Improvement of the beam quality of high-power broad area semiconductor diode lasers by means of an external resonator

Verbesserung der Strahlqualität von Breitstreifendiodenlasern hoher Ausgangsleistung mit Hilfe eines externen Resonators

  • The operation of high-power broad area laser diodes in an external resonator is studied with respect to the improvement of their lateral beam quality. A simple setup with a broad area laser diode as gain medium, two lenses and an external mirror is considered. The concept relies on the ability of the active region of the laser diode to act as a spatial filter for higher order modes oscillating inside the resonator. The geometries of the external cavity laser that favor fundamental mode operationThe operation of high-power broad area laser diodes in an external resonator is studied with respect to the improvement of their lateral beam quality. A simple setup with a broad area laser diode as gain medium, two lenses and an external mirror is considered. The concept relies on the ability of the active region of the laser diode to act as a spatial filter for higher order modes oscillating inside the resonator. The geometries of the external cavity laser that favor fundamental mode operation in the lateral direction are inferred with the help of a theoretical model based on the ABCD-matrix treatment of Gaussian beams in a passive stable resonator. Thermal lensing that arises in the broad area laser diode is included in the model. A novel experimental procedure that quantifies the thermal lens arising in the broad area laser diode to be used inside the external resonator is developed. The thermal lens coefficient is determined for different injection currents and pulse widths. The reliability of the method is validated by the comparison of the obtained results with values of the thermal lens coefficient derived from independent measurements. The external cavity laser comprising a test broad area laser diode that emits at a wavelength in the region of 1.06 µm, two lenses, and an external mirror is implemented. Additionally, an adjustable intra-cavity slit that serves as a supplementary spatial filter is inserted in the setup. The evolution of the output power and of the beam quality of the device as a function of the length of the resonator and of the width of the slit is studied at injection currents of 1 A and 5 A It is observed that at both injection currents, the beam quality of the emission is significantly improved when the length of the resonator and the width of the slit are adjusted to their optimal values. In the case of the experiments at an injection current of 1 A, the optimal conditions for the operation of the external resonator correspond to the theoretical predictions, but, at an injection current of 5 A, they have to be determined experimentally since the behavior of the laser cannot be explained by the model of the passive resonator anymore. The criterion used to assess the performance of the external cavity laser, as compared to a similar free running laser, is the maximum output power weighted by the M² value. In that respect, at an injection current of 1 A the M² value is improved from 9.0 to 3.5, with an output power of 0.35 W. At the injection current of 5 A the M² value is improved from 18.7 to 5.6, with a corresponding output power of 2.5 W. The latter result compares with the best values reported in the literature for the operation of broad area laser diodes in an external resonator.show moreshow less
  • Das Verhalten von Hochleistungsbreitstreifenlasern in einem externen Resonator wird im Hinblick auf Verbesserungen der lateralen Strahlqualität untersucht. Dazu wird ein einfacher Messaufbau verwendet, der aus einer Breitstreifenlaserdiode als Gainmedium, zwei Linsen und einem externen Spiegel besteht. Das vorgestellte Konzept basiert darauf, dass die aktive Zone der Laserdiode als räumlicher Filter für höhere Resonatormoden dient. Geometrien des externen Resonators, welche für einen lateralen GDas Verhalten von Hochleistungsbreitstreifenlasern in einem externen Resonator wird im Hinblick auf Verbesserungen der lateralen Strahlqualität untersucht. Dazu wird ein einfacher Messaufbau verwendet, der aus einer Breitstreifenlaserdiode als Gainmedium, zwei Linsen und einem externen Spiegel besteht. Das vorgestellte Konzept basiert darauf, dass die aktive Zone der Laserdiode als räumlicher Filter für höhere Resonatormoden dient. Geometrien des externen Resonators, welche für einen lateralen Grundmodebetrieb geeignet sind, werden aus einem theoretischen Modell abgeleitet, das auf dem ABCD-Matrix Verfahren für Gaussstrahlen beruht und die sich in Breitstreifenlasern ausbildende thermische Linse beinhaltet. Ein neuartiges experimentelles Verfahren, welches die thermische Linse einer Breitstreifenlaserdiode in einem externen Resonator quantifiziert, wird entwickelt. Der thermische Linsenkoeffizient wird, für verschiedene Injektionsströme und Pulsbreiten, bestimmt. Die Verlässlichkeit dieser Methode wird, durch den Vergleich der erhaltenen Ergebnisse mit den Werten von unabhängigen Messungen zur Ermittlung des thermischen Linsenkoeffizienten und durch die Simulation der Temperaturverteilung in der Laserdiode, verifiziert. Der Laser mit externem Resonator besteht aus der zu untersuchenden Breitstreifenlaserdiode mit einer Emissionswellenlänge von ungefähr 1.06 µm, zwei Linsen und einem Spiegel. Des Weiteren dient ein justierbarer Spalt innerhalb des Resonators als zusätzlicher Raumfilter. Die Abhängigkeit der Ausgangsleistung und der Strahlqualität von der Resonatorlänge und der Spaltbreite wird bei Injektionsströmen von 1 A und 5 A untersucht. Bei beiden Injektionsströmen verbessert sich die Strahlqualität deutlich, wenn die Länge des Resonators und die Breite des Spaltes auf die optimalen Werte eingestellt werden. Bei den Experimenten mit einem Injektionsstrom von 1 A entsprechen die optimalen Bedingungen den theoretischen Voraussagen. Bei 5 A Injektionsstrom müssen sie jedoch experimentell bestimmt werden, da das Verhalten des Lasers nicht mehr durch das Modell des passiven Resonators erklärt werden kann. Den Maßstab zur Beurteilung der Laserperformance stellt, im Gegensatz zu identischen freilaufenden Lasern, die maximale Ausgangsleistung gewichtet mit dem M² Wert dar. Unter diesem Gesichtspunkt wird, bei einen Injektionsstrom von 1 A und einer Ausgangsleistung von 0.35 W der M² Wert von 9.0 auf 3.5 verbessert. Bei einem Injektionsstrom von 5 A und einer Ausgangsleistung von 2.5 W wird der M² Wert von 18.7 auf 5.6 verbessert. Das zweite Resultat ist, mit den besten Ergebnissen von Breitstreifenlaserdioden in einem externen Resonator über die in der Literatur berichtet wird, vergleichbar.show moreshow less

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Metadaten
Author: Ahmad Ibrahim Bawamia
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-33420
Advisor:Prof. Dr. Günther Tränkle
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2011/11/30
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Date of final exam:2011/11/18
Release Date:2011/11/30
Tag:Diodenlaser; Externer Resonator; Strahlqualität; Thermische Linse
Beam quality; Diode Laser; External resonator; Thermal lens
Institutes:Externe Einrichtungen
Dewey Decimal Classification:500 Naturwissenschaften und Mathematik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)