflexionsmittel 16 sind d ie einzelnen reflektierenden Flächen 17, 18, 19, 20 gegenüber der Z-Achse geneigt. Dies entfällt bei dem Reflexionsmittel 16'. Allerdings kann es bei diesem erforderlich sein, die Krümmungsradien der reflektierenden Flächen jeweils unterschiedlich zu gestalten.
In Fig. 3 ist ebenfalls eine Strahltransformationseinheit 1 5 eingezeichnet, die in den auszukoppelnden Strahlen 2b, 3b, 4b, 5b angeordnet ist. Das durch diese Strahltransformationseinheit 1 5 hindurchtretende Laserlicht kann beispielsweise durch weitere Fokussiermittel auf das Ende einer Glasfaser fokussiert werden.
Es besteht erfindungsgemäß d ie Möglichkeit, auch bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und Fig. 3 ein wellenlängenselektives Element vorzusehen. Dies könnte bei den unterschiedlich geneigten Teilstrahlen gemäß Fig. 1 ein gekrümmtes Etalon erforderlich machen, um jeweils die gleiche Wellenlänge zu selektieren.
Erfindungsgemäß besteht weiterhin die Möglichkeit, eine Strahltransformationseinheit in dem externen Resonator, d. h. zwischen dem jeweiligen Reflexionsmittel 7, 9, 16, 16' und dem Halbleiterlaserelement 1 , insbesondere zwischen dem Linsenmittel 6 und dem Reflexionsmittel 7, 9, 16, 16' anzuordnen. Eine derartige Anordnung kann unter Umständen den Vorteil mit sich bringen, dass dadurch mehr Raum für die Auskopplung geschaffen wird .
Eine beispielsweise als Strahldreheinheit ausgeführte Strahltransformationseinheit dreht die Emission der einzelnen Emitter um 90° . Nach einer derartigen Drehung laufen die Teilstrahlen 2a, 3a, 4a, 5a unter gleichen Winkeln zur X-Z-Ebene nach oben und die Teilstrahlen 2b, 3b, 4b, 5b unter entgegengesetzt gleichen Winkeln nach unten . Zur Slow-Axis-Kollimation ist dann ein einzelner Zylinderspiegel geeignet. Wenn sphärische Spiegel eingesetzt werden sollen, braucht man für die Slow-Axis-Kollimation in diesem Fall weiter ein Spiegelarray.
Falls ein Stack von Emitterarrays benutzt wird , könnte man bei einem Aufbau mit einer Strahldreheinheit ein eindimensionales Array aus Zylinderspiegeln für die Slow-Axis-Kollimation benutzen.
Erfindungsgemäß besteht weiterhin die Möglichkeit, ein frequenzverdoppelndes Element, beispielsweise einen frequenzverdoppelnden Kristall in dem externen Resonator unterzubringen. Beispielsweise könnte dieses Element zwischen dem Linsenmittel 6 und dem Reflexionsmittel 9 in Fig. 2 untergebracht werden. I n diesem Fall können die reflektierenden Flächen 10, 1 1 , 12, 1 3 hoch reflektierend für die Grundwellenlänge und durchlässig für die Wellenlänge der zweiten Harmonischen sein. Unter Umständen könnte dabei das Linsenmittel 6 derart gestaltet werden, dass die Grundwellenlänge ungehindert durchgelassen wird und die zweite Harmonische reflektiert wird , so dass die zweite Harmonische nicht in das Halbleiterlaserelement 1 zurückgekoppelt wird. Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, als Halbleiterlaserelement 1 ein Stack von Emitterarrays zu verwenden. In diesem Fall kann beispielsweise ein zweidimensionales Array von sphärischen oder zylindrischen Spiegeln oder ein eindimensionales Array von zylindrischen Spiegeln genutzt werden. Hierbei können der Abstand und die Brennweite entsprechend den Ausführungen zu Fig. 1 bestimmt werden.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, anstelle eines als Laserdiodenbarren ausgeführten Halbleiterlaserelements 1 eine Mehrzahl von separaten, parallel montierten Einzellasern zu verwenden . Diese könnten als Single-Mode-Laser betrieben werden und einzeln angesteuert werden. Eine derartige Mehrzahl von Einzellasern eignet sich insbesondere für Anwendungen in der Medizintechnik.
