title: Einzelfrequenz- und Zwei-Farben-Betrieb von Vertical-external-cavity Surface-emitting Lasern
title: Single-frequency and Dual-wavelength Operation of Vertical-external-cavity Surface-emitting Lasers
Creators: name: Zhang, Fan
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Physics
Physik
semiconductor disk laser
VECSEL
Laser
Zwei-Farben-Laser
dual-wavelength laser
Hochleistungslaser
semiconductor laser
Einzelfrequenzlaser
single-frequency laser
Halbleiterlaser , Scheibenlaser

description: Vertical-External-Cavity
      Surface-Emitting Lasers (VECSELs), also
      oberflächenemittierende Laser mit vertikal angeordneter
      externer Kavität, wurden Mitte der 1990er-Jahre als eine
      weitere Klasse von vertikalemittierenden Lasern eingeführt.
      Diese bedienen sich einer Kombination aus laseraktiven Medien
      von Halbleiterlasern und den geometrischen Konzepten von
      Festkörper-Scheibenlasern, weshalb sie auch
      Halbleiter-Scheibenlaser (Semiconductor Disk Lasers, SDLs)
      genannt werden. Nach zwei Jahrzehnten an Forschung und
      Entwicklung bietet dieser Typ Halbleiterlaser nicht nur
      Zugang zuhohen Leistungen, sondern auch mit hervorragender
      Strahlqualität. Die Wellenlänge von VECSELn kann recht
      komfortabel und flexibel mithilfe der Bandlückengestaltung in
      der Halbleitertechnik angepasst werden. Weiterhin ermöglicht
      das Kavitätsdesign dieser Laser die Nutzung von zusätzlichen
      Elementen im externen Resonator und die Nutzung von
      sättigbaren Absorberspiegeln. Dank dieser Eigenschaft können
      VECSEL in verschiedenen Modi wie Dauerstrich- und
      Zwei-Farben-Betrieb verwendet werden, und eignen sich auch
      für die aus Ultrakurzpulslasern bekannte Modenkopplung. In
      der vorliegenden Arbeit liegt der Schwerpunkt auf die
      experimentelle Untersuchung und Entwicklung von
      Einzelfrequenz- und Zwei-Farben-VECSELn. Des Weiteren wird
      die spektrale Verstimmung (das Detuning) von VECSELn
      betrachtet und ihr Einfluss auf die Leistung des VECSELs
      experimentell untersucht. Um einen Dauerstrichbetrieb im
      schmalbandigen Einzelfrequenzmodus zu erzielen, muss der
      VECSEL sehr selektiv betrieben werden. Dazu muss die
      Lasermode in der transversalen Grundmode und mit einer
      selektierten Polarisation anschwingen, und nur eine einzelne
      Longitudinalmode aufweisen. Um unerwünschte Moden zu
      unterdrücken, sind optische Verluste bis zu einem gewissen
      Grad sogar erforderlich. Dies erschwert jedoch die Erzielung
      hoher Ausgangsleistungen, welche nur durch einen hohen Gewinn
      der Lasermode bei gleichzeitig niedrigen Verlusten begünstigt
      wird. In dieser Arbeit wird ein besonders leistungsstarker
      Einzelfrequenz-VECSEL realisiert, indem Gewinn und Verluste
      des Lasers sorgfältig im Hinblick auf einen einmodigen
      Betrieb ausgleichen werden. Die maximal erzielte
      Dauerstrich-Ausgangsleistung dieses VECSELs beträgt 23.6 W,
      was im Bereich Einzelfrequenz-Halbleiterlaser bis zur
      heutigen Zeit einen Rekordwert darstellt. Die größten
      Störquellen für einen sauberen Einzelfrequenzbetrieb werden
      identifiziert, indem die Laserlinienbreite im Hinblick auf
      die Abtastzeit untersucht wird. Um den Einzelfrequenz-VECSEL
      zusätzlich zu stabilisieren, werden sowohl passive als auch
      aktive Frequenzstabilisierungstechniken angewandt. Im
      Gegensatz zu Einzelfrequenzlasern besitzt die Laseremission
      von Zwei-Farben-VECSELn zwei spektral getrennte Gruppen
      longitudinaler Moden, die zur intrakavitären
      Differenzfrequenzbildung (Difference-Frequency Generation,
      DFG) genutzt werden können. So haben Scheller et al.
      beispielsweise eine Zimmertemperatur-Terahertz-Quelle
      basierend auf einem Zwei-Farben-VECSEL präsentiert.
      Allerdings werden sowohl die im Resonator erzielbare Leistung
      als auch der Wellenlängenabstand der zwei Farben durch das
      Einzel-Chip-Design begrenzt. An dieser Stelle wird eine
      alternative Herangehensweise vorgestellt, die zwei
      verschiedene VECSEL-Chips seriell in einem Hohlraumresonator
      verbindet. Auf diese Weise wird der Gewinn beider Chips
      kombiniert, was zu einem Zwei-Farben-Betrieb mit über 600 W
      Leistung im Resonator bei einer Wellenlängendifferenz von 10
      nm führt. Der Wellenlängenabstand kann in diesem System
      jedoch unter Verwendung verschiedener Chipsätze und/oder
      Filter im Resonator flexibel verändert werden. Ergänzt wird
      die Beschreibung der bestehenden Terahertz-emittierenden
      VECSEL durch die Untersuchung der Strahlqualität des
      emittierten Terahertz-Signals. Gemäß des ISO-Standards
      beträgt der abgeleitete M2-Faktor für die X- und Y-Achse 1,41
      bzw. 1,72, was die hohe Qualität des intrakavitär erzeugten
      DFG-basierten Terahertz-Strahls dieser Quelle bestätigt.
