Intracavity spatial filtering in broad area semiconductor laser
Authors:   , Gawali Sandeep Babu 
Published: September 2023

Semiconductor lasers in high-power regime typically manifest a poor beam quality due to its asymmetric beam divergence and its large beam quality factor (M2). The emission along one of the transverse directions (slow axis) is typically multimode while being single mode in the perpendicular direction (fast axis). Due to the multimode emission and the absence of any intrinsic mode selection mechanism, the beam quality of broad area semiconductor (BAS) laser is degraded. In this work, we demonstrate that, by means of spatial filtering technique, the beam quality may be improved along the lateral direction (slow axis). For the filtering purpose, we propose the use of photonic crystal (PhC) as the spatial filtering element. The PhC offers an advantage in terms of its compact size, which allows miniaturization of the device. The successful implementation of this scheme could lead to monolithic integration, with the PhC directly integrated between the front facet of the semiconductor material and the laser cavity mirror. The PhCs were fabricated on N-BK7 glass substrate using tightly focused femtosecond Bessel beam. Two different PhC with different parameters were used in the experiment. The filtering of the PhC appears due to the deflection of selected components of the beam out of the propagation direction, using the Laue configuration.
Since the PhC operates only in the near field plane, the access to this plane for the experimental testing of the idea introduces a technological difficulty in such small devices.We followed a simplified approach using an extended cavity configuration, which mimics the action of the compact cavity. The advantage of the extended cavity setup is that it allows testingdifferent filtering geometries in the same setup. The extended cavity was built using AR coated single emitter BAS laser, fast axis collimator, a double 4f lens system, and an external mirror with reflectivity of 4%. This extended cavity allows implementing two different techniques, i.e. an intracavity slit and a photonic crystal in the same setup. The cavity was characterized by measuring the output power, beam quality factor (M2), spectrum, and near/far field laser profiles.
Before testing the action of PhC, we tested the conventional spatial filtering using intracavity slit placed in the far field and acting on the beam in the lateral direction by blocking the higher angular components of the beam. The output beam from the external cavity was characterized by measuring the M2 along the slow axis and calculating the brightness of the beam. We demonstrate an enhancement in the brightness by factor of two compared to the unfiltered beam situation. We further evaluated the effect of the reflectivity of the feedback mirror on the output power and spatial profile of the beam. The filtering action of the PhCs was characterized using the same extended cavity configuration. In this configuration an enhancement of the brightness by a factor between 1.3 and 1.5 was demonstrated for the different crystals. In addition, we used another emitter with longer cavity length and transverse width and with 4 % coating on the front facets.
The experimental results obtained using intracavity slit and PhC were compared with the numerical results obtained froma numerical model of broad area laser created to simulate the action of spatial filtering using either the intracavity slit or the PhC. Both results showed a good agreement between the experiments and the numerical results.The numerical code was used to further optimize the brightness enhancement by simulating different filtering geometries.
Los láseres de semiconductor en régimen de alta potencia suelen manifestar una mala calidad del haz debido a su divergencia asimétrica del haz y a su elevado factor de calidad del haz (M2). La emisión a lo largo de una de las direcciones transversales (eje lento) es típicamente multi-modo mientras que es mono-modo en la dirección perpendicular (eje rápido). Debido a la emisión multi-modo y a la ausencia de cualquier mecanismo intrínseco de selección de modo, la calidad del haz del láser semiconductor de área amplia (BAS) se degrada. En este trabajo demostramos que, mediante la técnica de filtrado espacial, la calidad del haz puede mejorarse en la dirección lateral (eje lento). Para filtrar el haz, proponemos el uso de cristal fotónico (PhC) como elemento de filtrado espacial. El PhC ofrece una ventaja en términos de su tamaño compacto, que permite la miniaturización del dispositivo. La demostración de la posibilidad de usar este esquema podría conducir a una integración monolítica, con el PhC directamente integrado entre la cara frontal del material semiconductor y el espejo de la cavidad del láser. Los PhC se fabricaron en un sustrato de vidrio N-BK7 usando un haz de Bessel de femtosegundos fuertemente focalizado. En el experimento se utilizaron dos PhC diferentes con diferentes parámetros. El filtrado de los PhC aparece debido a la desviación de componentes seleccionados del haz fuera de la dirección de propagación, usando la configuración Laue. Dado que el PhC opera sólo en el plano del campo cercano, el acceso a este plano para el ensayo experimental de la idea introduce una dificultad tecnológica en dispositivos tan pequeños. Hemos seguido un enfoque simplificado utilizando una configuración de cavidad extendida, que imita la acción de la cavidad compacta. La ventaja de la configuración de la cavidad extendida es que permite probar diferentes geometrías de filtrado en la misma configuración. La cavidad extendida se construyó utilizando un láser BAS de un solo emisor con recubrimiento anti-reflectante, un colimador de eje rápido, un sistema de lentes dobles 4f y un espejo externo con una reflectividad del 4%. Esta cavidad extendida permite la implementación de dos técnicas diferentes, una rendija intra-cavidad y un cristal fotónico, en la misma configuración. La cavidad se caracterizó midiendo la potencia de salida, el factor de calidad del haz (M2), el espectro y los perfiles del láser de campo cercano y lejano. Antes de probar la acción del PhC, probamos el filtrado espacial convencional utilizando una rendija intra-cavidad situada en el campo lejano y actuando sobre el haz en dirección lateral bloqueando los componentes angulares superiores del haz. El haz de salida de la cavidad externa se caracterizó midiendo el M2 a lo largo del eje lento y calculando el brillo del haz. Demostramos un aumento del brillo por un factor de dos en comparación con la situación del haz sin filtrar. Evaluamos además el efecto de la reflectividad del espejo de retroalimentación en la potencia de salida y el perfil espacial del haz. La acción de filtrado de los PhC se caracterizó utilizando la misma configuración de cavidad extendida. En esta configuración se demostró un aumento del brillo en un factor entre 1,3 y 1,5 para los diferentes cristales. Además, se utilizó otro emisor con una longitud de cavidad más larga y una anchura transversal y con un recubrimiento del 4 % en las caras frontales. Los resultados experimentales obtenidos mediante la rendija intra-cavidad y el PhC se compararon con los resultados numéricos obtenidos a partir de un modelo numérico de láser de área amplia creado para simular la acción del filtrado espacial utilizando la rendija intra-cavidad o el PhC. Ambos resultados mostraron una buena concordancia entre los experimentos y los resultados numéricos. El código numérico se utilizó para optimizar aún más el aumento del brillo simulando diferentes geometrías de filtrado