EP0867057A2 - Durchstimmbare, justierstabile halbleiterlaserlichtquelle sowie ein verfahren zur optisch stabilen, weitgehend kontinuierlichen durchstimmung von halbleiterlasern - Google Patents

Durchstimmbare, justierstabile halbleiterlaserlichtquelle sowie ein verfahren zur optisch stabilen, weitgehend kontinuierlichen durchstimmung von halbleiterlasern

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EP0867057A2
EP0867057A2 EP96946101A EP96946101A EP0867057A2 EP 0867057 A2 EP0867057 A2 EP 0867057A2 EP 96946101 A EP96946101 A EP 96946101A EP 96946101 A EP96946101 A EP 96946101A EP 0867057 A2 EP0867057 A2 EP 0867057A2
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EP
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laser
resonator
wavelength
light source
largely
Prior art date
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Manfred Gabbert
Wolfgang Reinecke
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    • H01S5/02257—Out-coupling of light using windows, e.g. specially adapted for back-reflecting light to a detector inside the housing

Definitions

  • the invention relates to a laser light source with a broadband amplifying, narrowband tunable active medium, in particular a semiconductor laser light source, which is characterized by the possibility of tuning the laser wavelength without jumps at least in wide areas of the laser gain curve and at the same time by high optical stability, application area for such a light source including optical spectroscopy
  • Tunable light sources with a semiconductor laser as an active element are known in many variants, including those that enable continuous tuning in a more or less wide spectral range or at least allow any wavelength to be set within a given interval when accepting wavelength jumps
  • Monolithic components are characterized by their compactness and by the fact that the tuning of the emission wavelength and the appropriate path length change in the resonator can only be achieved with electronic means.
  • the range of continuous tuning is at least a factor 2 to 5 narrower than the laser gain curve
  • Hybrid arrangements essentially consist of a laser diode, which is preferably largely anti-reflective on one side, so that it no longer appears as a resonator, and an external resonator component that permits wavelength-selective tunable feedback of the emitted light to the anti-reflective laser facet Entire gain curve of the laser possible.
  • the adaptation of the resonator length can be separated from the selection of the feedback coupled spectral range without consideration of further ones Parameters take place So far, however, only relatively complicated arrangements have been known to implement this adaptation more or less automatically. The following three solutions represent the state of the art
  • Translation elements and a coupling rod are mechanically linked to the resonator length setting so that the laser wavelength can be continuously tuned over 1.2% of the middle world length.
  • the arrangement of the grating on a piezotranslator allows small deviations to be extracted
  • the jump-free wavelength tuning (displacement and rotation of the grating) are two more degrees of freedom, which, however, are not required to adjust any output parameters, must be held very sensitively in an optimal position.
  • this is the tilting of the beam path perpendicular to the dispersion direction of the grating and, on the other hand, the displacement of the laser chip along the optical axis with respect to the collimator by the necessary exact Imaging of the laser facet on itself can be achieved Since the optically effective facet of the laser chip is very small, this places high demands on the precision and stability of the mechanics. This is made more difficult by the fact that within these two 5-dimensional adjustment modules only an optimal position and only one that can be used as a benchmark
  • the mechanical structure of the first solution because of its long travel range for the resonator length, is the only one that allows the wavelength to be set continuously over a wide range. However, the mechanics naturally only permit slow tuning. The other two solutions allow continuous tuning only over narrow ranges
  • An arrangement is also known for wavelength selection in lasers with broadband stimulable medium, in particular dye lasers, which is treated in various variants in DE-AS 2051328, H 01 S 3/08 and associated additional patent DE-OS 2236505 H 01 S 3/08 the selection of the wavelength is essentially achieved in that the light is focused into a pinhole within the resonator and behind the pinhole an optical system with a high color length deviation and a small opening error is arranged such that in connection with one of the resonator mirrors for only one wavelength range narrows an image back into the pinhole without significant losses.
  • the tuning is carried out by moving the optics along their optical axis.
  • the optical axis of the selection arrangement is either shifted relative to the geometric axis of the stimulable medium or forms an angle with it.
  • the op Tics with the high color length deviation can be combined with the associated resonator end mirror as a Fresnel zone lens to form a component
  • the first solution is in / P Zorabedian and W R Trutna, Jr Interference-filter-tuned, alignment-stabilized semiconduetor extemal-cavity laser, OPTICS LETTERS / Voi 13, No 10 (1988), pp
  • a cat's eye retroreflector (collecting optics with mirror in its focal plane) is used for the adjustment-tolerant feedback of the laser radiation.
  • An interference filter is located in the parallel beam path within the resonator as a selective element. This filter is rotatably mounted to tune the laser wavelength Usable radiation comes from the facet of the laser chip facing away from the external resonator EP 0 525 752 A1, H 01 S 3/1055 contains a further possibility for the construction of an adjustable stable laser with an external resonator.
