DE69610417T2

DE69610417T2 - Technik zur kopplung einer grossflächigen laserdiode mit externem resonator an einen passiven optischen resonator

Info

Publication number: DE69610417T2
Application number: DE69610417T
Authority: DE
Inventors: J. Dixon
Original assignee: ATX Telecom Systems Inc
Current assignee: Scientific Atlanta LLC
Priority date: 1995-04-13
Filing date: 1996-04-11
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2016-04-12
Also published as: CA2218068A1; EP0821839B1; JPH11503575A; DE69610417D1; WO1996032765A1; EP0821839A1; US5572542A; DE821839T1

Description

Erfindungsgebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf Laser des Typs, in denen Halbleiterverstärkungselemente in einer zum Verstärkungselement externen Resonanzkavität verwendet werden. Im Besonderen bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung einer optischen Rückkopplung in das Halbleiterverstärkungselement, um die Ankopplung des Lichts aus dem Halbleiterverstärkungselement an eine passive optische Kavität zu verstärken.

Hintergrund der Erfindung

Ein Laser ist eine Vorrichtung, die in der Lage ist, kohärentes Licht über die stimulierte Photonen-Emission von Atomen, Molekülen oder Ionen eines aktive Mediums zu erzeugen, für das eine Anregung von einem Grundzustand in einen Zustand höherer Energie mittels Energiezufuhr charakteristisch ist. Eine solche Vorrichtung umfasst eine optische Kavität oder Resonator, der durch Oberflächen hohen Reflexionsvermögens, die einen abgeschlossenen Umlaufweg für das Licht festlegen, gegeben ist, und das aktive Medium in der optischen Kavität enthält.
Laserdioden sind die am weitesten verbreiteten gegenwärtig verfügbaren Lasertypen. Sie sind kompakt, robust sowie vergleichsweise billig und deshalb in vielen kommerziellen Anwendungen potentiell von Nutzen. Die mit Monomoden- Laserdioden, wie z. B. den Einstreifendioden, erreichbaren Ausgangsleistungen liegen bei bis zu mehreren hundert Milliwatt (mW). Diese geringen Ausgangsleistungen schränken die Anwendungsgebiete ein. Andererseits sind mit Halbleiterlaservorrichtungen mit ausgedehnten aktiven Zonen, wie z. B. Breitzonenlaserdioden, phasengesteuerten Diodenarrays und Trapezverstärkern, Ausgangsleistungen bis zu einer Größenordnung von mehreren Watt erreichbar. Wegen ihrer im Vergleich zu Einstreifenlaserdioden relativ großen aktiven Zonen werden die Breitzonenlaserdioden, phasengesteuerten Diodenarrays und Trapezverstärker im Weiteren als Großzonendioden bezeichnet.
Obwohl die Großzonendioden beträchtlich leistungsfähiger sind als Einstreifendioden, sind für viele Anwendungen Leistungen wünschenswert, die weit über den Ausgangsleistungen der Großzonendioden liegen. Die Erzeugung von blauem Licht über nichtlineare optische Prozesse ist einer dieser Fälle. Auf Grund werkstofftechnischer Grenzen sind Laserdioden, die unmittelbar sichtbares Licht im blauen Bereich erzeugen, schwer herzustellen. Nichtlineare optische Prozesse ergeben praktikable Wege zur Erzeugung blauen Lichts. Zum Beispiel kann die Infrarotstrahlung einer Großzonenlaserdiode in einem Prozess zur Erzeugung der zweiten Harmonischen (EZH) eingesetzt werden, um blaues Licht zu erhalten. Blaues Licht kann auch durch Frequenzsummation zweier weniger energetischer Lichtstrahlen erzeugt werden. Die Ausbeute dieser nichtlinearen optischen Prozesse hängt stark von der Leistung des einfallenden Lichts ab. Die Konversionsausbeute des Prozesses zur Erzeugung der zweiten Harmonischen ist z. B. proportional zum Quadrat der Leistung des zu konvertierenden Lichts. Es ist deshalb vorteilhaft, die Ausgangsstrahlung einer Laserdiode konzentrieren zu können, um eine Lichtleistung zu erzeugen, die weit höher ist als die Ausgangsleistung der Diode.
Ein Weg zur Konzentration der Ausgangsleistung eines Lasers besteht in der Verwendung eines passiven Resonators, der im Wesentlichen eine durch zwei Reflexionsspiegel gegebene optische Kavität ist, um das Laserlicht zu speichern oder zu konzentrieren. In Abhängigkeit von der Gestalt des passiven Resonators und der optischen Kopplung zwischen dem Laser und dem passiven Resonator kann die Leistung im passiven Resonator um Größenordnungen höher sein als die direkte Ausgangsleistung der Diode.
Die Konzentration der Ausgangsstrahlung einer Laserdiode in einer passiven Resonatorkavität kann jedoch ein schwieriger Prozess sein. Um die Ausgangsstrahlung einer Halbleiterlaserdiode effizient in den passiven Resonator einzukoppeln, muss die Ausgangsstrahlung der Laserdiode zu einer Resonanzmode der passiven Kavität modenangepasst sein. Für eine effiziente Modenanpassung muss die Laserdiode bei einer einzigen Frequenz und in einer wohldefinierten räumlichen Mode arbeiten. Ein Beispiel für eine Bauform zur Leistungskonzentration in einem passiven Resonator, der an eine Einstreifendiode gekoppelt ist, wird in der artverwandten US Patentanmeldung Nr. 08/370,508 des Anmelders, registriert am 9. Januar 1995, beschrieben und illustriert. Leider sind die Strahlen von Breitzonenlaserdioden und phasengesteuerten Laserdiodenarrays höherer Leistung durch schlechte räumliche und spektrale Eigenschaften gekennzeichnet. Im Besonderen ist der Ausgangsstrahl einer Breitzonendiode oder eines phasengesteuerten Diodenarrays nicht beugungsbegrenzt in der Richtung parallel zum Diodenübergang, und der Strahl enthält im Normalfall viele unterschiedliche Frequenzen, die den unterschiedlichen longitudinalen Moden des Diodenresonators entsprechen.
Obwohl die schlechten räumlichen und spektralen Eigenschaften von Breitzonendiodenlasern und phasengesteuerten Diodenarrays diese für viele Anwendungen ungeeignet machen, sind Techniken zum räumlichen cleanup des Strahls bekannt, um nahezu beugungsbegrenzte Strahlen zu erzeugen. Im Allgemeinen erstreckt sich die Resonanzkavität eines Breitzonendiodenlasers oder Laserdiodenarrays über die Austrittsflächen der Diode hinaus, und das räumliche cleanup des Strahls wird erreicht, indem ein räumliches Filter in dem Teil der erweiterten Laserkavität außerhalb des Halbleiterelements angeordnet wird. Außerdem trifft das Umlauffeld in der erweiterten Kavität auf die Austrittsfläche des Verstärkungselements unter einem Winkel bezüglich der Normalen auf, der gewöhnlich zwischen zwei (2) und fünf (5) Grad liegt. Für diese erweiterten Kavitäten sind sowohl lineare als auch ringförmige Bauformen beschrieben worden. Das US Patent Nr. 4,905,252 von Goldberg et al. illustriert ein Beispiel für eine solche erweiterte Kavität. Andere Beispiele können an den folgenden Stellen gefunden werden: C. J. Chang-Hasnain, J. Berger, D. R. Scifres, W. Streifer, J. R. Whinnery ind A. Dienes, "Hohe Leistung mit hoher Effizienz in einem schmalen einkeuligen Strahl von einem Diodenlaserarray in einer externen Kavität", Applied Phys. Letters 50, 1465 (1987); L. Goldberg, J. F. Weiler und M. K. Chung, "Beugungsbegrenzte Breitstreifenlaseremission in einem externen Resonator", Digest of the Conference on Lasers and Electro-Optics (Optical Society of America, Washington, D. C. 1989), Beitrag FL6.
Obwohl die oben beschriebenen Strahl-cleanup-Techniken verwendet werden können, um aus Breitzonendiodenlasern und phasengesteuerten Diodenlaserarrays mit erweiterter Kavität nahezu beugungsbegrenzte Strahlen einer einzigen Frequenz zu erhalten, verbleiben Schwierigkeiten bei der Modenanpassung der Ausgangsstrahlung des Diodenlasers an den passiven Resonator. Um einen maximalen Leistungszuwachs in einer passiven optischen Kavität zu erreichen, muss die einfallende Strahlung sowohl räumlich als auch spektral an die Resonanz der Kavität modenangepasst werden. Die räumliche Modenanpassung umfasst meist den Einsatz optischer Elemente, um die Form und die Größe des Laserausgangsstrahls an die fundamentale Transversalmode des passiven Resonators anzupassen. Die spektrale Modenanpassung erfordert, dass die Frequenz der Laserausgangsstrahlung an eine Resonanzfrequenz des passiven Resonators angepasst ist. Wenn diese Frequenz-Anpassungsbedingung nicht erfüllt ist, wird die in den passiven Resonator übertragene Laserausgangsstrahlung zum Aufschwingen im passiven Resonator nicht in der Lage sein. Die Frequenzfehlanpassung zwischen der Laserdiode und dem passiven Resonator kann durch Störungen in einer normalen Betriebsumgebung hervorgerufen werden, so z. B. durch mechanische Schwingungen, Temperaturvariationen und dergleichen, die in der Regel als "technisches Rauschen" bezeichnet werden. Dieses technische Rauschen erzeugt Veränderungen der Resonanzfrequenzen des passiven Resonators und der Frequenz der Laserdiode, wodurch die Modenanpassung zwischen der Laserdiode und dem Resonator beeinträchtigt wird.
Um die Ankopplung der Frequenz der Laserdiode an eine Resonanzmode eines passiven Resonators aufrechtzuerhalten, werden komplexe elektronische Stabilisierungstechniken wie das Drever-Pound-Locking verwendet. Diese Techniken werden meist als aktives Ankoppeln bezeichnet, da in ihnen aktive Komponenten verwendet werden. Diese elektronischen Ankopplungstechniken sind nicht zufriedenstellend, da sie nicht in der Lage sind, das Ankoppeln über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten, wenn das Lasersystem dem bei normalen Betriebsbedingungen beobachteten technischen Rauschen ausgesetzt ist. Auch ihre optoelektronische Komplexität sowie die hohen Kosten machen sie ungeeignet für kommerzielle Anwendungen.

