title: Verwirklichung einer Kerr-Linsen-Modenkopplung von Halbleiterscheibenlasern
title: Realization of a Kerr-lens mode-locked vertical-external-cavity surface-emitting laser
Creators: name: Gaafar, Mahmoud
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Modelocking ,VECSEL
Optisch gepumpter Halbleiterlaser
Kerr-Effekt
Physics
Physik
Halbleiterlaser
pulsed laser

description: Besides continuous wave (cw)
      operation, where light is emitted continuously over time,
      specially designed lasers can also generate short or even
      ultrashort pulses of light, the latter referred to as
      ultrafast lasers. So far, ultrafast laser systems have been
      used in different industrial and research areas such as
      biology, metrology or medicine. But these systems are subject
      to high costs and great complexity, limiting their use in new
      application areas that demand for low-cost and compact
      ultrafast laser sources, such as the optical clocking of
      microprocessors or free-space data communication.
      Semiconductor laserswould be ideally suited to meet this
      demand, however conventional semiconductor lasers are
      edge-emitters and their power cannot simply be scaled. The
      same is true for microcavity-based surfaceemitters. Moreover,
      the more powerful edge-emitters feature strongly asymmetric
      beam profiles, which makes them unsuitable for many ultrafast
      applications. Vertical-external-cavity surface-emitting
      lasers (VECSELs), also known as semiconductor disk lasers
      (SDLs), are powerful and very flexible coherent light
      sources. They can be considered as a hybrid system between
      ion-doped solid state lasers and conventional semiconductor
      lasers. SDLs combines the advantages of semiconductor gain,
      e.g. wavelength versatility, high gain cross sections, and
      simple fabrication, with the benefits of the ion-doped bulk
      lasers, such as a high-Q external cavity and excellent beam
      quality. Furthermore, due to the 1-D heat flow, resulting
      from the arrangement as a thin film laser, very efficient
      heat removal enables power scaling via the pump area as well
      as the mode size. SDLs have proved to be versatile lasers
      which allow for various emission schemes which on the one
      hand include remarkably high-power multimode or
      single-frequency cw operation, and on the other hand
      two-color as well as mode-locked emission. Mode-locked SDLs
      offer numerous advantages over their solid-state pendants,
      such as their low-complexity, compactness, cost-efficiency,
      and an extremely wide range of accessible emission
      wavelengths (from visible to mid-infrared, based on the
      employed material system) and repetition rates. This makes
      ultrafast SDLs very interesting for various applications that
      rely on a compact, cost-efficient and mass-producible laser
      technology. SDLs can be passively mode-locked using different
      mode-locking techniques. While previously saturable absorbers
      such as semiconductor saturable-absorber mirrors (SESAMs)-
      either external, or even internal, like in a mode-locked
      integrated external-cavity surface emitting laser (MIXSEL) -
      and recently novel-material-based carbon-nanotube or graphene
      saturable absorbers were employed. Up to date, the presented
      mode-locking techniques have led to a great enhancement in
      average powers, peak powers and repetition rates that can be
      achieved with passively mode-locked SDLs. However, the
      power-sensitive, complex and costly absorber mirrors, which
      have to be carefully designed for a certain wavelength range,
      naturally impose limitations on the device performance.
      Fortunately, on the other hand, a newmode-locking methodwas
      presented and discussed in recent years which is referred to
      as self-mode-locking (SML) or saturable-absorber-free
      operation of mode-locked SDLs. In this context, motivated by
      the demand for overcoming the aforementioned limitations, the
      goal of this thesis was to further exploit the potential of
      mode-locked SDLs. Particularly, focus on the SML or
      saturable-absorber-free operation technique, which is
      considered a promising technique for the realization of
      compact, robust and cost-efficient modelocked devices. In
      this thesis, experimental results of SML operation of SDLs in
      the subpicosecond regime will be presented. We show that the
      SML scheme is not only applicable to quantum-well-based SDLs,
      but also to quantum-dot-based devices. Moreover, harmonic
      mode-locking with sub-ps pulses is demonstrated at discrete
      power levels. Furthermore, to extend the applications of
      ultrafast SDLs, we realized an ultra-bright
      single-photon-source by optically exciting a
      deterministically integrated single quantum-dot microlens
      using a mode-locked SDL. The compact and stable laser system
      allows for overcoming the limited repetition rates of
      commercial mode-locked Ti:sapphire lasers and to excite the
      single quantum-dot microlens with a pulse repetition rate
      close to 500 MHz and a pulse width of 4.2 ps at a wavelength
      of 508 nm, utilizing second-harmonic generation in an
      external nonlinear crystal.
description: Neben dem Dauerstrichbetrieb
      (engl. continuous wave, kurz CW), bei dem Licht
      kontinuierlich emittiert wird, können speziell entwickelte
      Laser auch kurze oder sogar ultrakurze Lichtpulse erzeugen,
      wobei im letzteren Fall von Ultrakurzpulslasern die Rede ist.