Aus Fig. 4 ist ein Halbleiterlaserelement 21 ersichtlich, dass als Laserdiodenbarren ausgeführt ist. Das Halbleiterlaserelement 21 weist eine Vielzahl von Austrittsflächen 22, 23, 24 auf, aus denen Laserlicht 25, 26, 27 austreten kann. Weiterhin ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ein Reflexionsmittel 28 vorgesehen, dass eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten reflektierenden Flächen 29, 30, 31 aufweist, d ie beispielsweise wie die reflektierenden Fläche 10, 1 1 , 12, 1 3 gemäß Fig. 2 ausgebildet sind . Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird auch von den reflektierenden Flächen 29, 30, 31 der entsprechenden Anteil des Laserlichtes 25, 26, 27 durch die zugehörigen Austrittsflächen 22, 23, 24 in das Halbleiterlaserelement 21 zurückreflektiert. Bei der in Fig. 4 abgebildeten selektierten Mode des Laserlichtes werden von jeder der reflektierenden Flächen 29, 30, 31 Teilstrahlen des jeweiligen Laserlichtes 25, 26, 27 derart in das Halbleiterlaserelement 21 zurückreflektiert, dass sie unter einem Winkel zur Normalen an der gegenüberliegenden Endfläche 32 des Halbleiterlaserelements reflektiert werden, so dass sie nach dieser Reflexion aus der benachbarten Austrittsfläche 22, 23, 24 austreten. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass sich in dem gesamten Halbleiterlaserelement 21 im wesentlichen eine einzige Mode des Laserlichtes ausbildet.
Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass einzelne Austrittsflächen, wie beispielhaft die in Fig. 4 mittlere Austrittsfläche 23 mit einer hoch reflektierenden Beschichtung 33 versehen ist, so dass aus dieser Austrittsfläche 23 kein Licht aus dem Halbleiterlaserelement austreten kann. Das Licht wird in diesem Falle an dieser Austrittsfläche reflektiert und tritt nach weiterer Reflexion an der gegenüberliegenden Endfläche 32 durch eine der benachbarten Austrittsflächen 22, 24 aus dem Halbleiterlaserelement 21 aus.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 kann vorgesehen sein, dass nur bestimmte Teilbereiche 34 des Halbleiterlaserelements 21 mit Elektroden versehen sind , so dass nur diese Teilbereiche 34 mit Spannung beaufschlagt werden und damit nur in diesen Teilbereichen 34 Strom zugeführt wird zur Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren. In Fig. 4 sind weiterhin Teilbereiche 35 eingezeichnet, die nicht mit Elektroden versehen sind und demgemäß auch nicht mit Spannung beaufschlagt werden können. Durch eine derartige Gestaltung wird die Ausbildung einer oder mehrerer bevorzugter Moden optimiert. Es besteht die Möglichkeit, zwischen Reflexionsmittel 28 und Halbleiterlaserelement 21 ein in Fig. 4 nicht eingezeichnetes Linsenmittel anzuordnen.