Darstellung der Erfindung

Die Hauptzielstellung der Erfindung ist es, die Ausgangsleistung einer Hochleistungshalbleiterlaserdiode, insbesondere einer Großzonenlaserdiode, in einen passiven Resonator hinein so zu konzentrieren, dass sowohl Frequenz- als auch Amplitudenstabilität der konzentrierten Leistung im passiven Resonator aufrechterhalten bleibt.
Für diese Zielstellung ist es eine Aufgabe der Erfindung, für einen Bereich normaler Betriebsbedingungen die Moden der Ausgangsstrahlung eines Großzonen- Halbleiterverstärkungselements räumlich und spektral an einen passiven Resonator anzupassen, wodurch die Konzentration der Leistung des Ausgangsstrahls innerhalb des Resonators maximiert und stabilisiert wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein effektives Verfahren zur Ankopplung der Ausgangsfrequenz des Halbleiterverstärkungselements an eine Resonanzfrequenz des passiven Resonators bereitzustellen, das den Einsatz einer Kompensationselektronik umgeht.
Es ist ein weitere, dazu verwandte Aufgabe der Erfindung, einen Festkörperlaser bereitzustellen, der wirtschaftlich herstellbar ist und mit dem sich dennoch die obigen Aufgaben und Zielstellungen erfüllen lassen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Festkörperlaser des obigen Typs bereitzustellen, der kompakt sowie robust und somit für den Einsatz in Konsumgütern geeignet ist.
Kurz dargestellt, werden die obigen Aufgaben durch einen Festkörperlaser gelöst, der eine erweiterte Resonanzkavität und ein Großzonen- Verstärkungselement, wie z. B. eine Breitzonenlaserdiode, ein Laserdiodenarray oder einen Trapezverstärker als aktives Medium aufweist. Der Laser kann unterschiedliche Bauformen der Laserkavität aufweisen, wie z. B. eine lineare Kavität, eine Zweidurchlauf-Ringkavität oder eine Eindurchlauf-Ringkavität. Der Laser hat einen passiven Resonator, in dem umlaufende Laserleistung konzentriert wird, und eine geeignete Optik zur Zuführung eines Teils der Intrakavitätsleistung der passiven Kavität von der passiven Kavität zurück in das aktive Medium.
Mit den Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird gleichzeitig ein räumliches Strahl-cleanup des Ausgangsstrahls der Großzonendiode und ein Frequenzankoppeln der Diode an den passiven Resonator erreicht. Für das cleanup des Strahls kann ein Raumfilter in die erweiterte Laserkavität eingesetzt werden. Die Notwendigkeit eines separaten Raumfilter kann jedoch gemäß vorliegender Erfindung entfallen, da der passive Resonator auch die Aufgabe des räumlichen Filterns erfüllen kann. Zur Frequenzankopplung ist der an die Laserdiode zurückgeführte Betrag an Intrakavitätsleistung des Resonators groß genug, um die Laserdiode zu einem Einfrequenz-Modenbetrieb zu veranlassen und die Frequenz f&sub0; der Laserdiode an eine Resonanzfrequenz fR der passiven Kavität anzukoppeln. Durch Aufrechterhalten einer ausreichenden Rückkopplungsleistung bei beliebigen Veränderungen der Umgebungsbedingungen wird eine Frequenzankopplung der Laserdiode an die passive Kavität gewährleistet. Geeignete Optik und Bauformen der Kavität werden vorgesehen, so dass der Rückkopplungsweg der Leistung aus dem passiven Resonator an die Diode nicht durch den passiven Resonator führt. Damit werden Verluste beim Durchgang der Rückkopplungsleistung durch den passiven Resonator vermieden, wodurch mehr Leistung auf des Verstärkungselement rückgekoppelt werden kann.
Da die Verfahren gemäß vorliegender Erfindung ein Großzonen- Verstärkungselement an einen passiven Resonator über ausschließlich passive Hilfsmittel ankoppeln, wird kein teurer und komplexer mechanisch/elektronischer Aufbau für ein aktives Ankoppeln der Ausgangsstrahlung des Verstärkungselements an den passiven Resonator benötigt. Daraus resultieren beträchtliche Einsparungen an Kosten und Zahl der Bauelemente, was die Geräte gemäß vorliegender Erfindung kommerziell realisierbar werden lässt.
Mit den passiven Ankopplungsverfahren der vorliegenden Erfindung kann das Laserlicht von einer Großzonenlaserdiode hoher Leistung in einem passiven Resonator konzentriert werden, der für viele Anwendungen eingesetzt werden kann. Zum Beispiel können nichtlineare Kristalle der wohlbekannten Klassen in die passive Kavität eingesetzt werden, um eine hoch effiziente Erzeugung der zweiten Harmonischen in einem Leistungsregime sowie mit einer Frequenz- und Amplitudenstabilität zu gestatten, die zuvor nicht erreichbar gewesen sind. Die Kombination von hoher Leistung sowie Frequenz- und Amplitudenstabilität ist wesentlich für viele potentielle Anwendungen in Industrie- und Konsumgütern. Wegen der Effektivität der passiven Ankopplungsverfahren der vorliegenden Erfindung hat die konzentrierte Laserleistung im passiven Resonator niedrige Rauschpegel im Niederfrequenzbereich und weist eine zufriedenstellende Langzeitstabilität auf. Die konzentrierte Leistung kann somit erfolgreich für viele Verwendungszwecke eingesetzt werden, die unempfindlich gegenüber Hochfrequenzrauschen sind. Zum Beispiel sind bei einem Einsatz zur Videobildprojektion die menschlichen Augen unempfindlich gegenüber einem Rauschen der Lichtintensität mit mehr als etwa 100 Hertz. Die hohe Ausgangsleistung von blauem Licht, das in einem passiv gekoppelten Lasersystem gemäß vorliegender Erfindung mit einem Verfahren zur Erzeugung der zweiten Harmonischen generiert wurde, ermöglicht seine Verwendung als eine der Primärfarben, um zufriedenstellend wiedergegebene Videobilder zu erzeugen.
Obwohl die Erfindung etwas ausführlicher mit Bezug auf alternative bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wird, sollte es selbstverständlich sein, dass es nicht in der Absicht des Anmelders liegt, die Erfindung hinsichtlich derartiger Details und Ausführungsformen einzugrenzen. Im Gegenteil, es liegt in der Absicht des Anmelders, alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente einzuschließen, die im Rahmen der Erfindung gemäß Festlegung durch die angefügten Patentansprüche liegen, unabhängig davon, ob sie ausdrücklich beschrieben wurden oder nicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein stark schematisches Schaubild zur Illustration eines erfindungsgemäßen Großzonen-Festkörperlasers, in dem eine erweiterte lineare Kavität verwendet wird, die aus separaten Armen zum räumlichen cleanup und zur passiven Einkopplung besteht;
Fig. 2 ist eine Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasers, in dem die lineare Kavität der Bauform von Fig. 1 und ein passiver Ringresonator verwendet werden;
Fig. 3 ist eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Festkörperlasers, der die lineare Kavität der Bauform von Fig. 1 und einen linearen passiven Resonator umfasst;
Fig. 4 ist eine Darstellung einer zweiten alternativen Ausführungsform, welche die lineare Kavität der Bauform von Fig. 1 und einen linearen passiven Resonator mit einem nichtlinearen Kristall umfasst, der darin angeordnet wurde, um einen Ausgangsstrahl mit der Summenfrequenz zu erzeugen;
Fig. 5 ist ein stark schematisches Schaubild eines erfindungsgemäßen Festkörperlasers unter Verwendung einer Bauform, in der die erweiterte Laserkavität eine Ringkavität ist und das umlaufende Laserfeld durch dieselbe Grenzfläche in die Laserdiode ein- und aus ihr austritt;
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer besonderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Festkörperlasers, der die erweiterte Ringkavität der in Fig. 5 allgemein dargestellten Bauform und einen passiven Ringresonator umfasst;
Fig. 7 ist eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Festkörperlasers, in dem die erweiterte Ringkavität der in Fig. 5 allgemein dargestellten Bauform und ein linearer passiver Resonator verwendet werden;
Fig. 8 ist eine stark schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Festkörperlasers, in dem die erweiterte Laserkavität eine Ringkavität ist und das umlaufende Laserfeld einmal pro Umlauf entlang der Ringkavität durch die Laserdiode hindurchtritt;