  • a cat's eye retroreflector is also used in the pnnzip, however its effect is limited to a coordinate by a suitable combination of pnsmen and a cylinder optics for beam shaping and the use of a diffraction grating as a reflector results in an image of the laser facet on the grating only perpendicular to the
  • Dispersion in the dispersion beam that strikes the grating is largely parallel and relatively wide. In this way it is achieved that the grating can be used without restriction to tune the laser wavelength, on the other hand the arrangement is largely tolerant of a grating tilt perpendicular to the dispersion direction
  • Laser sources which can be continuously tuned over a wide range, are required in optical spectroscopy, among other things. Their significance arises, among other things, from the fact that a mode spacing in conventional resonator lengths corresponds to at least about an atomic lane width and, as a result, correspondingly wide wavelength ranges are skipped in the case of discontinuous tuning
  • the object of the invention is to provide a semiconductor laser light source in which high stability is achieved by the optical concept and which also offers the possibility of
  • a hybrid arrangement consisting of the laser chip that is largely anti-reflective on one side, a largely opening-error-compensated optical system with high color length deviation for imaging the laser facet onto a reflector and the reflector itself.
  • the high color length deviation is achieved by suitable configuration and by the choice of the imaging scale optical system achieved
  • FIG. 2 shows a variant which is improved with regard to continuous tunability and
  • FIG. 3 shows an embodiment which deaves a particularly simple and fast continuous wavelength tuning
  • the optical system consists of a first partial optics O 1 1 which contains a collimator KO as an essential component and a second partial optics O 12 which produces a reduced image of the laser facet on the reflector SP and contains this Radiation emitted by the laser chip LD into the optical system is expediently carried out via a separating mirror TS at 45 ° which is provided with a conical bore around the optical axis.
  • the mode can be achieved by moving the laser light source by shifting the laser diode LD along the optical axis (arrow V 1), so that the emission wavelength of the arrangement can be adjusted.
  • the deviation in color length cannot be increased so much here That the resonator length changes to the same extent as the selected wavelength.
  • the wavelength is appropriately tuned first by moving the second partial optics O 12 relative to the first partial optics O 1 1 along the optical axis (arrow direction V 2), while at the same time with the aid of a control selected wavelength is shifted by moving the laser diode LD along the optical axis (arrow direction V 1) such that no mode jump occurs
  • FIG. 2 uses a very similar optical system to Example 1, but with the difference that the first partial optics O 21 do not image the laser facet to infinity, but rather to a finite image width and accordingly the second partial optics O 22 is designed in such a way that it generates an image of the laser facet on the reflector SP under these conditions.
  • the tuning of the laser wavelength can also be carried out solely by shifting the second partial optics O 22 relative to the first partial optics O 21 along the optical axis.
  • the location of the laser chip LD is essentially the same
  • wavelength tuning and suitable resonator change can be achieved by setting essentially only one coordinate (V 2), both of which can be matched to one another by selecting an imaging scale.
  • V 2 essentially only one coordinate
  • a third Vanante of the laser light source ( 3) also establishes the connection between wavelength selection and suitable resonator change in an optical manner.
  • the optical system of this construction essentially contains two completely opposed imaging optics AO 1, AO 2 and the reflector SP.
  • the overall system is expediently in two parts T 1 and T 2 divided, between which a largely parallel beam path P occurs. First, the laser facet is scaled down by the first
  • Imaging optics AO 1 which essentially corresponds to the optical system from Example 1, however, the radiation from the location of the image of the laser facet is not reflected here in the same optics, but instead passes through an almost identical imaging optics AO 2 in the opposite direction and only then hits the reflector SP
  • the difference between the second imaging optics AO 2 and the first 5 imaging optics AO 1 essentially only exists in that the image width of the second Imaging optics for the reflector SP is several times larger than the object distance of the first imaging optics for the laser chip LD
  • the desired high color length deviation is achieved at the location of the laser with simultaneous possible use of the opening angle of the laser radiation and thus the necessary selectivity, but at the same time it is easy to use suitable ones Choice of the imaging scale of the second imaging optics AO 2
  • the color length deviation at the location of the image of the laser facet on the reflector SP is set such that the emission wavelength of the laser light source, including the appropriate optical resonator change, can be adjusted simply by moving the reflector SP in the direction V 3.
  • the beam path P is largely parallel.
  • the length of the parallel beam path can be varied within certain limits, so that there is an adjustment possibility for the total resonator length.
  • the reflector SP is, for example, on one Micrometer SCH attached
  • the advantage of this arrangement compared to example 1 is that the color length deviations at the location of the laser chip and at the location of the reflector can be determined independently of one another and thus the continuous tunability can be achieved by adjusting only one coordinate, and moreover compared to example 2, that only the small, light reflector has to be moved as a tuning element, which simplifies handling and also gives the possibility of fast wavelength modulation, for example, by the reflector being able to be attached to a piezotranslator, since the modulation generally only over a relatively small part of the entire tuning range takes place, the accuracy of the course of the color-length deviation of the optics is sufficient for this purpose. The control therefore does not have to be able to follow the modulation frequency
  • the laser wavelength can only be achieved by changing the resonator length alone, the shift of the laser is inevitably associated with the appropriate shift of the feedback spectral range, so that the oscillating laser mode can be continuously modulated over many mode distances without any problems List of the reference symbols used

Abstract

Bisher verfügbare, kontinuierlich durchstimmbare Halbleiterlaserlichtquellen mit externem Resonatoranteil sind dadurch vergleichsweise aufwendig, daß sie neben dem einen Freiheitsgrad, der zur Wellenlängendurchstimmung und gegebenenfalls einem weiteren, der zum Vermeiden von Modensprüngen erforderlich ist, weitere Freiheitsgrade enthalten, die allein sehr empfindlich in optimaler Stellung zu halten sind. Dieser Nachteil soll durch eine neuartige Anordnung überwunden werden. Die vorzugsweise weitgehend entspiegelte Facette eines Laserchips wird mit einem optischen System auf einen Reflektor abgebildet. Dadurch tritt zum einen durch den Katzenaugeneffekt eine wesentliche Erhöhung der Justiertoleranz auf und zum anderen ist dadurch, daß das optische System mit einer hohen Farblängsabweichung versehen ist, eine Wellenlängendurchstimmung durch Verschieben von Teilen des Gesamtsystems gegenüber anderen Teilen des Gesamtsystems möglich. Auf diese Weise kann eine modensprungfrei durchstimmbare Halbleiterlaserlichtquelle mit höchstens zwei verstellbaren Freiheitsgraden aufgebaut werden. Anwendung u.a. in der optischen Spektroskopie.

