Halbleiterlaserprojekte

Untersuchung der Selbst-Modenkopplung in Halbleiterscheibenlasern (DFG)

Investigating Self-Mode-Locking in Semiconductor Disk Lasers (Research Projects)

Gepulste Halbleiterscheibenlaser ermöglichen die Entwicklung kompakter, kostengünstiger und robuster Femtosekundenlaser. Bisher wurde hierzu ein sättigbarer Absorber in den Resonatoraufbau implementiert, der das Modenkoppeln initiierte. Durch den in diesem Projekt genutzten Prozess der Selbstmodenkopplung von Halbleiterscheibenlasern entfällt die zusätzliche und kostenverursachende Herstellung eines sättigbaren Absorbers, der nur im angestrebten Wellenlängenbereich wirksam werden kann und die maximal mögliche Betriebsleistung darüber hinaus limitiert. Jedoch sind die Ursachen und Mechanismen, die zur Selbstmodenkopplung führen, zu entschlüsseln. Die auf nichtlinearen Effekten beruhende Selbstmodenkopplung wurde bereits für Halbleiterscheibenlaser mit Quantenfilm- oder Quantenpunkt-Verstärkungsmedium erfolgreich demonstriert, unter anderem durch das Projektteam gemeinsam mit Kooperationspartnern. Deshalb sollen laufende Forschungsvorhaben wichtige Untersuchungen am Lasersystem im erzielten Regime der Selbstmodenkopplung adressieren, die Rückschlüsse auf die verantwortlichen nichtlinearen Effekte im Halbleiterscheibenlaser erlauben und die Weiterentwicklung dieser Bauteile zu leistungsstarken, kosteneffizienten Ultrakurzpulslasern für die Forschung und für industrielle Anwendungen ermöglichen.

Anrege-Abfrage Experimente an der aktiven Region während des gepulsten Laserbetriebs können beispielsweise zeitaufgelöste Einblicke in die Dynamik des Verstärkungsmediums geben. Dies ist wichtig, um herauszufinden, inwieweit die Dynamik der Gewinnsättigung zu einem intensitätsabhängigen Brechungsindex führt, welcher Selbstphasenmodulation und Selbstfokussierung zur Folge hat.

Andere experimentelle Untersuchungen am Laserchip ermöglichen die direkte Messung des erwarteten Kerr-Linseneffektes. Wird eine intensitätsabhängige Linsenwirkung festgestellt, so können durch die eingesetzte optische Methodik Rückschlüsse auf den wirksamen nichtlinearen Brechungsindex gezogen werden.

Durch ergänzende Messungen kann zudem die Phaseninformation und der Charakter der gepulsten Emission untersucht und ein Hinweis auf den primären Mechanismus für die Modenkopplung erlangt werden. Ein erstmaliges und nachfolgend auch gereiftes Verständnis der tragenden Mechanismen sind für die Weiterentwicklung vertikalemittierender Laser mit externem Resonator, sogenannte VECSEL, für unterschiedliche spektrale Bereiche und zeitliche Pulslängen bei gleichzeitig hohen Ausgangsleistungen im Bereich mehrerer Watt bedeutsam. Erwartet werden von optimierten Bauteilen zukünftige Spitzenleistungen mit einigen Kilowatt und Pulsdauern von bis zu unter hundert Femtosekunden.

Insbesondere Dank des möglichen Wegfalls der sättigbaren Absorber im Resonatorsystem stehen schließlich durch Überwindung zuvor bestehender Limitationen Durchbrüche im Design kompakter, leistungsfähiger und kosteneffizienter VECSEL für Anwendungen wie die Multiphotonenmikroskopie, die Materialbearbeitung und die optische Spektroskopie bevor. Einen Rekord im Einzelphotonenfluß einer nichtklassischen Quantenpunktlichtquelle getrieben durch einen modengekoppelten Kurzpuls-VECSEL hält das Projektteam in Partnerschaft mit der AG Reitzenstein @TU Berlin.

Ansprechpartner und Projektleiter: Dr. Rahimi-Iman

In Kooperation mit Forschungsgruppen in Deutschland, Europa und den USA, u.a. mit VECSEL Gruppen an der Universität Stuttgart und in New Mexico.