Fig. 9 ist eine Darstellung eines Festkörperlasers entsprechend einer besonderen Ausführungsform, welche die in Fig. 8 dargestellte Ringkavitätsbauform enthält; und
Fig. 10 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines Festkörperlasers, in dem die in Fig. 8 dargestellte Ringkavitätsbauform verwendet wird und der einen Trapezverstärker als Verstärkungselement hat.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten und alternativen Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt ein stark schematisches Schaubild, in dem die dieser Erfindung entsprechenden Verfahren zur Ankopplung eines Festkörperdiodenlasers mit einer erweiterten linearen Laserkavität an einen passiven Resonator allgemein dargestellt werden. Da die Fig. 1 zur Darstellung der allgemeinen Konzepte entsprechend vorliegender Erfindung gedacht ist, sind keine spezifischen Details der Anordnung der optischen Elemente dargestellt.
Das Verstärkungselement 11 des in Fig. 1 dargestellten Lasers kann eine Großzonenlaserdiode sein, deren aktive Zone meist eine gleichbleibende Breite hat, wie z. B. eine Breitzonenlaserdiode oder ein phasengesteuertes Diodenarray. Diese Typen von Halbleiterlaserdioden mit einer im Allgemeinen gleichbleibenden Breite der aktiven Zone werden im Weiteren als nichttrapezförmige Laserdioden bezeichnet, um sie von Laserdioden, wie z. B. den Trapezverstärkern, zu unterscheiden, bei denen die Breite der aktiven Zone zwischen den beiden Abschlussflächen beträchtlich variiert.
Die erweiterte lineare optische Kavität des Lasers kann als aus zwei Armen bestehend angesehen werden: ein Arm zum räumlichen cleanup des Strahls 18 und ein Arm zum passiven Ankoppeln 22. Der Arm zum räumlichen cleanup des Strahls 18 umfasst ein räumliches Strahlfilter 20, das die unerwünschten räumlichen Komponente des Strahls aus der Laserdiode ausfiltert. Das Raumfilter 20 kann als ein Spiegel angesehen werden, der das eine Ende der erweiterten Laserkavität festlegt. Der Arm zum passiven Ankoppeln 22 umfasst einen passiven Resonator 24 zum Speichern der umlaufenden Laserleistung aus der Diode 11 und einen Rückkopplungsweg 26 zur Rückführung eines Teils der Energie im passiven Resonator 24 zurück an die Laserdiode 11. Die Kombination aus dem passiven Resonator 24 und dem optischen Rückkopplungsweg 26 kann als ein Spiegel mit einem frequenzabhängigen Reflexionsvermögen angesehen werden, der das andere Ende der linearen Laserkavität bildet.
Wenden wir uns zunächst dem Arm zum räumlichen cleanup 18 in Fig. 1 zu, wo mit dem Einsatz des Raumfilters 20 beabsichtigt wird, die Diode 11 zu zwingen, in einer nahezu beugungsbegrenzten Mode zu lasen. Die Verwendung eines Raumfilters zur Erzeugung einer nahezu beugungsbegrenzten Ausgangsstrahlung ist von einer Reihe von Autoren beschrieben worden. Zum Beispiel haben C. J. Chang- Hasnain et al. in "Hohe Leistung mit hoher Effizienz in einem schmalen einkeuligen Strahl von einem Diodenlaserarray in einer externen Kavität", Applied Phys. Letters 50, 1465 (1987) die Verwendung eines dünnen Streifenspiegels als eines Raumfilters vorgestellt. Goldberg et al. haben in "Beugungsbegrenzte Breitstreifenlaseremission in einem externen Resonator", Digest of the Conference on Lasers and Electro-Optics (Optical Society of America, Washington, D. C. 1989), Beitrag FL6, den Einsatz eines Neunzig (90)-Grad-Dachkant-Reflexionsprismas für den gleichen Zweck dargestellt. In beiden Fällen wird der Teil des Strahls, welcher der beugungsbegrenzten Mode entspricht, durch das Raumfilter mit relativ geringen Verlusten zurück in die Diode reflektiert, während die Verluste für den Rest des Strahls hoch sind. Indem nur der beugungsbegrenzte Anteil des Strahl zur Diode zurückgeführt wird, wird die beugungsbegrenzte Emission der Diode verstärkt. In der Ausführungsform der Fig. 2 wird die Wirkung eines Streifenspiegels als ein Raumfilter dargestellt, wohingegen in der Ausführungsform von Fig. 3 das Neunzig (90)-Grad-Dachkant-Reflexionsprisma verwendet wird. Zusätzlich zum Einsatz eines Raumfilters zum cleanup des Strahls wird in beiden Strahl-cleanup- Verfahren von Chang-Hasnain et al. und Goldberg et al. die umlaufende Laserleistung unter einem kleinen Einfallswinkel zur Oberflächennormalen auf die Diodenfläche gerichtet. Der Einfallswinkel liegt gewöhnlich zwischen zwei (2) und fünf (5) Grad.
Gemäß Darstellung in Fig. 1 bewegt sich die umlaufende Laserleistung in der linearen Kavität zwischen den beiden Arme 18, 22 durch die Laserdiode 11 hindurch. Die umlaufende Laserleistung tritt von jedem der beiden Arme 18, 22 durch die Vorderfläche 12 in die Diode 11 ein. Die hochreflektierende Rückfläche 14 der Laserdiode 11 reflektiert die umlaufende Leistung von dem einen Arm durch die Frontfläche 12 in den anderen Arm zurück. An der Frontfläche 12 sind der Strahlengang 19 der umlaufenden Leistung in dem Strahl-cleanup-Arm 18 und der Strahlengang 23 in dem Arm zur passiven Einkopplung 22 symmetrisch um je einen Winkel Alpha von der Oberflächennormalen 16 der Vorderfläche 14 weggedreht, wobei der Winkel in Abhängigkeit vom verwendeten Laserdiodentyp Werte zwischen zwei (2) und fünf (5) Grad annimmt.
Wenden wir uns nun dem Arm zur passiven Ankopplung 22 zu, in dem der passive Resonator 24 die Ausgangsstrahlung von der Diode 11 als Intrakavitätsfeld speichert oder konzentriert, das für Anwendungen, wie z. B. nichtlineare Lichterzeugung oder Ramanspektroskopie, eingesetzt werden kann. Der passive Resonator 24 kann ein Ring- oder linearer Resonator sein. Die Ausgangsstrahlung der Großzonenlaserdiode 11 wird zum passiven Resonator 24 modenangepasst, und ein Teil des Intrakavitätsfelds im passiven Resonator wird über den Rückkopplungsweg 26 zur Diode zurückgeführt. Eine effektive Frequenzankopplung erfordert einen Rückkopplungsgrad, der ausreichend hoch ist, um die Halbleiterlaserdiode 11 zum Lasen in einer einzigen Frequenzmode zu zwingen. Die Großzonenlaserdiode 11 wird dann ihre Ausgangsfrequenz f&sub0; hinsichtlich einer maximalen Rückkopplung vom passiven Resonator 24 einstellen, wodurch sie ihre Frequenz an eine Resonanzfrequenz fR des passiven Resonators 24 koppelt. Eine effektive Frequenzankopplung ist gesichert, wenn bei beliebigen Veränderungen der Umgebungsbedingungen eine ausreichende Rückkopplungsleistung aufrechterhalten wird. Der Rückkopplungsgrad beeinflusst auch die räumliche Modenstruktur der Diode 11 und führt bis zu einem gewissen Grade zu einem Anwachsen der beugungsbegrenzten Ausgangsleistung der Diode.
Geeignete Optik und Kavitätsbauformen werden so vorgesehen, dass der Rückkopplungsweg der Leistung aus dem passiven Resonator zur Diode nicht zurück zum passiven Resonator führt. Damit werden Verluste beim Lauf der Rückkopplungsleistung durch den passiven Resonator vermieden, wodurch eine erhöhte Leistungsrückführung an das Verstärkungselement ermöglicht wird. Die Rückkopplungsgrade für die Laserdiode von Fig. 1, die entweder eine Breitzonendiode oder ein phasengesteuertes Diodenarray sein kann, liegen gewöhnlich zwischen 20 Prozent und 30 Prozent.