Description

Durchstimmbare, justierstabile Halbleiterlaserlichtquelle sowie ein Verfahren zur optisch stabilen, weitgehend kontinuierlichen Durchstimmung von Halbleiterlasern
Beschreibung
Die Erfindung betπfft eine Laserlichtquelle mit breitbandig verstärkendem, schmalbandig durchstimm- barem aktivem Medium, insbesondere eine Halbleiterlaserlichtquelle, die sich durch die Möglichkeit der zumindest in breiten Bereichen der Lasergewinnkurve modensprungf reien Durchstimmung der Laserwellenlange sowie zugleich durch hohe optische Stabilität auszeichnet Anwendungsgebiet für eine derartige Lichtquelle ist unter anderem die optische Spektroskopie
Durchstimmbare Lichtquellen mit einem Halbleiterlaser als aktivem Element sind in vielen Vaπanten bekannt Darunter sind auch solche, die in einem mehr oder weniger breiten Spektral bereich eine kontinuierliche Durchstimmung ermöglichen bzw bei Inkaufnahme von Wellenlangensprungen zumindest das Einstellen jeder beliebigen Wellenlange innerhalb eines gegebenen Intervalls gestatten
Für die kontinuierliche Durchstimm barkeit über einen gegebenen Wellenlangenbereich isl es notwendig daß wahrend der Durchstimmung der Emissiopswellenlange des Lasers sich gleichzeitig die optische Weglange im Resonator passend mitandert, derart, daß bei Einmodenbetπeb die Nummer der schwingenden Longitudinalmode in dem genannten Bereich erhalten bleibt und Modensprunge vermieden werden Derartige Lichtquellen sind als monolithische Bauelemente und als
Hybπdanordnungen bekannt
Monolithische Bauelemente zeichnen sich durch Kompaktheit und dadurch aus daß die Abstimmung der Emissionswellenlange und die passende Weglangenanderung im Resonator allein mit elektronischen Mitteln in Übereinstimmung zu bnngen sind Der Bereich kontinuierlicher Durchstimmbarkeit ist jedoch um mindestens einen Faktor 2 bis 5 schmaler als die Lasergewinnkurve
Bisher wurde ein nutzbarer kontinuierlicher Durchstimmbereich von 9 nm bei einer Zentralwellenlange von 1555 nm (entsprechend etwa 0,6 %) erreicht / T Wolf, S lllek, J Rieger, B Borchert, M -C Amann Extended continuous tuning ränge (over 10 nm) of tunable twin-guide lasers, Technical Digest Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO '94), Anaheim, May 8-13, 1994, CWB1 /
Hybπdanordnungen bestehen im wesentlichen aus einer Laserdiode, die vorzugsweise einseitig weitestgehend entspiegelt ist, so daß diese als Resonator möglichst nicht mehr in Erscheinung tntt und einem externen Resonatoranteil, der eine wellenlangenselektive durchstimmbare Ruckkopplung des emittierten Lichtes auf die entspiegelte Laserfacette gestattet Hierbei ist ein Durchstimmen über die gesamte Gewinnkurve des Lasers möglich Pπnzipiell kann die Anpassung der Resonatorlange getrennt von der Selektion des ruckgekoppelten Spektralbereiches ohne Rucksicht auf weitere Parameter erfolgen Bisher sind jedoch nur relativ komplizierte Anordnungen bekannt diese Anpassung mehr oder weniger automatisiert zu verwirklichen Den Stand der Technik repräsentieren die folgenden drei Losungen
Die erste Losung wurde von Favre et al beschπeben / F Favre, D Le Guen J C Simon B 5 Landousies Extemal-cavity semiconduetor laser with 15 nm continuous tuning ränge, Electronic
Letters, Voi 22, No 15 17-07-86,795-796 / Das von der entspiegelten Laserfacette ausgehende Licht wird durch eine Optik kolhmiert und gelangt als paralleles Bündel unter einem bestimmten Winkel auf ein ebenes Beugungsgitter Das wieder in die Einfallsπchtung gebeugte Licht tπfft nach Durchlaufen der Optik wieder in den Laser zurück Die Besonderheit dieser Losung besteht dann daß
I O die Drehung des Gitters ( Durchstimmung des selektierten Bereiches ) mit Hilfe zweier
Translationselemente und einer Koppelstange mechanisch mit der Resonatoriangeneinstellung verknüpft ist so daß ein kontinuierliches Durchstimmen der Laserwellenlange über 1 ,2 % der mittleren Weltenlange gelang Die Anordnung des Gitters auf einem Piezotranslator erlaubt das Auskomgieren kleiner Abweichungen