Ausgewählte Publikationen mit Projektbezug:

1. C. Kriso, A. Barua, O. Mohiuddin, C. Möller, A. Ruiz-Perez, W. Stolz, M. Koch, A. Rahimi-Iman (2021): Signatures of a frequency-modulated comb in a VECSEL,
   Optica 8, 458–463 (https://doi.org/10.1364/OPTICA.418061 OpenAccess).
2. C. Kriso, T. Bergmeier, N. Giannini, A. Albrecht, M. Sheik-Bahae, S. Benis, S. Faryadras, E. Van Stryland, D. Hagan, M. Koch, G. Mette, A. Rahimi-Iman (2021): Probing the ultrafast gain and refractive index dynamics of a VECSEL,
   Appl. Phys. Lett. 119(19), 191105 (https://doi.org/10.1063/5.0061346 | accessible via preprint https://arxiv.org/pdf/2106.13664).
3. A. Rahimi-Iman (2021): Self-Mode-Locked Semiconductor Disk Lasers, Book Chapter in Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers: VECSEL Technology and Applications, 2nd edition, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim,
   Print ISBN 978-3-527-41362-1, (https://www.wiley.com/en-be/9783527413621)
4. C. Kriso, S. Kress, T. Munshi, M. Grossmann, R. Bek, M. Jetter, P. Michler,W. Stolz, M. Koch, A. Rahimi-Iman (2020): Wavelength and pump-power dependent nonlinear refraction and absorption in a semiconductor disk laser,
   Photonics Technology Letters 32(2), 85–88 (https://doi.org/10.1109/LPT.2019.2957875).
5. C. Kriso, S. Kress, T. Munshi, M. Großmann, R. Bek, M. Jetter, P. Michler, W. Stolz, M. Koch, A. Rahimi-Iman (2019): Microcavity-enhanced Kerr nonlinearity in a vertical-external-cavity surface-emitting laser,
   Opt. Express 27, 11914 (https://doi.org/10.1364/OE.27.011914 OpenAccess).
6. H. Guoyu, C. Kriso, F. Zhang, M. Wichmann, W. Stolz, K. A. Fedorova, A. Rahimi-Iman (2019): Two-chip power-scalable THz-generating semiconductor disk laser,
   Optics Letters 44(16), 4000–4003 (https://doi.org/10.1364/OL.44.004000 | accessible via preprint https://arxiv.org/pdf/2102.11406).
7. R. Bek, M. Großmann, H. Kahle, M. Koch, A. Rahimi-Iman, M. Jetter, P. Michler (2017): Self-mode-locked AlGaInP-VECSEL,
   Appl. Phys. Lett. 111, 182105 (https://doi.org/10.1063/1.5010689)
8. A. Rahimi-Iman, M. Gaafar, C. Möller, M. Vaupel, F. Zhang, D. Al-Nakdali, K.A. Fedorova, W.Stolz, E. U. Rafailov, M. Koch (2016): Self-mode-locked vertical-external-cavity surface-emitting laser,
   Proc. SPIE 9734, 97340M (https://doi.org/10.1117/12.2216469)
9. A. Rahimi-Iman, M. Gaafar, D. Al Nakdali, C. Möller, F. Zhang, M. Wichmann, M. K. Shakfa, K. A. Fedorova, W. Stolz, E. U. Rafailov, M. Koch (2015): Recent Advances in the Field of Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Lasers,
   Proc. SPIE 9349, 934906 (https://doi.org/10.1117/12.2079182)
10. A. Schlehahn, M. Gaafar, M. Vaupel, M. Gschrey, P. Schnauber, J.-H. Schulze, S. Rodt, A. Strittmatter, W. Stolz, A. Rahimi-Iman, T. Heindel, M. Koch, S. Reitzenstein (2015): Single-photon emission at a rate of 143 MHz from a deterministic quantum-dot microlens triggered by a modelocked vertical-external-cavity surface-emitting laser,
    Appl. Phys. Lett. 107, 041105 (https://doi.org/10.1063/1.4927429).