Search

We review the recent advances in the development of semiconductor disk lasers (SDLs) producing yellow-orange and mid-IR radiation. In particular, we focus on presenting the fabrication challenges and characteristics of high-power GaInNAs- and GaSb-based gain mirrors. These two material systems have recently sparked a new wave of interest in developing SDLs for high-impact applications in medicine, spectroscopy, or astronomy. The dilute nitride (GaInNAs) gain mirrors enable emission of more than 11 W of output power at a wavelength range of 1180–1200 nm and subsequent intracavity frequency doubling to generate yellow-orange radiation with power exceeding 7 W. The GaSb gain mirrors have been used to leverage the advantages offered by SDLs to the 2–3 μm wavelength range. Most recently, GaSb-based SDLs incorporating semiconductor saturable absorber mirrors were used to generate optical pulses as short as 384 fs at 2 μm, the shortest pulses obtained from a semiconductor laser at this wavelength range.

Puolijohdepeilejä kehitettäessä on oleellista pystyä mittaamaan peilien heijastavuus erittäin tarkasti. Optisille peileille tehtävät tarkat heijastusmittaukset voivat kuitenkin olla erittäin haastavia, kun heijastavuus lähenee sataa prosenttia. Tässä työssä perehdyttiin kaviteetin vaihesiirtoon perustuvaan heijastusmittausmenetelmään (engl. cavity phase-shift method, CAPS). Lisäksi työssä rakennettiin kyseinen mittausjärjestelmä ja suoritettiin mittauksia sekä kaupallisille laserpeileille että puolijohdepeilille. Laserpeilien toiminta perustuu yleisesti Braggin peilin (engl. distributed Bragg reflector, DBR) toimintaperiaatteeseen. Näitä peilejä käytetään muun muassa pintaemittoivissa puolijohdekiekkolasereissa (engl. semiconductor disk lasers, SDLs). DBR-peilit koostuvat periodisesta rakenteesta, jossa on vuoronperään korkea- ja matalataitekertoimisia ohutkalvoja. Näiden kerrosten optinen paksuus on neljännes maksimiheijastuksen aallonpituudesta. Kerrosparien lukumäärän kasvaessa DBR-peilin heijastus lähenee sataa prosenttia. Pintaemittoivien puolijohdelaserien valmistuksessa DBR-kerrosparien lukumäärän optimointi on tärkeää, koska jokainen kerrospari aiheuttaa rakenteeseen ylimääräistä jännittyneisyyttä, joka voi myöhemmin purkautua kidevirheiden kautta. Kerrosparit aiheuttavat myös lämpövastusta ja siten pienentävät laserin maksimitehoa. Kaviteetin vaihesiirtoon perustuvan heijastusmittausmenetelmän esitteli ensimmäistä kertaa Herbelin vuonna 1980. Tässä työssä käytetään modifioitua järjestelmää, joka koostuu edullisemmista komponenteista ja on toteutukseltaan yksinkertaisempi. Mittausjärjestelmän toiminta perustuu kahdesta tai useammasta peilistä muodostettuun kaviteettiin. Kun amplitudimoduloitu lasersäde ohjataan kaviteetin optiselle akselille, niin modulaatio kokee vaihesiirron johtuen fotonien äärellisestä elinajasta kaviteetissa. Mittaamalla vaihesiirron suuruus, pystytään määrittämään fotonien elinaika kaviteetissa, joka on liittyy suoraan kaviteetissa tapahtuvien häviöiden määrään. Olettaen, että kaviteetin häviöt johtuvat lähinnä peilien läpäisevyydestä, voidaan tästä johtaa kaviteetin muodostamien peilien kokonaisheijastavuus. Puolijohdepeilille, joka koostui 26:sta AlAs/GaAs-peiliparista, mitattiin heijasta- vuudeksi 99.97 %, simuloidun tuloksen ollessa 99.95 %. Precise absolute reflectance measurements are important for the characterization and development of high reflective Distributed Bragg Re flectors (DBRs). These mirrors are used in a wide variety of optoelectronic devices, including Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Lasers (VECSELs). DBR mirrors consist of a periodic stack of layers of quarter-wavelength optical thickness. A large number of periods allows one to reach reflectance close to unity. However, the precise measurements of the high reflectance are challenging. In VECSELs, accurate measurements are desirable for the optimization of the number of the periods in DBR due to the compressi- ve strain introduced by the multiple DBR layers. Also, less DBR periods increase the heat transfer from the gain region of the VECSELs allowing higher maximum power. The Cavity Phase-Shift (CAPS) method was first introduced by Herbelin et. al. In this study, we use a modified experimental setup introduced by Mogg et. al. In the modified CAPS method an amplitude-modulated laser beam is passing through an optical resonator which consists of two mirrors. Due to a finite photon lifetime in the resonator, the modulated laser beam will suffer a phase-shift. By measuring this phase-shift, we can determine the effective photon lifetime, which is directly related to the sum of the losses in the resonator. Considering that the losses are due to the finite reflectance of the mirrors, one can determine the reflectance of the mirrors. Due to the high reflectivity of the mirrors, the signal to be measured is relatively weak and the amount of noise is significant. In our study, we used a computer assisted measuring to collect enough data points (> 4000) to average the effect of noise out. For the DBR mirror consists of 26 AlAs/GaAs periods, we measured the reflectivity of 99.97 % while simulations by the Essential Macleod program give the reflectivity of 99.95 %.