15 Ein wesentlicher Nachteil dieses wie vieler anderer Aufbauten auch besteht dann, daß das Laserlich) naturgemäß als kollimiertes Strahlenbundel zuruckgekoppelt wird Dies fuhrt dazu, daß außer den beiden Freiheitsgraden die zur sprungfreien Wellenlängendurchstimmung notig sind (Verschiebung und Drehung des Gitters) noch zwei weitere Freiheitsgrade, die aber nicht zur Verstellung irgendeines Ausgangsparameters benotigt werden, sehr empfindlich in optimaler Stellung zu halten sind Zum 0 einen ist dies die Kippung des Strahlenganges senkrecht zur Dispersionsπchtung des Gitters und zum anderen die Verschiebung des Laserchips entlang der optischen Achse gegenüber dem Kollimator um die notwendige exakte Abbildung der Laserfacette auf sich selbst zu erreichen Da die optisch wirksame Facette des Laserchips sehr klein ist ergeben sich dadurch hohe Anforderungen an die Präzision und Stabilität der Mechanik Erschwerend ist dabei daß es innerhalb dieser zwei 5 dimensionalen Justiermoglichkeit nur eine optimale Stellung und nur einen als Maßstab verwendbaren
Ausgangsparameter, namlich die abgegebene Strahlungsleistung, gibt Dieser Nachteil gilt entsprechend auch für die beiden folgenden Beispiele
In / W Fuhrmann W Demtroder A Continuously Tunable GaAs Diode Laser with an Extemal Resonator, Appl Phys B 49,29-32(1989) / wird ebenfalls eine Hybndanordnung beschπeben Der 0 Zusammenhang zwischen selektiertem Spektral bereich und optischer Weglange im Resonator wird hier mit einer elektronischen Regelung hergestellt Stellglied zum Anpassen der wirksamen Resonatorlange ist eine durch einen Galvanometerantπeb drehbare Brewsterplatte Es wird ein Gesamtdurchstimmbereich von 1 ,8 % der mittleren Emissionswellenlange, davon aber nur jeweils 0 014 % kontinuierlich, erreicht Die EP 0335691 A1 H 01 S 3/08 enthalt eine Losung, bei der die Resonatorlangenanderung allein durch einen Piezotranslator erfolgt Soll über mehr als den Bruchteil eines Modenabstandes kontinuierlich durchgestimmt werden, ist hier ebenfalls eine elektronische Regelung erforderlich Wegen des begrenzten Stellweges des Piezotranslators ist der kontinuierlich durchstimmbare Bereich auch bei diesem Konzept geπng
Der mechanische Aufbau der ersten Losung erlaubt wegen seines langen Stellweges für die Resonatorlange als einziger ein kontinuierliches Stellen der Wellenlange über einen großen Bereich Die Mechanik laßt naturgemäß jedoch nur ein langsames Durchstimmen zu Die beiden anderen Losungen erlauben erne kontinuierliche Durchstimmung nur über schmale Bereiche
Zur Wellenlangenselektion in Lasern mit breitbandig stimulierbarem Medium, insbesondere Farbstofflasem ist femer eine Anordnung bekannt die in der DE-AS 2051328, H 01 S 3/08 und zugehoπgem Zusatzpatent DE-OS 2236505 H 01 S 3/08 in verschiedenen Vaπanten behandelt wird Dabei wird die Selektion der Wellenlange im wesentlichen dadurch erreicht, daß innerhalb des Resonators das Licht in eine Lochblende fokussiert wird und hinter der Lochblende eine Optik mit hoher Farblangsabweichung und kleinem Offnungsfehler angeordnet ist, derart, daß in Verbindung mit einem der Resonatorspiegel für nur jeweils einen schmälert Welleniangenbereich eine Abbildung zurück in die Lochblende ohne wesentliche Verluste erfolgt Die Abstimmung erfolgt durch Verschiebung der Optik entlang ihrer optischen Achse Zur Erhöhung der Selektivität ist die optische Achse der Selektionsanordnung gegenüber der geometπschen Achse des stimulierbaren Mediums entweder verschoben oder bildet einen Winkel mit ihr Die Optik mit der hohen Farblangsabweichung kann mit dem zugehoπgen Resonatorendspiegel als Fresnelzonenlinse zu einem Bauelement vereinigt sein
Dieses Patent hat ausschließlich die Selektion der Wellenlange zum Inhalt Bezug auf das Verhalten der Moden im Resonator oder auf die Stabilität der Anordnung wird nicht genommen
Der Stand der Technik zur Erhöhung der Justiertoleranz bei Lasern mit externen Resonatoren wird im wesentlichen von zwei Losungen bestimmt
Die erste Losung ist in / P Zorabedian and W R Trutna, Jr Interference-filter-tuned, alignment- stabilized semiconduetor extemal-cavity laser, OPTICS LETTERS / Voi 13, No 10 ( 1988), pp
826 828 / beschneben Zur justiertoleranten Ruckkopplung der Laserstrahlung wird ein Katzenaugen-Retroreflektor (sammelnde Optik mit Spiegel in deren Brennebene) benutzt Als selektives Element befindet sich im parallelen Strahlengang innerhalb des Resonators ein Interferenz filter Zur Durchstimmung der Laserwellenlange ist dieses Filter drehbar gelagert Die Auskopplung der nutzbaren Srahlung erfolgt aus der dem externen Resonator abgewandten Facette des Laserchips Eine weitere Möglichkeit zum Aufbau eines justierstabilen Lasers mit externem Resonator beinhaltet die EP 0 525 752 A1 , H 01 S 3/1055 Hierbei wird im Pnnzip ebenfalls ein Katzenaugen-Retroreflektor angewandt, seine Wirkung jedoch auf eine Koordinate begrenzt Durch eine geeignete Kombination aus Pnsmen und einer Zylinderoptik zur Strahlformung sowie den Einsatz eines Beugungsgitters als Reflektor ergibt sich, daß eine Abbildung der Laserfacette auf das Gitter nur senkrecht zur