Wegen der Materialeigenschaften der Halbleiterlaserdiode kann es unvorteilhaft sein, zu viel Leistung aus dem passiven Resonator an die Laserdiode zurückzuführen. Über einem bestimmtem Rückkopplungsgrad kann die Rückkopplungsleistung einen feinstrukturierten Selbstfokussierungseffekt in der aktiven Zone der Laserdiode hervorrufen. Der feinstrukturierte Selbstfokussierungseffekt, der auch als "Fadenbildung" bekannt ist, reduziert den Betrag der beugungsbegrenzten Ausgangsstrahlung der Laserdiode und wirkt sich dadurch nachteilig auf die Modenanpassung zwischen der Laserdiode und dem passiven Resonator aus. Der feingliedrige Selbsfokussierungseffekt setzt somit eine natürliche obere Schranke für den Rückkopplungsleistungspegel. Diese obere Schranke hängt von der Struktur der verwendeten Halbleitervorrichtung ab. Für eine Breitzonenlaserdiode kann die obere Schranke für den Rückkopplungsgrad bei etwa 30 Prozent liegen. Für einen Trapezverstärker kann wegen der kleinen Abmessung am schmalen Ende seiner aktiven Zone ein Rückkopplungsgrad von fünf (5) Prozent ausreichen, um eine Fadenbildung hervorzurufen.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Festkörperlasers gemäß vorliegender Erfindung, in dem die Bauform der linearen Kavität von Fig. 1 verwendet wird. Die Diode 30 in Fig. 2 ist entweder eine Breitzonendiode oder ein phasengesteuertes Diodenarray, wobei der Diodenübergang in einer Ebene parallel zur Zeichenebene liegt. Die Vorderfläche 32 der Laserdiode 30 ist entspiegelt (AR). Auf der rückwärtigen Fläche 34 der Diode ist eine Schicht mit einem hohen Reflexionsvermögen bei der Laserfrequenz aufgebracht. Da die Ausgangsstrahlung der Diode 30 in der Ebene senkrecht zum Übergang rasch divergiert, wird eine Linse 36 mit einer kurzen Brennweite und einer hohen numerischen Apertur verwendet, um die Ausgangsstrahlung der Diode 30 zu fokussieren. In der Richtung parallel zum Übergang wird eine Zylinderlinse 38 mit einer größeren Brennweite (üblicherweise mehr als 50 mm) zum Kollimieren der Diodenausgangsstrahlung verwendet.
Ein Abtastspiegel mit hohem Reflexionsvermögen 40 wird zur Strahlteilung in Richtung parallel zum Übergang der Diode 30 Verwendet. Etwa die Hälfte des Strahls wird durch den Spiegel 40 durch ein Gitter 42 zu einem Raumfilter 44 reflektiert. Das Raumfilter 44 in Fig. 2 ist ein Neunzig (90)-Grad- Reflexionsprisma, wie es in dem Goldberg-Zitat beschrieben ist. Der beugungsbegrenzte Anteil des Strahls aus der Diode wird auf den Scheitel des Prismas 44 fokussiert. Das Prisma 44 lenkt alle die Strahlen seitlich ab, die nicht auf den Scheitel des Prismas auftreffen, und reflektiert mit relativ geringen Verlusten nur den Anteil des Strahls zur Diode 30 zurück, welcher der beugungsbegrenzten Mode entspricht. Das Raumfilter 44 zwingt somit die Diodenemission in eine fast beugungsbegrenzte Mode. Wahlweise kann eine Blende (nicht dargestellt) zwischen der Diode 30 und dem Gitter 42 angeordnet werden, um zu verhindern, dass Laserlicht außerhalb der fast beugungsbegrenzten Mode durch das Raumfilter zurück zum Diodenlaser reflektiert wird. Das Gitter 42 erfüllt die Funktion der Wellenlängenselektion. In der bevorzugten Ausführungsform hat das 42 Gitter 1200 Striche/mm.
Der passive Resonator 50 in Fig. 2 ist eine Ringkavität, die durch zwei ebene Spiegel 51, 52 und zwei gekrümmte Spiegel 53, 54 festgelegt ist. Zur Modenanpassung der nahezu beugungsbegrenzten Ausgangsstrahlung der Diode 30 an die fundamentale räumliche Mode des passiven Ringresonators 50 wird eine Zylinderlinse 46 verwendet. Die Gestalt des Resonators und sein Abstand zu der kurzbrennweitigen Zylinderlinse 36 sowie dem Ringresonator 50 sind so gewählt, dass die Mode der Diodenausgangsstrahlung an die TEM&sub0;&sub0;-Mode des Resonators 50 in der Richtung senkrecht zum Diodenübergang angepasst ist.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die Transmission des Einkoppelspiegels 51 des Ringresonators 50 impedanzangepasst zur Resonatorkavität, d. h., die Transmission des Spiegels 51 ist gleich der Summe anderer Umlaufverluste der Resonatorkavität. Die Verluste im passiven Resonator 50 können durch Absorption, Streuung, nichtlineare Verluste und die Transmission anderer optischer Elemente im Resonator hervorgerufen werden. Die anderen Resonatorspiegel 52-54 haben ein hohes Reflexionsvermögen bei der Diodenwellenlänge.
Ein Teil der Intrakavitätsleistung im Ringresonator 50 wird zur Diode 30 rückgekoppelt, indem eine reflektierende Oberfläche 57 in einer der Taillen des Intrakavitätsfeldes im Ringresonator 50 angeordnet wird. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die reflektierende Oberfläche 57 in der bevorzugten Ausführungsform eine unbeschichtete Oberfläche 57 eines eingeschmolzenen Siliziumkeils 56. Die andere Seite 58 des Keils 57 ist bezüglich der Diodenwellenlänge entspiegelt, um die Verluste für das Interkavitätsfeld zu minimieren. Bei Resonanz erzeugt die Reflexion ander reflektierenden Oberfläche 57 im Ringresonator 50 die in Gegenrichtung umlaufende Mode. Ein Teil der gegenläufigen Mode wird durch den Einkoppelspiegel 51 hindurchgelassen und durch die Linsen 46, 38 und 36 auf die Diode 30 abgebildet. Durch Verwendung desselben Systems von Linsen 46, 38, 36 zur Modenanpassung der Diodenausgangsstrahlung an den passiven Resonator sowie zur Abbildung der Rückkopplungsleistung auf die Diode werden die Anzahl der Bauteile und die Kosten des Lasers minimiert.
Fig. 3 ist eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Großzonenlaserdiode, welche die lineare Kavitätsbauform von Fig. 1 und einen linearen passiven Resonator einschließt. Der Übergang der Diode 60 in Fig. 3 liegt in einer Ebene parallel zur Zeichenebene. Eine sphärische Linse 66 mit einer kurzen Brennweite wird verwendet, um die Diodenausgangsstrahlung in der Richtung senkrecht zum Diodenübergang auf das Raumfilter 72 und auf den ebenen Einkoppelspiegel 82 des passiven Resonators 80 zu fokussieren, die beide in derselben optischen Entfernung vom sphärischen Spiegel 66 angeordnet sind. Eine Zylinderlinse 68 wird zur Kollimation des Strahls in Richtung parallel zum Übergang eingesetzt.
Das Raumfilter 72 in Fig. 3 ist ein "Spiegel", der aus einem dünnen reflektierenden Goldstreifen 73 auf einem ebenen Substrat mit hoher Durchlässigkeit 74 besteht; er ist vom Typ des räumlichen cleanup-Filters, das in dem zitierten Verfahren von Chang-Hasnain verwendet wurde. Der Streifen 73 ist in die Richtung senkrecht zum Diodenübergang orientiert und so angeordnet, dass der beugungsbegrenzte Strahl, der von der Diode 60 unter einem Winkel von zwei (2) bis fünf (5) Grad zur Flächennormalen der Vorderfläche 62 ausgeht, auf den Streifen 73 abgebildet wird. Der genaue Winkel ist in Abhängigkeit von der verwendeten spezifischen Diodenstruktur variabel. Die Breite des Streifens 73 wird so gewählt, dass der beugungsbegrenzte Anteil des Strahls in einem relativ hohen Grade (mehr als 75 Prozent) reflektiert wird, während die höheren Moden durch den Spiegel hindurchgelassen werden. Durch Rückführung lediglich des beugungsbegrenzten Anteils des Strahls zur Diode 60 wird die beugungsbegrenzte Emission aus der Diode verstärkt.
In dem Arm der Laserkavität zur passiven Ankopplung wird eine sphärische Linse 76 für die räumliche Modenanpassung der nahezu beugungsbegrenzten Ausgangsstrahlung der Diode 60 an die fundamentale Transversalmode des passiven Resonators 80 in der Richtung parallel zum Diodenübergang verwendet. Um das vom Einkoppelspiegel 82 des linearen passiven Resonators 80 rückreflektierte Licht zu blockieren, wird ein Faraday-Isolator 78 zwischen der sphärischen Linse 76 und dem Einkoppelspiegel 82 angeordnet. Eine derartige unidirektionale Vorrichtung, die oft als optische Diode bezeichnet wird, wird in der Ausführungsform von Fig. 2 nicht benötigt, da die Rückreflexion vom Einkoppelspiegel 51 des Ringresonators 50 nicht auf die Diode 30 zurück gerichtet ist.
In der Fig. 3 wird das Licht nach Durchlaufen des passiven Resonators 80 zur Laserdiode 60 zurückgeführt, um die Frequenz f&sub0; der optischen Strahlungen aus der Laserdiode an die Resonanzfrequenz fR des passiven Resonators anzukoppeln. Der vollständige Rückkopplungsweg umfasst ein Reflexionsprisma 86, ein λ/2- Plättchen 88, einen Strahlteiler 79, den Faraday-Isolator 78 und die Linsen zur Modenanpassung sowie Fokussierung 76, 68 und 66. Das λ/2-Plättchen 88 dreht die Polarisation des Rückkopplungslichts um 90 Grad, so dass es den Faraday- Isolator 78 durchlaufen kann. Das Reflexionsprisma 86 ist ein Beugungslängenkompensator, der die Aufgabe erfüllt, die Länge des Beugungsweges zwischen dem Strahlteiler 79 und dem Auskoppelspiegel 86 gleich der Länge des Beugungsweges zwischen dem Strahlteiler 79 und dem Einkoppelspiegel 82 zu machen. Durch das Angleichen der Weglängen kann das Licht, das den passiven Resonator 80 durchlaufen hat, durch dasselbe System von Linsen 66, 68 und 76 auf die Diode 60 abgebildet werden, das zur Modenanpassung der Diodenausgangsstrahlung auf den passiven Resonator 80 verwendet wird.
