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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-79126
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7912/


Rösener, Benno

Halbleiter-Scheibenlaser hoher Brillanz für den Wellenlängenbereich von 2,0-2,8 Mikrometer

High-brightness semiconductor disk lasers for the 2.0-2.8-micron wavelength range

Dokument1.pdf (6.897 KB) (md5sum: cd9bec58d489f21d8c60c087d5bf7067)

Kurzfassung in Deutsch

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit optisch gepumpten Halbleiter-Scheibenlasern, die auf dem (AlGaIn)(AsSb)-Materialsystem basieren und Emissionswellenlängen im Bereich zwischen 2,0 µm und 2,8 µm aufweisen. Hierbei werden experimentelle Untersuchungen zu unterschiedlichen Fragestellungen vorgestellt und diskutiert.
Zunächst wurde der Einfluss spezifischer Entwurfsparameter aktiver Strukturen sowie des Pumpkonzepts auf die Lasereigenschaften untersucht. So konnten beispielsweise erstmals Laserstrukturen realisiert werden, bei denen die Quantentöpfe zwischen AlAsSb-Barrierenschichten eingebettet wurden, um einen erhöhten Einschluss der Ladungsträger im Valenzband zu erreichen.
Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde untersucht, in wie weit eine Leistungsskalierung von Halbleiter-Scheibenlasern mit Wellenlängen im Bereich von 2,25 µm möglich ist. Betrachtet wurde zum einen der von Festkörperscheibenlasern her bekannte Ansatz der Leistungsskalierung über eine Vergrößerung der gepumpten Fläche. Sowohl experimentelle Untersuchungen als auch Simulationsrechnungen konnten dabei zeigen, dass bei dieser Form der Leistungsskalierung der thermische Widerstand des Lasers nicht wie im Falle eines ideal eindimensionalen Wärmeflusses umgekehrt proportional zur gepumpten Fläche abnimmt. Bei konstanter Leistungsdichte kommt es mit zunehmender Fläche so zu Temperaturerhöhungen im aktiven Bereich, die sich negativ auf die Leistungseffizienz auswirken. Die maximale Ausgangsleistung, die auf diese Weise erreicht werden, wird dadurch limitiert. Als alternative Möglichkeit der Leistungsskalierung werden in dieser Arbeit jedoch ebenfalls Laserresonatoren untersucht, die mehrere Laserchips beinhalteten. Hier zeigte sich beispielsweise, dass bei Verwendung von zwei Laserchips annähernd eine Verdopplung der Ausgangsleistung bei gleichbleibender Effizienz erreicht werden kann.
Einen weiteren Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildete die Untersuchung von langwellig emittierenden Halbleiter-Scheibenlasern auf der Basis der Gruppe-III-Antimonide. Im Rahmen dieser Arbeit ist es erstmals gelungen, Halbleiter-Scheibenlaser mit Emissionswellenlängen von bis zu 2,8 µm zu realisieren. Es zeigte sich bei diesen Lasern der von Halbleiterlaserdioden her bekannte Trend, dass mit zunehmender Emissionswellenlänge die Schwellenpumpleistungen ansteigen, während sich die interne Effizienz verringert. Es konnte jedoch auch gezeigt werden, dass sich hier eine erhöhte Verspannung der Quantentöpfe positiv auf die Lasereigenschaften auswirken kann. Eine höhere Verspannung, die durch einen erhöhten Indium-Anteil in den Quantentöpfen erreicht wird, bewirkt dabei eine Erhöhung der Valenzbanddiskontinuität und damit des Einschlusspotentials der Löcher. Hierdurch kann die thermionische Emission von Löchern verringert werden, woraus eine Verringerung der Transparenzladungsträgerdichte bei gleichzeitiger Erhöhung des differentiellen Gewinns erfolgen kann.


Kurzfassung in Englisch

In the present thesis, optically-pumped semiconductor disk lasers, which are based on the (AlGaIn)(AsSb) material system and which emit at wavelengths between 2.0 µm and 2.8 µm are investigated. Various aspects of these lasers are discussed.
At first, the influence of specific design parameters of the laser structures as well as the the impact of the pumping scheme on the laser performance were investigated. In this way, laser structures including quantum wells embedded between AlAsSb barrier layers could be realized, which enabled an increased carrier confinement in the valence band.
In addition, power scaling laws of semiconductor disk lasers emitting at wavelengths around 2.25 µm were investigated. Considering thin disk lasers, power scaling is usually enabled by increasing the pumped area at constant pump intensity. When applying this power scaling scheme to semiconductor disk lasers, however, it could be shown that the thermal resistance of the laser is not proportional to the reciprocal area of the pump spot as it would be if the heat flow was purely one-dimensional. In contrast, a temperature rise within the active region was observed when increasing the pump spot area at constant pump intensity. Consequently, the optical-to-optical power efficiency decreases. Thus, the maximum output power that can be achieved is limited. As an alternative power scaling scheme, laser resonators including multiple gain chips can be used. In this work, it could be shown that the output power could be almost doubled at constant efficiency when two chips instead of one are used within a resonator.
A further focus of this thesis consists in the investigation of long-wavelength semiconductor disk lasers. For the first time, semiconductor disk lasers with an emission wavelength of up to 2.8 µm could be demonstrated. As it has been previously shown for edge-emitting semiconductor diode lasers, a decrease of the internal efficiency combined with an increase of the threshold pump power was observed when increasing the emission wavelength of semiconductor disk lasers. In order to mitigate these problems, the amount of strain in the quantum well layers can be increased. To this end, the indium content within the quantum well was increased. Thus, the valence band offset is significantly increased, which provides an improved hole confinement. In this way, thermionic emission can be reduced, which finally results in a reduction of the transparency carrier density and an increase of the differential gain.


SWD-Schlagwörter: Laser , MIR <Physik> , Infrarot , Drei-Fünf-Halbleiter , Antimonide , Galliumantimonid , Halbleiterlaser , Optoelektronik , Scheibenlaser
Freie Schlagwörter (deutsch): VECSEL , GaSb , Halbleiter-Scheibenlaser
Freie Schlagwörter (englisch): VECSEL , OPSL , GaSb , infrared laser , tunable laser
PACS Klassifikation 42.55.Px , 42.55.Xi , 78.66.Fd , 85.35.Be , 42.72.Ai
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Wagner, Joachim (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.04.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 19.01.2011
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