      Bis jetzt wurden Ultrakurzpulslaser in verschiedenen
      Industrie- und Forschungsbereichen, wie der Biologie,
      Metrologie oder Medizin eingesetzt. Aber hohe Kosten und die
      große Komplexität dieser Systeme verhindern ihren Einsatz in
      neuen Anwendungsgebieten, in denen günstige und kompakte
      Ultrakurzpulslaser, wie zum Beispiel bei der optische
      Takterzeugung für Mikroprozessoren oder beim optischen
      Richtfunk, benötigtwerden. Halbleiterlaser würden diesen
      Anforderungen genügen, jedoch sind konventionelle
      Halbleiterlaser Kantenemitter, deren Ausgangsleistung nicht
      ohne weiteres gesteigert werden kann. Auch Oberflächenemitter
      in einer Mikrokavität unterliegen dieser Beschränkung. Zudem
      besitzen die stärksten Kantenemitter eine stark asymmetrische
      Strahlcharakteristik, wodurch sie für
      vieleAnwendungensbereiche von Ultrakurzpulslasern untauglich
      sind. Oberflächenemittierende Halbleiterscheibenlaser mit
      externer Kavität (engl. Vertical-external- cavity
      surface-emitting lasers, kurz VECSEL), auch als
      Halbleiterscheibenlaser (engl. semiconductor disk lasers,
      kurz SDL) bezeichnet, sind leistungsstarke und sehr flexible
      koherente Lichtquellen. Sie können als Hybridsystem aus
      ionendotierten Festkörperlasern und konventionellen
      Halbleiterlasern betrachtet werden. SDLs kombinieren die
      Vorteile eines aktiven Mediums aus Halbleitermaterialien,
      z.B. Flexibilität der Wellenlänge, hohen Gewinnquerschnitt
      und einfache Herstellung mit den Vorteilen eines
      ionendotierten Festkörperlasers, wie externe Resonatoren mit
      hoher Güte und exzellentem Strahlprofil. Zudem erlaubt der
      1-D Wärmestrom, welcher aus dem Aufbau als Dünnschichtlaser
      resultiert und eine effiziente Kühlung ermöglicht, die
      Skalierung der Ausgangsleistung durch Veränderung von
      Anregungsbereich und Modengröße. SDLs haben sich als
      vielseitige Laser mit unterschiedlichen Betriebsmodi
      erwiesen, welche auf der einen Seite bemerkenswerte
      Ausgangsleistungen im multimoden oder einzelfrequenten
      CW-Betrieb und auf der anderen Seite zwei-Farben sowie
      modengekoppelte Emission beinhalten. Modengekoppelte SDLs
      besitzen gegen über Festkörperlasern viele Vorteile, wie ihre
      geringe Komplexität, Kompaktheit, Kostengünstigkeit und ein
      extrem weiter Bereich dermöglichen Emissionswellenlängen (vom
      Sichtbaren bis zum mittleren Infrarotbereich, abhängig vom
      verwendeten Materialsystem) sowie hohe Wiederholraten.
      Dadurch werden Ultrakurzpuls- SDLs für verschieden
      Anwendungen sehr interessant, welche auf kompakte, günstige
      und massenfertigungstaugliche Lasertechnologie setzen. In
      diesem Zusammenhang, motiviert durch den Bedarf die
      beschriebenen Limitierungen zu überwinden, war das Ziel
      dieser Arbeit das weitere Potential von modengekoppelten SDLs
      zu erforschen. Insbesondere lag der Fokus auf dem SML oder
      dem sättigbaren- Absorber-freien Betrieb, welcher als eine
      vielversprechende Technik zur Realisierung eines kompakten,
      robusten und kostengünstigen modengekoppelten Systems
      betrachtet wird. In dieser Arbeit werden die experimentellen
      Ergebnisse zum SML Betrieb eines SDLs im sub-Picosekunden
      Bereich präsentiert. Wir zeigen, dass der SML Betrieb nicht
      nur für Quantenfilm basierenden SDLs, sondern auch auf
      Quantenpunkt basierenden Systemen möglich ist. Des weiteren
      wird die Modenkopplung bei höheren Harmonischen mit sub ps
      Pulsen bei diskreten Ausgangsleistungen gezeigt. Weiterhin
      wurde zur Erweiterung der Anwendungen von Ultrakurzpuls-SDLs
      eine ultrahelle Einzelphotonenquelle durch optische Anregung
      einer deterministisch integrierten Einzelquantenpunkt
      Mikrolinse mittels eines modengekoppelten SDL realisiert. Das
      kompakte und stabile Lasersystem erlaubt die überwindung der
      limitierten Repetitionsraten von kommerziellen,
      modengekopellten Ti:Sapphir Lasern und die Anregung der
      Einzelquantenpunkt Mikrolinse mit einer Pulswiederholrate
      nahe 500 MHz und einer Pulsdauer von 4,2 ps mit einer
      Wellenlänge von 508 nm, die durch Frequenzverdopplung in
      einem externen nichtlinearen Kristall erreicht wurde.