Die Transmission des Einkoppelspiegels 82 in Fig. 3 ist so gewählt, dass sie den Verlusten in der Resonatorkavität 80 angepasst ist. Die Transmission des Einkoppelspiegels 82 liegt gewöhnlich bei etwa fünf (5) Prozent. Die Transmission des Auskoppelspiegels 84 liegt gewöhnlich zwischen drei (3) und fünf (5) Prozent. Fig. 3 zeigt auch ein wahlweise verwendbares doppelbrechendes Filter 89, das im passiven Resonator zur Wellenlängenselektion angeordnet ist.
Fig. 4 ist eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform, welche die lineare Kavitätsbauform und einen linearen passiven Resonator mit einem nichtlinearen Kristall darin umfasst, mit dem eine Summenfrequenz- Ausgangsstrahlung realisiert werden soll. In dieser Ausführungsform ist die Diode 90 eine Breitzonendiode mit einer Wellenlänge der Ausgangsstrahlung nahe 810 nm. Die Vorderfläche 92 der Breitzonendiode 90 ist für 810 nm entspiegelt, während die Rückfläche 94 bei derselben Wellenlänge stark reflektiert. Das Raumfilter 104 ist ein 90 Grad-Dachkant-Reflexionsprisma wie das in Fig. 2 dargestellte.
In Fig. 4 wird die Ausgangsstrahlung der Diode 90 zum Resonanzpumpen eines Summenfrequenzlasers auf der Basis von Nd : YAG verwendet. Der passive Resonator 110 enthält eine 0,5 mm-Scheibe 112 aus 0,2 Prozent dotiertem Nd : YAG-Kristall und einen sphärischen Auskoppelspiegel 118. Für den nichtlinearen Prozess der Frequenzsummation ist ein KTP-Kristall 116 im passiven Resonator 110 angeordnet. Die Eingangsfläche 113 des Nd : YAG-Kristalls 112 ist mit Hinblick auf ein hohes Reflexionsvermögens bei 1064 nm beschichtet und hat eine Transmission von etwa 5 Prozent bei 810 nm. Die Intrakavitätsoberfläche 114 der Nd : YAG-Scheibe 112 und der zwei Oberflächen des KTP-Kristalls 116 sind sowohl für 810 nm als auch 1064 nm entspiegelt. Der Auskoppelspiegel 118 ist für ein hohes Reflexionsvermögen bei 810 nm und 1064 nm sowie für eine hohe Transmission bei 459 nm beschichtet. Der Auskoppelspiegel 118 und die Eingangsfläche 113 des Nd : YAG-Kristalls 112 legen somit eine passive Kavität für das 810 nm-Licht fest, während sie zur gleichen Zeit die Laserkavität für das 1064 nm-Licht bilden, das durch den Nd : YAG-Kristall 112 erzeugt wird.
Eine Kollimatorlinse 96 mit einer kurzen Brennweite wird verwendet, um die Diodenausgangsstrahlung in Richtung senkrecht zum Diodenübergang sowohl auf das Raumfilter 104 als auch auf den Einkoppelspiegel 113 des passiven Resonators zu fokussieren. Eine Zylinderlinse 98 wird zur Kollimation des Strahls in Richtung parallel zum Übergang eingesetzt. Ein halbdurchlässiger Spiegel 100 wird zum Teilen des Strahls in zwei gleiche Hälften verwendet. Eine Strahlhälfte wird durch das Gitter 102 zum Raumfilter 104 reflektiert. Das Gitter 102 zwingt als Wellenlängenselektor die Diode, in einer Wellenlänge zu lasen, die gut durch die Nd : YAG-Scheibe 112 absorbiert wird. Die zweite Hälfte der Diodenausgangsstrahlung durchläuft einen Faraday-Isolator 106, dessen Ausgangspolarisator entfernt wurde, und ein λ/2-Plättchen 108, bevor es in der Richtung parallel zum Diodenübergang mittels Zylinderlinse 109 auf die Nd : YAG- Scheibe 112 fokussiert wird.
Im Betrieb wird die Polarisation des Eingangsstrahls des passiven Resonators 110 mit dem λ/2-Plättchen 108 so eingestellt, dass sie zu keiner der Kristallachsen des KTP Kristalls 116 korrespondiert. Wenn der Eingangsstrahl nicht resonant ist zu einer der beiden Polarisationsrichtungen des passiven Resonators 110, dann hat das vom passiven Resonator reflektierte Licht dieselbe Polarisation wie der Eingangsstrahl und wird durch den Faraday-Isolator 106 gedämpft. Wenn eine der beiden Polarisationen resonant ist, dann enthält das reflektierte Licht Polarisationskomponenten, die orthogonal zum Eingangsstrahl sind. Diese Komponenten werden durch den Faraday-Isolator 106 ungedämpft hindurchgelassen und auf die Laserdiode 90 zurück abgebildet, um die Diodenfrequenz an die Kavität anzukoppeln. Der KTP-Kristall 116 in der Kavität fügt das von der Nd : YAG Scheibe 112 erzeugte 1064 nm-Licht und das Intrakavitätsfeld von 810 nm im Resonator 110 zusammen, um 495 nm-Licht zu erzeugen, das durch den Auskoppelspiegel 118 hindurchläuft.
Im Unterschied zu der in den Fig. 1-4 eingesetzten linearen Kavitätsbauform wird in den in Fig. 5-10 dargestellten Ausführungsformen eine Ringkavitätsbauform mit den der vorliegenden Erfindung entsprechenden Verfahren zur passiven Ankopplung der Frequenz f&sub0; einer Großzonenlaserdiode an eine Resonanzfrequenz fR eines passiven Resonators verwendet. Zwei Typen von Ringkavitätsbauformen sind dargestellt. Im ersten Typ, der in den Fig. 5-7 dargestellt ist, tritt die in der Ringkavität umlaufende Laserleistung in die Großzonendiode durch dieselbe Fläche ein und aus. Da das umlaufende Feld bei jedem Umlauf durch die Ringkavität die Diode zweimal durchläuft, wird ein Laser mit diesem Typ einer Laserkavitätsbauform im Weiteren als Zweidurchlauf-Ringlaser bezeichnet. Ein Laser des zweiten Bauformtyps, der in den Fig. 8-10 dargestellt ist, wird als Eindurchlauf-Ringlaser bezeichnet, da das umlaufende Laserfeld bei jedem Umlauf die Diode ein einziges Mal durchläuft, wobei es in die Diode durch eine Fläche ein- und durch die andere Fläche austritt.
Fig. 5 ist ein stark schematisches Schaubild eines erfindungsgemäßen Festkörperlasers, in dem eine Zweidurchlauf-Ringkavitätsbauform eingesetzt wird. Die Laserdiode 140 ist eine nichttrapezförmige Großzonendiode, wie z. B. eine Breitzonendiode oder ein phasengesteuertes Diodenarray. Die Rückfläche 144 der Laserdiode 140 ist für ein hohes Reflexionsvermögen bei der Laserfrequenz beschichtet. Die Vorderfläche 142 ist zur Minimierung der Reflexion bei der Laserfrequenz entspiegelt. Die erweiterte Laserringkavität ist durch die Rückfläche 144 und die Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen 148, 156 festgelegt. Das umlaufende Feld in der Kavität wird durch eine unidirektionale Vorrichtung 150 gezwungen, entlang des Weges 157 in eine Richtung zu laufen. Ein passiver Resonator 154 ist in dem Weg des umlaufenden Feldes in der Ringkavität angeordnet. Das durch den passiven Resonator 154 hindurchgelassene Licht wird zur Laserdiode 140 zurückgeführt, wodurch die Frequenz f&sub0; der Diode 140 an eine Resonanzfrequenz fR des passiven Resonators 154 angekoppelt wird.
Wie in Fig. 5 dargestellt ist, tritt die umlaufende Leistung unter einem kleinen Winkel β gegenüber der Oberflächennormalen 146 in die Vorderfläche 142 der Diode 140 ein. Das umlaufende Feld wird durch die Rückfläche 144 rückreflektiert und verlässt die Diode 140 durch die Vorderfläche 142 unter einem Winkel in Bezug auf die Oberflächennormale, der gleich dem Einfallswinkel β ist. Der Winkel β liegt in Abhängigkeit von der jeweiligen Diodenstruktur zwischen zwei (2) und fünf (5) Grad. Dieser Winkel ist wesentlich, um eine Einmoden-Ausgangsstrahlung aus der Laserdiode 140 zu erhalten. Diese Konfiguration des von der Normale abweichenden Einfalls zum Strahl-cleanup ist im US Patent 4,905,252 von Goldberg et al. beschrieben.
Fig. 5 zeigt ebenfalls ein Raumfilter 152 zur Steuerung der räumlichen Mode des Strahls in der Ringlaserkavität. Das Raumfilter 152 ist mit einer gestrichelten Linie dargestellt, um seine wahlweise Verwendung anzuzeigen. Ein Raumfilter ist wahlweise einzusetzen, da gemäß vorliegender Erfindung eine geeignet gestaltete Resonatorkavität sowohl als Raumfilter als auch als Spektralfilter wirken kann. Wenn die Kavität des passiven Resonators 154 nicht entartet ist, dann haben die unterschiedlichen resonanten Transversalmoden unterschiedliche Frequenzen. Im Ergebnis ist es möglich, die Diodenausgangsstrahlung zu einem Zeitpunkt an nur eine der Transversalmoden modenanzupassen. Wenn die Überlappung zwischen dem umlaufenden Laserfeld und der Fundamentalmode des Resonators 154 größer ist als mit einer der anderen Resonatormoden höherer Ordnung, dann wird das Laserfeld an die Fundamentalmode angekoppelt. Auf dies Weise kann die passive Kavität die räumliche Mode des umlaufenden Laserfelds räumlich filtern.
