title: High-Power Operation of Semiconductor Disk Lasers
title: Hochleistungsbetrieb von Halbleiterscheibenlasern
Creators: name: Al Nakdali, Dalia
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Halbleiterlaser
quantum well
VECSEL
Halbleiterscheibenlaser
semiconductor disk lasers
VECSEL-Laser
Halbleiterlaser , Optisch gepumpter Halbleiterlaser
Physics
Physik
semiconductor laser

description: Die Entwicklung von
      Halbleiterscheibenlasern (im Englischen SDL), welche auch als
      vertikalemittierende Scheibenlaser mit externer Kavität
      (engl. VECSEL) bekannt sind, ermöglichte den Aufstieg von
      Halbleiterlasern in eine zuvor nicht erreichbare
      Leistungsklasse bei gleichzeitig hoher beugungsbegrenzter
      Strahlqualität. Durch den steten Fortschritt im Bereich der
      SDLs können diese gegenüber herkömmlichen Halbleiterlasern
      wesentliche Vorteile aufweisen. Darunter fällt die Erzeugung
      starker Ausgangsleistung bei Erhalt der TEM00
      Abstrahlcharakteristik, was bei stark gepumpten Diodenlasern
      kaum vorstellbar ist. Auch der Verzicht auf einen
      p-n-Übergang im SDL-Chip macht sich positiv bemerkbar, indem
      weniger Verluste durch die Absorption freier Ladungsträger in
      dotierten Bereichen stattfinden. Darüber hinaus ist durch
      eine große Gewinnbandbreite in Halbleitersystemen eine breite
      Wellenlängenverstimmung (&gt; 100 nm) möglich. Schließlich
      erlaubt die Konfiguration mit externer Kavität die Umsetzung
      diverser Betriebsarten, unter anderem eine intrakavitäre
      Frequenzkonversion, einen wellenlängenverstimmbaren
      Einzelfrequenzbetrieb und Modenkopplung. Diese Vielseitigkeit
      ist insbesondere für Anwendungen vorteilhaft. Bisher wurden
      vor allem Quantenfilm (engl. QW) basierte SDLs aufgrund ihrer
      hohen Ausbeute entwickelt. Jedoch werden Quantenpunkt (engl.
      QD) basierte SDLs zunehmend beliebter, da sie eine Anzahl an
      Vorteilen bieten, die mit QW Strukturen schwer erzielbar ist,
      wie eine reduzierte Laserschwelle, eine niedrige thermische
      Empfindlichkeit, und eine höhere differenzielle Verstärkung.
      Darüber hinaus eignen sich InGaAs-basierte QD SDLs auch in
      Hinblick auf eine große Abdeckung verschiedener
      Wellenlängenbereiche im Bereich 1-1,3 µm, auf eine hohe
      Wellenlängenverstimmbarkeit und sehr schnelle
      Ladungsträgerdynamiken, welche potenziell eine Verbesserung
      des Modenkopplungsbetriebs ermöglicht. Die in dieser Thesis
      vorgestellten Forschungsarbeiten behandelten primär die
      Entwicklung und Demonstration von leistungsstarken SDLs
      basierend auf QD-Strukturen. Die QDs im Halbleiterchip wurden
      mittels Molekularstrahlepitaxie des InGaAs/GaAs
      Materialsystems im Stranski-Krastanov Modus gewachsen und
      wurden von unseren Kooperationspartnern zur Untersuchung der
      Leistungsoptimierung zur Verfügung gestellt. Der Einsatz
      eines InGaAs QD Verstärkungsmedium ermöglichte dabei die
      Entwicklung von SDLs im infraroten Spektralbereich zwischen 1
      bis 1,3 µm. In dieser Arbeit wurden daher zwei SDLs mit
      Emissionswellenlängen von 1040 und 1080~nm untersucht. Für
      die Leistungsoptimierung wurden die Experimente mit einer
      linearen Kavitätskonfiguration durchgeführt. Die in dieser
      Arbeit vorgestellten Experimente wurden durchgeführt, um eine
      maximale Dauerstrich-Ausgangsleistung aus einem einzelnen,
      jeweils vorhandenen QD-Chip zu erzielen. Hierzu wurden
      systematisch Kavitätsparameter wie die Kavitätslänge, die
      Anregungsfleckgröße und die Transmittivität des
      Auskoppelspiegels variiert, um die beste mögliche Leistung
      des untersuchten Systems zu erzielen. In Folge der
      Optimierung der Betriebsbedingungen wurden schließlich
      rekordhohe Dauerstrich-Ausgangsleistungen von bis zu 8,4 bzw.
      7,2 W bei Temperaturen um 2 °C für die SDLs bei 1040 bzw.