      Ergänzend zu vorangehenden Optimierungsbemühungen in Bezug
      auf die Leistungsfähigkeit von VECSELn, die stark vom
      thermischen Management, dem Chipdesign und der Chipqualität
      abhängt, wird im Rahmen dieser Arbeit auch die spektrale
      Verstimmung von VECSELn näher untersucht. Unter der
      Verstimmung von VECSELn versteht man die
      Wellenlängendifferenz zwischen dem Gewinn im Lasermedium und
      dem longitudinalen Einschluss-Faktor der Mikrokavität bei
      Raumtemperatur. Obwohl die Verstimmung ein wesentlicher
      Faktor hinsichtlich Ausgangsleistung, Laserschwelle und
      Emissionswellenlänge ist, ist es schwierig, experimentelle
      Studien unter Ausschluss der Einflüsse anderer Parameter
      durchzuführen. In dieser Arbeit wird erstmals der
      Kavitätswinkel eines V-förmigen Resonators variiert, um die
      Verstimmung eines VECSEL-Chips gezielt zu verändern.
      Anschließend wird der Einfluss verschiedener Verstimmungen
      systematisch auf die Leistung des VECSELs demonstriert: Bei
      der Veränderung der Verstimmung von -37 auf -20 nm lässt sich
      ein Anstieg der maximalen Ausgangsleistung um 70 %
      beobachten, während sich die Schwellenpumpleistung um den
      Faktor vier verändert. Zudem kann die
      Wellenlängen-Durchstimmbarkeit des VECSELs durch die
      Modifikation des intrakavitären Einfallswinkels auf dem
      Laserchip deutlich erhöht werden, was insbesondere für
      Anwendungen praktisch ist, welche eine erweiterte
      Wellenlängen-Zugänglichkeit erfordern.
description: Vertical-external-cavity
      surface-emitting lasers (VECSELs), also referred to as
      semiconductor disk lasers (SDLs), were invented in the
      mid-1990s by combining the gain media of semiconductor lasers
      with the geometry concepts of solid-state disk lasers. After
      two decades of research and development, this kind of laser
      offers a high-power output with excellent beam quality at a
      wavelength which can be tailored by semiconductor bandgap
      engineering. Moreover, the flexible external cavity of
      VECSELs allows for the utilization of intracavity elements
      and saturable absorbers. This feature provides the
      possibility to operate VECSELs under specific function modes
      such as single-frequency operation, dual-wavelength
      operation, and mode-locking. This work focuses on the
      experimental study and development of single-frequency as
      well as dual-wavelength VECSELs. Additionally, an important
      factor, namely the spectral detuning of VECSELs is discussed
      and its impact on the performance of the device is
      experimentally demonstrated. In order to achieve
      single-frequency operation, the VECSEL is allowed to operate
      only on fundamental transverse mode, single longitudinal
      mode, and single polarization mode. Therefore, to suppress
      the undesired modes, losses are required to a certain degree.
      However, this makes the realization of a high-power output
      challenging, where an overall high gain and a low loss level
      for the laser mode are favorable. In this work, a high-power
      single-frequency VECSEL is implemented by balancing the gain
      and the losses of the laser in combination with frequency
      stabilization methods. The maximum passively stabilized
      single-frequency output power from this device reaches 23.6
      W, which is to this date the highest power among all
      single-frequency semiconductor lasers. The major noise
      sources are identified by analyzing the laser linewidth with
      respect to the sampling time. In order to further stabilize
      the single-frequency VECSEL, both passive and active
      frequency stabilization techniques are applied. In contrast
      to a single-frequency laser, laser emission from
      dual-wavelength VECSELs contains two clusters of multiple
      longitudinal modes, which can be used for intracavity
      difference-frequency generation (DFG). For instance, Scheller
      et al. presented a room-temperature terahertz source based on
      a dual-wavelength VECSEL. However, both the achievable
      intracavity power and wavelength spacing of the two colors
      are limited by the single-chip design. Here, an alternative
      approach is demonstrated in which two different VECSEL chips
      are serially connected in one resonant cavity.In this way,
      the gain of both chips are combined, which enables
      dual-wavelength operation with over 600 W intracavity power
      at a wavelength spacing of 10 nm. The wavelength spacing can
      be flexibly altered by employing different chip sets and/or
      intracavity filters. Furthermore, to complement the
      characterization of the existing terahertz-emitting VECSELs,
      the beam quality of the terahertz signal is investigated.
      According to the ISO standard, the deduced M2-factors for the
      x- and y-axis amount to 1.41 and 1.72, respectively, which
      confirm the high quality of the terahertz beam emitted from
      this intracavity-DFG-based source. In an additional effort to
      optimize the performance of VECSELs, which strongly depends
      on the thermal management, the chip design and its quality,
      the spectral detuning of VECSELs is targeted. The detuning of
      VECSELs is defined as the wavelength difference between the
      material gain and the longitudinal confinement factor at room
      temperature. Although the detuning is a key factor regarding
      the output power, threshold, and emission wavelength, it is
      difficult to conduct experimental studies while excluding the
      influence of other parameters. In this work, the cavity angle
      of a V-shaped cavity is varied to change the detuning of a
      VECSEL chip. Then the impact of different detunings on the
      performance of the device is demonstrated: By changing the
      detuning from -37 to -20 nm, an increment of the maximum
      output power by 70% is observed, while the threshold pump
      power is modified by a factor of four. Moreover, the
      wavelength tunability of the VECSEL can be greatly enhanced
      by the modification of the cavity angle, which is practical
      for applications that require additional wavelength
      accessibility.