Dispersionsπchtung erfolgt In Dispersionsπchtung ist das das Gitter treffende Strahlbundel jedoch weitestgehend parallel und relativ breit Auf diese Weise wird erreicht, daß das Gitter ohne Einschränkung zur Durchstimmung der Laserwellenlange benutzt werden kann, andererseits die Anordnung weitgehend tolerant gegenüber einer Gitterkippung senkrecht zur Dispersionsnchtung ist
Die beiden letzteren Losungen erhohen die Toleranz gegenüber Verkippungen des Ruckkopplungs- strahlengangs erheblich Es bleibt aber immer noch ein Freiheitsgrad, der nicht stabilisiert ist, namlich die Verschiebung des Laserchips gegenüber dem Kollimator entlang der optischen Achse zur Fokussierung des Bildes der Laserfacette auf dieselbe Im ubπgen beinhalten diese Losungen keine modeπsprungfreie Wellenlängendurchstimmung
Über einen weiten Bereich kontinuierlich durchstimmbare ,Laser1ιchtquellen werden u a in der optischen Spektroskopie benotigt Deren Bedeutung ergibt sich u a daraus, daß ein Modenabstand bei gebräuchlichen Resonatorlangen mindestens etwa einer Atomlimenbreite entspπcht und dadurch bei diskontinuierlicher Durchstimmung entsprechend breite Wellenlangenbereiche übersprungen werden
Bereits verfugbare Gerate, die im wesentlichen nach dem von Favre et al (s oben) beschπebenen Pnnzip arbeiten, beinhalten wegen der hohen Justierempfindlichkeit der Anordnung besondere Mittel wie aktive Regelungen und / oder einen massiven Aufbau wodurch diese recht kostspielig sind Nun wäre eine derartige Lichtquelle wünschenswert, die demgegenüber zum einen mit wesentlich weniger Aufwand für die Stabilisierung des Systems auskommt und zum anderen eine schnellere Wellenlängendurchstimmung bzw eine Wellenlangenmodulation ermöglicht
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Halbleiterlaserlichtquelle bei der eine hohe Stabilität durch das optische Konzept erreicht wird und die zudem die Möglichkeit bietet, die
Laserwellenlange zumindest über weite Teilbereiche der Gewinnkurve des Halbleitermateπals dadurcti sprungfrei durchzustimmen, daß der notwendige Zusammenhang zwischen der Selektion des ruckgekoppelten Spektralbereiches und optischer Weglange im Resonator auf einfache und möglichst nichtmechanische Weise gegeben ist Zur Losung dieser Aufgabe wird eine Hybπdanordnung benutzt, bestehend aus dem einseitig weitestgehend entspiegelten Laserchip einem weitgehend offnungsfehlerkomgierten optischen System mit hoher Farblangsabweichung zur Abbildung der Laserfacette auf einen Reflektor und dem Reflektor selbst Die hohe Farblangsabweichung wird dabei durch geeignete Konfiguration und durch die Wahl der Abbildungsmaßstabe des optischen Systems erreicht
Die Erfindung soll nachfolgend an mehreren Ausfuhrungsbeispielen erläutert werden Es zeigen als schematische Darstellung
Fig 1 die Grundausfuhrung der Laserlichtquelle,
Fig 2 eine hinsichtlich kontinuierlicher Durchstimmbarkeit verbesserte Vaπante und Fig 3 eine Ausführung, die eine besonders einfache und schnelle kontinuierliche Wellenlängendurch¬ stimmung ertaubt
Im einfachsten Fall (Fig 1 ) besteht das optische System aus einer ersten Teiloptik O 1 1 die als einen wesentlichen Bestandteil einen Kollimator KO enthalt und einer zweiten Teiloptik O 12 die ein verkleinertes Bild der Laserfacette auf dem Reflektor SP erzeugt und diesen enthalt Die Einkopplung der vom Laserchip LD abgegebenen Strahlung in das optische System erfolgt zweckmäßig über einen unter 45° stehenden Trennspiegel TS der um die optische Achse herum mit einer Kegel bohrung versehen ist Auf diese Weise gelangt nur Strahlung in das optische System, die den Laserchip LD mit einem Mindestwert an numeπscher Apertur verlaßt Die Bündel mit geπngerem Offnungswinkel, die der Selektivität der Anordnung schaden wurden, weil sich bei ihnen die Farblangsabweichung in nur eine genngfugige Querabweichung am Ort der Laserfacette umsetzt, werden durch die Bohrung im
Spiegel TS als nutzbare Strahlung S aus dem Resonator geführt