      1180 nm demonstriert. Darüber hinaus zeigten die SDLs unter
      Einsatz eines in die Kavität eingefügten doppelbrechenden
      Filters eine Verstimmbarkeit der Laseremission über einen
      relativ großen Bereich von 45 bzw. 37 nm für die SDLs bei
      1040 und 1180 nm. Obwohl die in dieser Arbeit vorgestellten
      Ergebnisse bereits einen Beitrag zur Entwicklung von QD SDLn
      geleistet haben mögen, sei angemerkt, dass weitere Bemühungen
      nötig sind, um die Vorteile von QD SDLs weitläufig zu
      erforschen. Diese werden zum Beispiel weitere Untersuchungen
      hinsichtlich thermische Sensibilität und Betriebsstabilität
      der QD basierten Laser beinhalten. Folglich werden daraus
      neue Erkenntnisse über bessere Chipdesigns für einen
      leistungsstärkeren Betrieb erzielt. Abschließend wurde in
      dieser Arbeit die Rolle von optischen Streuverlusten in SDLn
      bei ihrer Leistungsfähigkeit anhand Untersuchungen des
      thermischen Widerstands eines SDL Chips mit niedriger
      Oberflächenqualität hervorgehoben. Hierzu wurde aus der
      experimentellen Eingangs-Ausgangs-Leistungscharakteristik des
      SDLs basierend auf dem thermischen Überrolleffekt für
      verschiedene Auskoppeltransmittivitäten im Vergleich mit
      einem erweiterten Modell für den thermischen Widerstand ein
      Verlustanteil im Resonatorsystem aufgrund von optischen
      Oberflächenstreuverlusten bestimmt. Das Modell vernachlässigt
      dabei nicht den Anteil von nicht wärmebezogener Verluste im
      SDL. Dadurch ermöglicht diese Studie ein besseres Verständnis
      der Leistungsbegrenzungen von SDLn, die für den Betrieb bei
      hoher Ausgangsleistung bestimmt sind. Zusammenfassend lässt
      sich somit sagen, dass für eine hohe Emissionsleistung des
      Lasers nicht nur ein Chip mit optimierter Halbleiterstruktur,
      sondern auch mit möglichst guter Strukturoberfläche und
      -Beschaffenheit erforderlich ist, da optische Verluste durch
      Streuung im System nicht vernachlässigbar sind.
description: The development of semiconductor
      disk lasers (SDLs), which are also known as
      vertical-external-cavity surface-emitting lasers (VECSELs),
      gives rise to semiconductor lasers with high multi-watt
      output power combined with diffraction-limited output
      beam-profile. Owing to a steady progress in the field of
      SDLs, they feature many advantages over conventional
      semiconductor (diode) lasers. For instance, high output
      powers can be achieved with a TEM00 beam profile, no p-n
      junctions are needed in an SDL device which reduces losses
      due to free-carrier absorption in doped regions, broad
      wavelength tuning (&gt; 100 nm) is possible due to a broad
      gain bandwidth in semiconductors, and external-cavity
      configurations allow for different operation schemes, i. e.,
      intra-cavity frequency conversion, wavelength-tunable
      single-frequency operation and mode-locking. This versatility
      is particularly beneficial with respect to applications. Up
      to now, mainly quantum-well (QW) based SDLs were used due to
      their strong yield. However, quantum-dots (QDs) based SDLs
      become increasingly popular, because they offer a number of
      advantages hardly achievable when using QWs, such as a
      reduced lasing threshold, a lower thermal sensitivity, and a
      higher differential gain. In addition, QDs are also
      applicable for a coverage of different spectral regions such
      as in the range of 1 to 1.3 µm, they can provide enhanced
      wavelength tunability and ultrafast carrier dynamics, which
      potentially will improve mode-locked operation with respect
      to shorter puls durations. The work presented in this thesis
      was focussed on the development and testing of high-power
      semiconductor disk lasers based on novel quantum-dot
      structures, and the analysis of optical-scattering losses in
      SDLs in general. The QDs in the SDL chip structure were
      formed by molecular-beam-epitaxy growth of InGaAs/GaAs
      semiconductor materials using the Stranski-Krastanov growth
      method, and supplied by our cooperation partners for
      investigations on the performance optimization. The
      employment of QD materials allowed for the realization of
      SDLs in the infrared spectral region between 1 and 1.3 µm.
      Devices with emission wavelengths of 1040 and 1180 nm were
      subject of this work and QD-based SDLs were tested with
      respect to high-power operation in a linear cavity
      configuration. The experiments were performed in order to
      achieve a maximum output power in the continuous-wave (CW)
      regime for the existing chips. Therefore, the cavity
      parameters, i. e., the cavity length, the pump-spot width,
      and the transmittance of the output-coupler (OC) mirror, were
      systematically varied in order to reach the best performance
      of the studied device. As a consequence of the optimization
      of the operation conditions, record-high CW output powers up
      to 8.4 and 7.2 W are obtained at temperatures around 2 °C for
      SDLs emitting at 1040 and 1180 nm, respectively. Besides, by
      rotating an additionally inserted birefringent filter inside
      the laser cavity, the laser became wavelength tunable over a
      relatively large range of 45 and 37 nm for SDLs emitting at
      1040 and 1180 nm, respectively. Although the results
      presented in this thesis may have certainly contributed to
      the development of QD SDLs, more effort is needed to fully
      explore the advantages of QD based materials. This will
      include wider research concerning the thermal sensitivity and
      operational stability of QD based lasers. That would allow
      for a more accurate design of the devices, which lead to a
      more efficient operation. To highlight the influence of
      optical-scattering losses on the SDL's performance, the
      thermal resistance of a reference low-surface-quality SDLs
      chip was analyzed. From experimental input-output
      characteristics based on thermal roll-over for different
      output-coupler transmittance values, the optical
      surface-scattering losses were identified when using an
      expanded model that takes into account non-heating losses in
      a device. In this study, we've learned that optical
      surface-scattering is a non-negligible component of loss in
      an SDL system, thus further contributing to an understanding
      of limitations to high-power operation. In conclusion, the
      best-quality chips -not only with respect to the structural
      quality inside the chip, but also to the surface quality- are
      required for the purpose of high-power operation.