Claims

Patentansprüche:
1 . Halbleiterlaservorrichtung umfassend
ein Halbleiterlaserelement (1 , 21 ) oder eine Mehrzahl von parallel montierten Einzellasern mit einer Mehrzahl von Austrittsflächen (2, 3, 4, 5, 22, 23, 24), aus denen Laserlicht austreten kann, das in einer ersten Richtung (Y) eine größere Divergenz aufweist, als in einer dazu senkrechten zweiten Richtung; sowie
mindestens ein beabstandet zu den Austrittsflächen (2, 3, 4, 5, 22, 23, 24) außerhalb des Halbleiterlaserelements (1 ) oder der Einzellaser angeordnetes Reflexionsmittel (7, 9,
16, 16' , 28) mit mindestens einer reflektierenden Fläche (8, 10, 1 1 , 12, 13, 17, 18, 19, 20, 29, 30, 31 ), die zumindest Teile des aus dem Halbleiterlaserelements (1 , 21 ) oder den Einzellasern durch die Austrittsflächen (2, 3, 4, 5, 22, 23, 24) ausgetretenen Laserlichts derart in das Halbleiterlaserelement (1 , 21 ) oder die Einzellaser zurückreflektieren kann, dass dadurch das Modenspektrum des Halbleiterlaserelements (1 , 21 ) oder der Einzellaser beeinflusst wird;
dadurch gekennzeichnet, dass
die mindestens eine reflektierende Fläche (8, 10, 1 1 , 12 , 13,
17, 18, 19, 20, 29, 30, 31 ) des Reflexionsmittels (7, 9, 16, 16' , 28) konkav gekrümmt ist.
2. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine reflektierende Fläche (8, 10, 1 1 , 12, 13, 1 7, 18, 19, 20, 29, 30, 31 ) Teilstrahlen des Laserlichts derart auf die Austrittsflächen (2, 3, 4, 5, 22, 23, 24) zurückreflektieren kann, dass diese als Apertur dienen.
3. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterlaservorrichtung ein zwischen dem Reflexionsmittel (7, 9, 16, 16', 28) und dem Halbleiterlaserelement (1 , 21 ) oder den Einzellasern angeordnetes Linsenmittel (6) umfasst, das zumindestens in der ersten Richtung (Y) die Divergenz des Laserlichts zumindest teilweise verkleinern kann.
4. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionsmittel (7) eine reflektierende Fläche (8) aufweist, an der von unterschiedlichen Austrittsflächen (2, 3, 4, 5) ausgehende Teilstrahlen (2a, 3a, 4a, 5a) reflektiert werden können.
5. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionsmittel (9, 16, 16', 28) eine Vielzahl von reflektierenden Flächen (10, 1 1 , 12, 13, 17, 18, 19, 20, 29, 30, 31 ) aufweist, die jeweils aus den einzelnen Austrittsflächen (2, 3, 4, 5, 22, 23, 24) austretende Teilstrahlen (2a, 2c; 3a, 3c; 4a, 4c; 5a, 5c) reflektieren können.
6. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterlaservorrichtung eine Strahltransformationseinheit (1 5) umfasst, die insbesondere als Strahldreheinheit ausgeführt ist und vorzugsweise jeweils einzelne der Teilstrahlen (2a, 2b, 2c; 3a, 3b, 3c; 4a, 4b, 4c; 5a, 5b, 5c) drehen kann, insbesondere um etwa 90°.
7. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahltransformationseinheit (15) zwischen dem Reflexionsmittel (7, 9, 16, 16', 28) und dem Halbleiterlaserelement (1 ) oder den Einzellasern angeordnet ist, insbesondere zwischen dem Reflexionsmittel (7, 9, 16, 16') und dem Linsenmittel (6).
8. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterlaservorrichtung weiterhin ein frequenzverdoppelndes Element umfasst, das zwischen dem Reflexionsmittel (7, 9, 16, 16' , 28) und dem Halbleiterlaserelement (1 , 21 ) oder den Einzellasern angeordnet ist, insbesondere zwischen dem Reflexionsmittel (7, 9, 16, 16', 28) und dem Linsenmittel (6).
9. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterlaserelement (21 ) nur in Teilbereichen (34), d ie der räumlichen Ausdehnung einer gewünschten Mode des Laserlichts entsprechen, mit Spannung beaufschlagt bzw. mit Strom zur Erzeugung von Elektronen- Loch-Paaren versorgt wird .
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