Am Ort des Lasers ergibt sich eine hohe Farblangsabweichung, so daß Emmodenbetneb der Laserlichtquelle erreicht werden kann Durch Verschiebung der Laserdiode LD entlang der optischen Achse (Pfeilπchtung V 1 ) laßt sich so die Emissionswellenlange der Anordnung verstellen Die Farblangsabweichung laßt sich hier aber nicht so weit erhohen, daß sich die Resonatorlange im gleichen Maße wie die selektierte Wellenlange ändert Darum erfolgt die Wellenlängendurchstimmung zweckmäßig zunächst durch Verschieben der zweiten Teiloptik O 12 gegenüber der ersten Teiloptik O 1 1 entlang der optischen Achse (Pfeilnchtung V 2), wahrend gleichzeitig mit Hilfe einer Regelung die selektierte Wellenlange durch Verschieben der Laserdiode LD entlang der optischen Achse (Pfeilnchtung V 1 ) derart nachgefuhrt wird daß keine Modensprunge auftreten Dabei sorgt die
Ausfuhrung der zweiten Teiloptik O 12 als Retroreflektor für eine vergleichsweise sehr hohe Toleranz gegen gennge Justierabweichungen bei diesen Bewegungen Auf diese Weise ist eine modensprung freie Wellenlängendurchstimmung mit nur einer einzigen Regelung möglich mit der zugleich auch ein Einfluß der Dispersion im Laserchip selbst berücksichtigt wird Sonst übliche weitere aktive und / oder passive Stabilisierungen entfallen Eine zweite Vaπante der Laserlichtquelle ( Fig 2 ) bedient sich eines ganz ähnlichen optischen Systems wie Beispiel 1 , jedoch mit dem Unterschied, daß die erste Teiloptik O 21 die Laserfacette nicht nach Unendlich abbildet, sondern auf eine endliche Bildweite und dementsprechend die zweite Teiloptik O 22 derart ausgelegt ist, daß sie unter diesen Bedingungen ein Bild der Laserfacette auf 5 dem Reflektor SP erzeugt Ein Verschieben der Teiloptik O 22 in Pfeilnchtung V 2 hat damit nicht nur eine Veränderung der Resonatorlange wie in Beispiel 1 zur Folge, sondern verändert zugleich die Fokussierung auf die Laserdiodenfacette So kann die Durchstimmung der Laserwellenlange auch allein durch Verschieben der zweiten Teiloptik O 22 gegenüber der ersten Teiloptik O 21 entlang der optischen Achse erfolgen Am Ort des Laserchips LD wird im wesentlichen die gleiche
I O Farblangsabweichung wie in Beispiel 1 erreicht so daß die notwendige Selektivität der Anordnung gegeben ist Durch geeignete Wahl des Abbildungsmaßstabes der ersten Teiloptik O 21 und entspre¬ chender Anpassung der zweiten Teiloptik O 22 laßt sich hier aber erreichen, daß sich wie angestrebt die optische Weglange im Resonator im gleichen Maße wie die selektierte Wellenlange ändert so daß Modensprunge zumindest weitgehend von vornherein vermieden werden Da ein durch
15 Umgebungseinflusse bzw genngfugige Bewegungen der Mechanik verursachtes Spπngen der Mode möglich ist, ist auch hier eine elektronische Regelung vorteilhaft Das Ausregeln kleiner Abweichungen im Zusammenhang zwischen Wellenlangenselektion und Resonatoriangenanderung erfolgt hier durch nur ganz geπngfugiges Verstellen der Laserdiode entlang der optischen Achse (Pfeilnchtung V 1 ) da eine Verschiebung V 1 im Gegensatz zu der Verschiebung V 2 die 0 Wellenlangenselektion stark und die Resonatorlange weniger ändert
Der Vorteil dieser Vaπante gegenüber Beispiel 1 besteht dann, daß hier bereits Wellenlängen¬ durchstimmung und passende Resonatoriangenanderung durch Stellen im wesentlichen nur einer Koordinate ( V 2 ) erreicht werden, wobei beide durch Auswahl eines Abbildungsmaßstabs einander angeglichen werden können 5 Eine dπtte Vanante der Laserlichtquelle (Fig 3) stellt den Zusammenhang zwischen Wellenlangen¬ selektion und passender Resonatoriangenanderung ebenfalls auf optische Weise her Das optische System dieses Aufbaus enthalt im wesentlichen zwei vollständige gegeneinander angeordnete Abbildungsoptiken AO 1 , AO 2 sowie den Reflektor SP Das Gesamtsystem ist zweckmäßig in zwei Teile T 1 und T 2 aufgeteilt, zwischen denen ein weitgehend paralleler 0 Strahlengang P auftntt Zunächst erfolgt eine verkleinerte Abbildung der Laserfacette durch die erste
Abbildungsoptik AO 1 , die im wesentlichen dem optischen System aus Beispiel 1 entspπcht Vom Ort des Bildes der Laserfacette wird hier jedoch nicht die Strahlung in dieselbe Optik reflektiert sondern sie durchlauft eine nahezu identische Abbildungsoptik AO 2 in entgegengesetzter Richtung und tπfft dann erst auf den Reflektor SP Der Unterschied der zweiten Abbildungsoptik AO 2 zur ersten 5 Abbildungsoptik AO 1 besteht im wesentlichen nur dann daß die Bildweite der zweiten Abbildungsoptik zum Reflektor SP mehrfach großer ist als die Gegenstandsweite der ersten Abbildungsoptik zum Laserchip LD Auf diese Weise wird am Ort des Lasers die angestrebte hohe Farblangsabweichung bei zugleich