Die Wellenlängenselektion ist in dieser Bauform ebenfalls wahlfrei. Eine Wellenlängenselektion kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden. Zum Beispiel kann zur Wellenlängenselektion einer der Spiegel mit einem hohen Reflexionsvermögen 148, 156 durch ein Gitter mit gewöhnlich 1200 Strichen/mm ersetzt werden. Das bevorzugte Verfahren zur Wellenlängenselektion besteht in der Verwendung eines doppelbrechenden Filters (in Fig. 5 nicht dargestellt), das im passiven Resonator als Wellenlängenselektor eingesetzt wird. Für doppelbrechende Filter sind geringe Transmissionsverluste charakteristisch, die gewöhnlich eine Größenordnung unter denen von Beugungsgittern liegen. Ihre geringen Transmissionsverluste gestatten es, dass mehr Licht vom Resonator zur Diode rückgeführt wird. Da die Außerbandverluste für ein doppelbrechendes Filter oft nicht so hoch sind wie die eines Gitters, kann ein doppelbrechendes Filter bei Verwendung außerhalb der Resonatorkavität kein effektiver Wellenlängenselektor sein. Bei einem Einbau des Filters in den Resonator wird die Effektivität der Außerbandunterdrückung erhöht, weil das Intrakavitätsfeld im Resonator das Filter mehrere Male durchläuft.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer besonderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Festkörperlasers, der die erweiterte Zweidurchlauf- Ringkavitätsbauform, die allgemein in Fig. 5 dargestellt ist, enthält. Die Vorderfläche 162 der Diode 160 ist entspiegelt, und die Rückfläche 164 ist hinsichtlich eines hohen Reflexionsvermögens beschichtet. Ein Faraday-Isolator 182 wird als unidirektionale Vorrichtung verwendet, um das umlaufende Laserfeld zum Umlauf in eine Richtung zu zwingen. Der passive Resonator 175 ist eine Ringkavität, die durch zwei ebene Spiegel 176, 177 und zwei Konkavspiegel 178, 179 gegeben ist.
Eine gutkorrigierte sphärische Kollimatorlinse 166 wird zur Fokussierung der Ausgangsstrahlung der Diode 60 in Richtung senkrecht zum Diodenübergang auf eine Taille verwendet, die mit der Taille des passiven Ringresonators 175 zusammenfällt. In der Richtung parallel zum Diodenübergang erzeugt diese Linse ein Bild in einem kleinen Abstand hinter der Linse, und von diesem Punkt aus divergiert das Licht. Deshalb wird eine Zylinderlinse verwendet, um den Strahl in dieser Richtung auf einen Punkt zu fokussieren, der mit der Taille des passiven Ringresonators 175 zusammenfällt. Ein halbdurchlässiger Spiegel 170, der hinter der Zylinderlinse 168 angeordnet ist, richtet einen Teil (üblicherweise nahezu 50 Prozent) des Strahls auf einen ebenen Spiegel hohen Reflexionsvermögens 174, während der verbleibende Anteil des Strahls durch den halbdurchlässigen Spiegel 170 hindurchläuft und durch die unidirektionale Vorrichtung 182 gedämpft wird.
Der passive Ringresonator 175 ist so gestaltet, dass die große Taille seiner Resonanzmode, die sich zwischen den beiden ebenen Spiegeln 176, 177 befindet, mit der durch die Linsen 166 und 168 erzeugten Taille zusammenfällt und etwa die gleiche Größe hat. Die durch die Spiegel 170,174 und 180 gebildete erweiterte Laserkavität ist in der Art ausgerichtet, dass das durch den passiven Resonator 175 hindurchlaufende Licht zurück auf die Vorderfläche 162 der Diode 160 mit dem korrekten Einfallswinkel abgebildet wird, um die beugungsbegrenzte Ausgangsleistung der Vorrichtung zu maximieren.
Es ist bevorzugt, dass der Einkoppelspiegel 176 des passiven Resonators 175 eine Transmission aufweist, die zur Summe der anderen Verluste in der Resonatorkavität impedanzangepasst ist. Die Wellenlängenselektion, die in der Ausführungsform von Fig. 6 wahlweise ausführbar ist, kann ausgeführt werden, indem einer der ebenen Spiegel 174, 180 durch ein Gitter ersetzt wird, für das eine Strichdichte von 1200/mm und eine Beugungseffizienz von mehr als 60 Prozent für die interessierende Wellenlänge typisch sind. Alternativ kann die Wellenlängenselektion auch durch Einsetzen eines doppelbrechenden Filters in den passiven Ringresonator 175 geschehen.
Fig. 7 zeigt schematisch eine Ausführungsform, die sehr ähnlich zu der von Fig. 6 ist, jedoch einen linearen passiven Resonator 205 aufweist. In diesem Fall kann das Licht von der Diode 190 direkt durch den Einkoppelspiegel 206 des linearen Resonators 205 auf die Diode zurückreflektiert werden, wenn es nicht blockiert wird. Damit der Ringlaser unidirektional arbeiten kann, sind zwei optische Isolatoren 204 und 212, die auf den gegenüberliegenden Seiten der Resonatorkavität 205 angebracht sind, erforderlich, um das umlaufende Laserfeld zur Bewegung in eine Richtung zu zwingen.
Fig. 8 ist eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Großzonenlaserdiode mit Eindurchlauf-Ringkavitätsbauform, die passiv an eine Resonanzfrequenz fR eines passiven Resonators angekoppelt ist. Der Laser hat eine Ringkavität, die durch die vier Spiegel 226 bis 229 festgelegt ist. Das umlaufende Laserfeld in der Ringlaserkavität wird durch eine unidirektionale Vorrichtung 234 gezwungen, den Weg 225 in einer Richtung zu durchlaufen. Das umlaufende Laserfeld tritt durch die Eingangsfläche 222 in die Laserdiode 220 ein und verlässt sie durch die Ausgangsfläche 224. Die Ausgangsstrahlung aus der Laserdiode 220 wird in einen passiven Resonator 230 geführt, der im Wege des umlaufenden Laserfeldes angeordnet ist. Das durch den passiven Resonator 230 durchgelassene Licht wird an die Laserdiode 220 zum Ankoppeln zurückgeführt.
Beide Flächen 222 und 224 der Laserdiode 220 sind zur Minimierung der Reflexion entspiegelt. Eine alternative Methode zum Reduzieren der Reflexionseffekte von den Flächen 222 und 224 besteht darin, die Laserdiode 220 so herzustellen, dass die Flächen 222 und 224 nicht senkrecht auf der Transmissionsachse der Laserdiode stehen. Dadurch haben die von den Flächen reflektierten Lichtstrahlen nicht die Richtung des umlaufenden Laserfelds.
Ähnlich wie bei der Zweidurchlauf-Ringbauform in Fig. 5 ist die Wellenlängenselektion in der in Fig. 8 dargestellten Eindurchlauf-Ringbauform wahlfrei. Sie kann z. B. erreicht werden, indem einer der Spiegel 226 bis 229 durch ein Gitter (nicht dargestellt) ersetzt wird oder indem ein doppelbrechendes Filter (nicht dargestellt) in dem passiven Resonator 230 angeordnet wird. Fig. 8 zeigt auch ein wahlweise einsetzbares Raumfilter 232 zum Strahl-cleanup.
Die Eindurchlauf-Ringbauform in Fig. 8 hat einen bedeutenden Vorteil gegenüber der Zweidurchlauf-Bauform, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. In der Zweidurchlauf-Konfiguration läuft das Laserfeld durch dieselbe Fläche in die Diode ein und aus. Selbst wenn ein kleiner Winkel den ein- und auslaufenden Strahl voneinander trennt, kommt es zur Interferenz zwischen den beiden Strahlen, was zu einem Effekt führt, der gewöhnlich als "Raumlochbrennen" bezeichnet wird. Das Raumlochbrennen erzeugt ein Brechungsindexgitter im aktiven Medium, durch das Licht aus dem Eingangsstrahl heraus gestreut wird und das die Leistung reduziert, die aus der Laserdiode in einer beugungsbegrenzten Mode erhalten werden kann. In der Eindurchlauf-Ringkonfiguration durchläuft die umlaufende Laserleistung die Großzonendiode mit den entspiegelten Flächen in nur einer Richtung, weshalb sich der Effekt des Raumlochbrennens nicht zeigt. Ein Großzonendiodenlaser in der Eindurchlauf-Konfiguration kann deshalb eine größere beugungsbegrenzte Ausgangsleistung erzeugen.
Fig. 9 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Eindurchlauf- Ringlaserbauform von Fig. 8. Die Laser-Ringkavität wird mit den hochreflektierenden Spiegeln 256-258 und einem Gitter 259 gebildet. Die unidirektionale Vorrichtung 254 ist eine Kombination eines Faraday-Rotators und eines λ/2-Plättchens. Der passive Resonator 260 wird mit den beiden ebenen Spiegeln 262, 263 und den beiden Konkavspiegeln 264, 265 gebildet. Eine Kollimatorlinse 245 und eine Zylinderlinse 248 sind an der Ausgangsseite der Diode 240 angeordnet, um die Diodenausgangsstrahlung auf eine kreisförmige Taille zu fokussieren, die mit der Taille des passiven Ringresonators 260 zusammenfällt. Die Kollimatorlinse 251 und die Zylinderlinse 252 an der Eingangsseite der Diode 240 sind zur Abbildung des Lichts, das den passiven Resonators 260 durchlaufen hat, auf die Diode zurück vorgesehen.