möglichster Ausnutzung des Öffnung swinkels der Laserstrahlung und damit die notige Selektivität erreicht, zugleich ist aber einfach durch geeignete Wahl des Abbildungsmaßstabes der zweiten Abbildungsoptik AO 2 die Farblangsabweichung am Ort des Bildes der Laserfacette auf dem Reflektor SP derart eingestellt daß sich allein durch Verschieben des Reflektors SP in Richtung V 3 die Emissionswellenlange der Laserlichtquelle einschließlich der passenden optischen Resonatoriangenanderung verstellen laßt Am Reflektor ist hier kein großer Offnungswinkel notig, da die Wellenlangenselektion nur bei der Abbildung auf die Laserfacette erfolgt Eine genngfugige Verstellung der Laserdiode entlang der optischen Achse ermöglicht hier ebenfalls die Korrektur kleiner Abweichungen im Zusammenhang zwischen Wellenlangenselektion und Resonatoriangenanderung Zwischen beiden Teilen T 1 T 2 des Gesamtsystems ist der Strahlengang P weitgehend parallel Die Lange des parallel verlaufenden Strahlenganges ist in gewissen Grenzen vaπierbar, so daß sich hier eine Justagemoglichkeit für die Gesamtresonatorlange ergibt Der Reflektor SP ist z B auf einer Meßschraube SCH befestigt
Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber Beispiel 1 besteht dann, daß sich die Farblangs- abweichungen am Ort des Laserchips und am Ort des Reflektors unabhängig voneinander festlegen lassen und damit die kontinuierliche Durchstimmbarkeit durch Verstellen nur einer Koordinate erreicht werden kann und darüber hinaus gegenüber Beispiel 2 dann, daß als Abstimmelement nur der kleine leichte Reflektor bewegt werden muß, was die Handhabung erleichtert und zudem die Möglichkeit der schnellen Wellenlangenmodulation z B dadurch gibt, daß der Reflektor auf einem Piezotranslator angebracht werden kann Da die Modulation in der Regel nur über einen relativ kleinen Teil des gesamten Durchstimmbereiches erfolgt, reicht hierfür die Genauigkeit des Verlaufs der Farblangsabweichung der Optik aus Die Regelung muß daher der Modulationsfrequenz nicht folgen können Im Gegensatz zu den erwähnten bekannten Anordnungen, bei denen eine Modulation der
Laserwellenlange nur durch Veränderung der Resonatorlange allein erfolgen kann, ist hier die Verschiebung des Lasers zwangsläufig auch mit der passenden Verschiebung des ruckgekoppelten Spektralbereiches verbunden, so daß die schwingende Lasermode problemlos über viele Moden¬ abstande kontinuierlich moduliert werden kann Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
AO 1 Abbildungsoptik 1
A0 2 Abbildungsoptik 2
KO Kollimator
LD Laserdiode
O 11, 0 21 erste Teiloptik
O 12, 0 22 zweite Teiloptik
P paralleler Strahlengang
S nutzbare Laserstrahlung
SCH Meßschraube
SP Reflektor
T 1 erster Teil des Resonators
T2 zweiter Teil des Resonators
TS Trennspiegel
V 1 Verschiebung 1
V 2 Verschiebung 2
V 3 Verschiebung 3

Claims

Patentansprüche
1. Durchstimmbare Halbleiterlaserlichtquelle, deren wirksamer Resonator im wesentlichen aus einem Laserchip (LD) mit vorzugsweise einer stark verspiegelten und einer weitgehend entspiegelten Facette als optischem Verstarker einschließlich einem Resonatorendspiegel, einem weitgehend offnungsfehlerkomgierten optischen System sowie einem Reflektor (SP) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System eine hohe Farblangsabweichung besitzt, dabei aber zumindest über einen großen Teil der Lasergewinnkurve eine weitgehend beugungsbegrenzte Abbildung im wesentlichen der Austπttsfacette des Laserchips (LD) auf den Reflektor (SP) für jeweils einen im Vergleich zur Lasergewinnkurve schmalen Spektralbereich gestattet, so daß eine schmalbandige Durchstimmung der Laserwellenlange durch Verschiebung des Laserchips (LD) oder des Reflektors (SP) gegenüber dem Restresonator oder allgemein von bestimmten Teilen des Gesamtresonators gegenüber anderen bestimmten Teilen des Gesamtresonators bei einer hohen Toleranz gegen Justierabweichungen des Aufbaus erfolgt
2. Halbleiterlaserlichtquelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Ruckkopplung nur die Strahlenbundel , die die Laserdiode (LD) mit höherer Apertur verlassen, vorgesehen sind und die Bündel mit gennger Apertur als nutzbarer Strahlungsanteil aus dem Resonator geführt werden
3. Halbleiterlaserlichtquelle nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß zur optischen
Kopplung der Laserdiode (LD) mit dem externen Resonator sowie zur Auskopplung der nutzbaren Strahlung ein vorzugsweise unter 45° stehender durchbohrter Spiegel (TS) vorgesehen ist