Die Transmission des Einkoppelspiegels 262 des passiven Resonators 260 ist zu den Verlusten im Resonator impedanzangepasst. Der Auskoppelspiegel 263 hat eine Transmission, die einen ausreichenden Rückkopplungsgrad zur Laserdiode 240 erlaubt. Die Laserdiode, die in der in Fig. 8 und 9 dargestellten Eindurchlauf- Ringbauform verwendet wird, kann eine Breitzonenlaserdiode, ein phasengesteuertes Diodenarray oder eine Laserdiode mit einer trapezförmigen aktiven Region sein. Der für eine Ankopplung der Laserdiode an den passiven Resonator benötigte Rückkopplungsgrad liegt gewöhnlich bei 20 bis 30 Prozent für eine Breitzonendiode oder ein phasengesteuertes Array und bei zwei (2) bis fünf (5) Prozent für einen Trapezverstärker.
Um eine Trapezdiode als Verstärkungselement zu nutzen, müssen verschiedene Abbildungsoptiken an beiden Seiten der Trapezdiode verwendet werden. Insbesondere unterscheidet sich die Optik, die zum Modenanpassen des Lichts beim Verlassen der Ausgangsfläche der Trapezdiode benötigt wird, von derjenigen zum Fokussieren des Lichts auf die Eingangsfläche der Trapezdiode nach Durchlaufen des passiven Resonators.
Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform eines Lasers mit der Eindurchlauf- Ringbauform von Fig. 8 und mit einem Trapezverstärker als Verstärkungselement. In einer Experimentieranordnung unter Verwendung der Ausführungsform von Fig. 10 hat der Anmelder eine Verstärkungselementanlage 270 verwendet, die einem abstimmbaren Diodenlasergerät hoher Leistung entnommen war, das von der SDL Inc., 80 Rose Orchard Way, San Jose, California 95134 (Katalog Nr. SDL-8630) erhältlich ist. Diese Verstärkungselementanlage 270 umfasst sowohl einen Trapezverstärker 280 als Verstärkungselement als auch andere optische Elemente 271 bis 275. Die Wellenlänge des vom Trapezverstärker 280 erzeugten Lichts ist etwa 845 nm. Die optischen Elemente 271 bis 275 in der Verstärkungselementanlage 270 werden zur Anfangskollimation und zur Strahlformung des aus dem Trapezverstärker 280 austretenden Lichts eingesetzt. Das aus dem breiten Ende 277 des Trapezverstärkers 280 austretende Licht wird durch eine sphärische Linse 272 mit einer großen numerischen Apertur (gewöhnlich mehr als 0,5) in die Richtung senkrecht zum Diodenübergang des Trapezverstärkers kollimiert. Diese Linse 272 fokussiert auch die Ausgangsstrahlung des Trapezverstärkers 280 in der Ebene senkrecht zum Diodenübergang an einem Spalt 273, der als ein Raumfilter dienen kann. Der Spalt 273 war in der in der Laseranlage 270 enthalten, ist jedoch in der in Fig. 10 dargestellten Ausführungsform nicht nötig, um die passive Ankopplung des Trapezverstärkers 280 zu bewirken. Zwei Zylinderlinsen 274, 275 bilden ein in der Ebene parallel zum Übergang wirksames Zylinderteleskop, welches das Licht nach Durchlaufen des Spaltes 273 kollimiert.
In Fig. 10 wird die Ringlaserkavität durch die Spiegel 281, 285, 288, 290, 314 und 316 festgelegt, wobei alle Spiegel ein hohes Reflexionsvermögen bei der Ausgangswellenlänge des Trapezverstärkers 280 aufweisen. Zwei Faraday- Isolatoren 281, 282 werden als unidirektionale Vorrichtungen verwendet, um das Laserlicht zum Umlauf in der Ringlaserkavität in nur einer Richtung zu zwingen. Diese beiden Faraday-Isolatoren gewährleisten auch einen Schutz des Trapezverstärkers 280 vor Beschädigungen durch Rückreflexionen von anderen optischen Elementen. Die Faraday-Isolatoren können z. B. ein NIRS, ein wellenlängenvariables Dämpfungsglied, sein (hergestellt von: Optics for Research, Box 82, Caldwell, New Jersey 07006). Ein 8 : 1 reduzierendes Teleskop 287 wird zur Reduktion des ursprünglichen Strahls verwendet, bevor eine Modenanpassungslinse 292 das umlaufende Laserfeld in einen passiven Resonator 300 abbildet. Der passive Resonator 300 in Fig. 10 ist eine Dreianschlag- Ringkavität, die drei Spiegel 301-303 enthält. Der Einkoppelspiegel 301 hat eine Transmission von 5 Prozent bei 845 nm, und der Auskoppelspiegel 303 hat eine Transmission von 3 Prozent. Der Spiegel 302 hat ein hohes Reflexionsvermögen bei derselben Wellenlänge. Die Reflexionswerte der Spiegel 301 bis 303 sind so gewählt, dass sie zu einem Intrakavitätsverlust von 2 Prozent passen, während sie eine maximale Leistungsübertragung von der passiven Kavität 300 ergeben, die über 50 Prozent liegt.
Das durch den passiven Resonator 300 übertragene Licht wird durch eine weitere Modenanpassungslinse 306 kollimiert, bevor es durch ein Teleskop 308 mit einer Vergrößerung von etwa 8 : 1 aufgeweitet wird. Ein variables Dämpfungsglied 310 ist hinter dem Teleskop 308 angeordnet. Das in der Ausführungsform in Fig. 10 verwendete variable Dämpfungsglied 310 ist erhältlich von Melles-Griot, 1770 Kettering St., Irvine; California 92714 (Katalog Nr. 03FDC003/D, Circular Linear- Wedge Neutral Density Filter). Wie oben beschrieben wurde, kann eine zu hohe Rückkopplungsleistung eine feinstrukturierte Selbstfokussierung in dem Halbleiterverstärkungselement hervorrufen. Das Dämpfungsglied 310 wird zur Einstellung der Rückkoppelamplitude auf einen optimalen Wert verwendet, der nicht zu hoch aber ausreichend ist, um den Trapezvestärker 280 passiv an den passiven Resonator 300 anzukoppeln.
Ein dielektrisches Spikefilter 312 mit einem Durchlassbereich bei 845 nm wird zur Einschränkung der Wellenlängenbandbreite der Emission des Trapezverstärkers 280 verwendet. Das Filter 312 in der Ausführungsform in Fig. 10 ist eine Spezialanfertigung von Research Electro-optics in Boulder, Colorado, und hat eine maximale Transmission von 95% sowie eine Leistungshalbwertsbreite von etwa 1 nm. Im Betrieb zwingt die Kombination der Transmissionsfunktionen des passiven Resonators 300 und des Spikefilters 312 den Trapezverstärker 280, seine Frequenz an eine Resonanzmode des passiven Resonators 300 anzukoppeln, die in der Nähe des Höchstwertes des Transmissionspeaks des Spikefilters 312 liegt.
Das vom passiven Resonator 300 durchgelassene Licht wird über das schmale Ende 276 zum Trapezverstärker 280 zurückgeführt. Ein anamorphotisches Prismenpaar 318 mit einem Strahlaufweitungsverhältnis von etwa 3 : 1 wird zwischen dem Spikefilter 312 und dem schmalen Ende 276 des Trapezverstärkers 280 angeordnet. Dieses Prismenpaar 318, das in der Ausführungsform In Fig. 10 eine wahlweise verwendbare Komponente ist, ist von Melles-Griot (Katalog Nr. 06- GPA004) erhältlich. Es wird verwendet, um die Modenanpassung des Durchsatzes des passiven Resonators 300 an die Mode des Trapezverstärkers 280 zu verbessern.
Wie von Fachleuten des Laserdesign anerkannt werden wird, repräsentieren die in den Fig. 2-4, 6, 7, 9 und 10 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung lediglich spezielle Ausführungsformen, in denen die erfindungsgemäßen Konzepte der passiven Ankopplung eines Großzonendiodenlasers an einen passiven Resonator verwendet werden. Es ist beabsichtigt, dass die Erfindung anderweitig als hier ausdrücklich beschrieben umgesetzt werden kann. Wie von Fachleuten anerkannt werden wird, können Konfigurationen der erweiterten Laserkavität, die sich von den hier dargestellten unterscheiden, verwendet werden, um in Übereinstimmung mit der Erfindung ein gleichzeitiges Strahlen-cleanup und passives Einkoppeln zu erreichen. Eine hohe Intrakavitätsleistung im passiven Resonator verbunden mit einer zufriedenstellenden Amplitudenstabilität ist so erreichbar, womit eine praktische und effiziente Lichterzeugung in nichtlinearen optischen Prozessen, wie z. B. der Erzeugung der zweiten Harmonischen, der Frequenzmischung und des Resonanzpumpens, ermöglicht wird. Folglich umfasst diese Erfindung alle Modifikationen, die im Rahmen der beigefügten Patentansprüche eingeschlossen sind.