4. Halbleiterlaserlichtquelle nach Anspruch 1 , 2 oder 3. , dadurch gekennzeichnet, daß das optische System aus zwei Teiloptiken (0 1 1 , 0 12) besteht, zwischen denen der Strahlengang weitgehend parallel verlauft und die damit durch Änderung des Abstands zwischen beiden Teiloptiken (O 1 1 , O 12) eine Veränderung der optischen Weglange im Resonator gestattet, ohne daß sich die wellenlangenabhangige Fokussierung wesentlich ändert und die damit die Möglichkeit gibt, durch geeignetes gleichzeitiges Verstellen des Abstands zwischen den beiden Teiloptiken (011 , 012) und der Fokussierung die Laserwellenlange derart durchzustimmen, daß die Nummer der Mode im
Gesamtresonator konstant gehalten werden kann und so keine Modensprunge auftreten
5. Halbleiterlaserlichtquelle nach Anspruch 1 , 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet daß der für eine sprungfreie Wellenlängendurchstimmung erforderliche Zusammenhang zwischen Wellenlangenselektion und Resonatoriangenanpassung ganz oder weitestgehend durch Verschiebung nur eines Teiles der Gesamtanordnung entlang der optischen Achse gegenüber dem Restresonator erreicht wird
6. Halbleiterlaserlichtquelle nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teiloptik (O 21) den Laser nicht nach Unendlich, sondern auf eine endliche Bildweite abbildet derart daß sich allein durch Verschiebung der zweiten Teiloptik (O 22) einschließlich Reflektor (SP) gegenüber der ersten Teiloptik (O 21) einschließlich der Laserdiode (LD) sowohl die Wellenlängendurchstimmung als auch die zumindest weitestgehend passende Resonatoriangenanderung ergibt um Modensprunge zu vermeiden
7. Halbleiterlaserlichtquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System eine erste (AO 1 ) und eine zweite (AO 2) Abbildungsoptik enthalt wobei beide eine hohe
Farblangsabweichung besitzen, die erste Abbildungsoptik (AO 1 ) ein verkleinertes Bild der Laserfacette erzeugt, danach die zweite Abbildungsoptik fAO 2) von diesem Bild eine vergrößerte Abbildung auf dem Reflektor (SP) entwirft und auf diese Weise zum einen am Ort der Laserfacette die zur Selektion notwendige hohe Farblangsabweichung vorhanden ist, zum anderen unhabhangig davon durch geeignete Wahl des Abbildungsmaßstabs der zweiten Abbildungsoptik (AO 2) die
Farblangsabweichung am Ort des Reflektors so bemessen ist, daß bei Verschiebung des Reflektors (SP) entlang der optischen Achse sich Wellenlangenselektion und optische Resonatorlange analog zueinander andern, so daß die Durchstimmung zumindest weitgehend ohne Modensprunge erfolgt
8. Verfahren zur Durchstimmung von Halbleitertasem mit vorzugsweise einer stark verspiegelten und einer weitgehend entspiegelten Facette, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem emittierenden Kanal des Lasers im wesentlichen die Austnttsfacette mittels der von dieser ausgehenden divergenten Strahlung weitgehend beugungsbegrenzt abgebildet wird am Ort des Bildes eine Reflexion der Strahlung erfolgt, derart, daß diese optisch stabil und mit hoher Farblangsabweichung wieder in den emittierenden Kanal ruckgekoppelt wird und zugleich wegen der hohen Farblangsabweichung dies nur für einen schmalen Spektralbereich wirksam zutπfft und daß durch Verändern einer oder mehrerer optischer Entfernungen eine Verschiebung des mit den genngsten Verlusten ruckgekoppelten Spektralbereiches erfolgt wobei die Abbildung aus dem emittierenden Kanal des Lasers eine Astigmatismuskorrektur beinhalten kann und außerdem der Abbildung im wesentlichen der Austπttsfacette des Lasers am Ort der Reflexion bereits eine oder mehrere Abbildungen derselben vorausgegangen sein können
9. Verfahren nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Bemessung eines 5 oder mehrerer Abbildungsmaßstabe innerhalb des Gesamtverfahrens unabhängig von der jeweiligen
Wahl des mit den geπngsten Verlusten ruckgekoppelten Wellenlangenbereiches innerhalb der Gewinnkurve des Laserchips die Nummer der schwingenden Zentral- oder einzigen Mode mit höchstens geπngfugigen Abweichungen immer gleich ist und dadurch bei einer Durchstimmung des ruckgekoppelten Wellenlangenbereiches zumindest über mehrere Modenabstande keine I O Modensprunge auftreten bzw eine modensprungfrei e Durchstimmung über im wesentlichen die gesamte Gewinnkurve des Lasers mit höchstens geπngfugigen Korrekturen möglich ist
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