Claims

1. Laser, der in Kombination umfasst: ein großzoniges, nichttrapezförmiges Halbleiterverstärkungselement (11) mit Vorderfläche (12) und Rückfläche (14) zur Erzeugung optischer Strahlung mit einer Frequenz f&sub0;, wobei die Vorderfläche ein relativ niedriges und die Rückfläche ein relativ hohes Reflexionsvermögen aufweisen; eine erweiterte lineare Kavität zur Erzeugung umlaufender Laserleistung aus der vom Verstärkungselement erzeugten optischen Strahlung, wobei die umlaufende Laserleistung unter vorgegebenen Winkeln bezüglich der Oberflächennormalen (16) durch die Vorderfläche (12) in das Verstärkungselement ein- und aus ihm austritt; ein Raumfilter (20), mit dem das Verstärkungselement gezwungen wird, die optische Strahlung in einem nahezu beugungsbegrenzten Strahl zu emittieren; ein passiver Resonator (24) zur Konzentration der umlaufenden Laserleistung bei einer Resonanzfrequenz fR als Resonatorleistung innerhalb des passiven Resonators; eine optische Kopplung zum Einführen der optischen Strahlung aus dem Verstärkungselement in den passiven Resonator; und ein Rückkopplungsweg (26) zur Rückführung eines Teils der Resonatorleistung im passiven Resonator an das Halbleiterverstärkungselement, wobei der an das Halbleiterverstärkungselement zurückgeführte Leistungsanteil von ausreichender Größe ist, um die Frequenz f&sub0; des Verstärkungselements an die Resonanzfrequenz fR des passiven Resonators anzukoppeln, so dass f&sub0; und fR im Wesentlichen gleich sind.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erweiterte lineare Kavität einen Strahl-cleanup-Arm (18), der das Raumfilter enthält, und einen Arm zur passiven Ankopplung (22), der den passiven Resonator enthält, umfasst, und dass die umlaufende Laserleistung zwischen den beiden Armen durch das Verstärkungselement hindurchläuft.

3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterverstärkungselement eine Breitzonenlaserdiode ist.

4. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterverstärkungselement ein Diodenarray ist.

5. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Resonator ein linearer Resonator (80; 110) ist.

6. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Kopplung und der Rückkopplungsweg mindestens ein Fokussierungselement (66; 68; 76) gemeinsam haben, das sowohl zur Modenanpassung der umlaufenden Laserleistung vom Verstärkungselement an den passiven Resonator als auch zur Modenanpassung der Rückkopplungsleistung vom passiven Resonator an das Verstärkungselement dient, und der Rückkopplungsweg ein Beugungslängen- Kompensationselement (86) enthält, mit dem die Beugungslänge vom passiven Resonator zum Fokussierungselement entlang des Rückkopplungsweges gleich der Beugungslänge vom Fokussierungselement zum passiven Resonator entlang des optischen Kopplungsweges gemacht wird.

7. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Resonator ein Ringresonator (50) ist.

8. Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungsweg eine im passiven Ringresonator angebrachte Oberfläche (57) zur Reflexion eines Teils der Resonatorleistung als Rückkopplungsleistung an das Verstärkungselement enthält.

9. Laser nach Anspruch 1, der ein im passiven Resonator angeordnetes doppelbrechendes Filter (89) zur Wellenlängenselektion enthält.

10. Laser, der in Kombination umfasst: ein großzoniges, nichttrapezförmiges Halbleiterverstärkungselement (140) mit Vorderfläche (142) und Rückfläche (144) zur Erzeugung optischer Strahlung mit einer Frequenz f&sub0;, wobei die Vorderfläche ein relativ niedriges und die Rückfläche ein relativ hohes Reflexionsvermögen aufweisen; eine erweiterte Ringkavität zur Erzeugung umlaufender Laserleistung aus der vom Verstärkungselement erzeugten optischen Strahlung der Frequenz f&sub0;, die entlang eines Umlaufweges durch die erweiterte Ringkavität umläuft; eine unidirektionale Vorrichtung (150), mit der die umlaufende Laserleistung zum Durchlaufen des Umlaufweges in nur einer Richtung gezwungen wird, wobei die umlaufende Laserleistung in das Verstärkungselement durch die Vorderfläche (142) unter einem Einfallswinkel zur Oberflächennormalen (146) eintritt und aus dem Verstärkungselement durch die Vorderfläche unter einem Ausfallswinkel zur Oberflächennormalen austritt, wobei Einfalls- und Ausfallswinkel nahezu gleich sind; ein im Umlaufweg angeordneter passiver Resonator (154) zur Konzentration der umlaufenden Laserleistung innerhalb des passiven Resonators; eine optische Kopplung im Umlaufweg zum Einführen der umlaufenden Laserleistung aus dem Verstärkungselement in den passiven Resonator; und Mittel zur Übertragung eines Teils der längs des Umlaufweges konzentrierten Leistung an das Halbleiterverstärkungselement, wobei der übertragene Anteil der konzentrierten Leistung von ausreichender Größe ist, um die Frequenz f&sub0; des Verstärkungselements an eine Resonanzfrequenz fR des passiven Resonators anzukoppeln, so dass die Frequenzen f&sub0; und fR im Wesentlichen gleich sind.

11. Laser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsmittel ein Auskoppelspiegel (177; 208) des passiven Resonators ist.

12. Laser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel der umlaufenden Laserleistung an der Vorderfläche des Verstärkungselements im Bereich zwischen zwei bis fünf Grad liegt.

13. Laser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterverstärkungselement eine Breitzonenlaserdiode ist.

14. Laser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterverstärkungselement ein phasengesteuertes Diodenarray ist.

15. Laser nach Anspruch 10, der ein im passiven Resonator angeordnetes doppelbrechendes Filter zur Wellenlängenselektion enthält.

16. Laser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumfilter in der erweiterten Ringkavität angeordnet ist, um die räumliche Modenanpassung an den passiven Resonator zu erhöhen.

17. Laser, der in Kombination umfasst: ein großzoniges Halbleiterverstärkungselement (220) mit einer ersten (222) und einer zweiten (224) Fläche zur Erzeugung optischer Strahlung mit einer Frequenz f&sub0;, wobei die erste und die zweite Fläche beide relativ geringe Reflexionsvermögen bei der Frequenz f&sub0; der optischen Strahlung aufweisen; eine erweiterte Ringkavität zur Erzeugung umlaufender Laserleistung aus der vom Verstärkungselement erzeugten optischen Strahlung, die entlang eines Umlaufweges durch die erweiterte Ringkavität umläuft; eine unidirektionale Vorrichtung (234) im Umlaufweg, mit der die umlaufende Laserleistung zum Durchlaufen der Ringkavität in nur einer Richtung gezwungen wird, wobei dis umlaufende Leistung in das Verstärkungselement durch die erste Fläche (222) eintritt und aus dem Verstärkungselement durch die zweite Fläche (224) austritt; ein im Umlaufweg angeordneter passiver Resonator (230) zur Konzentration der umlaufenden Laserleistung innerhalb des passiven Resonators; eine optische Kopplung im Umlaufweg zum Einführen der umlaufenden Laserleistung aus dem Verstärkungselement in den passiven Resonator; und Mittel zur Übertragung eines Teils der längs des Umlaufweges konzentrierten Leistung an das Halbleiterverstärkungselement, wobei der übertragene Anteil der konzentrierten Leistung von ausreichender Größe ist, um die Frequenz f&sub0; des Verstärkungselements an eine Resonanzfrequenz fR des passiven Resonators anzukoppeln, so dass die Frequenzen f&sub0; und fR im Wesentlichen gleich sind.

18. Laser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsmittel ein Auskoppelspiegel des passiven Resonators ist.

19. Laser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterverstärkungselement eine Breitzonenlaserdiode ist.

20. Laser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterverstärkungselement ein phasengesteuertes Diodenarray ist.

21. Laser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterverstärkungselement eine trapezförmige Verstärkungszone hat.

22. Laser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Fläche des Halbleiterverstärkungselements entspiegelt sind.

23. Laser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Fläche des Halbleiterverstärkungselements nicht senkrecht auf dem Weg der umlaufenden Laserleistung stehen, die das Verstärkungselement durchläuft.

24. Laser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Resonator ein Ringresonator ist.

25. Laser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Raumfilter (232) in der erweiterten Ringkavität angeordnet ist, um die räumliche Modenanpassung an den passiven Resonator zu erhöhen.