Intracavity Frequency Doubling of Optically Pumped Semiconductor Disk Lasers to the Green Spectral Range

Abstract

Optically pumped semiconductor disk lasers are compact light sources of high beam quality and thus they are in principle suitable for use in display technology. In this thesis the development of a green emitting optically pumped semiconductor disk laser is presented, for which the desired properties for application in compact projectors are taken into account. On the fundamental wave the laser exhibits diffraction limited beam quality and output powers up to a few hundreds of milli-Watts. Via intracavity frequency doubling, stable and efficient emission at 525 nm is achieved. For optimization of efficiency, beam quality, and adjustability, the properties of resonators comprising the nonlinear crystals KTP, LBO, BiBO, and MgO:PPLN are compared. The highest efficiency is achieved with BiBO at an output power of 113 mW at 525 nm. An optical conversion efficiency of 81 % with respect to the maximum achievable infrared power is presented. The best overall performance is demonstrated with MgO:PPLN. The usability of MgO:PPLN structures with broadened spectral acceptance is examined. It is found, that such structures only are beneficial for resonators, where the second harmonic is coupled out to both sides of the nonlinear crystal. Furthermore, the output power is characterized towards amplitude fluctuations. The typically stable output of the optically pumped semiconductor disk laser can be attributed to single-mode operation. In the case of sum frequency generation a dependence of the output fluctuations on gain-decoupling of the fundamental modes is found.

Optisch gepumpte Halbleiter-Scheibenlaser sind als kompakte Lichtquellen mit hoher Strahlqualität prinzipiell für den Einsatz in der Display Technologie geeignet. In dieser Arbeit wird ein grün emittierender Halbleiter-Scheibenlaser vorgestellt, bei dessen Entwicklung die benötigten Eigenschaften für Anwendung in kompakte Projektoren berück- sichtigt werden. Auf der Grundwellenlänge von 1050 nm hat der Laser eine beugungsbegrenzte Strahlqualität und erreicht Ausgangsleistungen bis zu einigen hundert mW. Mittels resonatorinterner Frequenzverdopplung wird stabile und effiziente Emission bei 525 nm erreicht. Zur Optimierung von Effizienz, Strahlqualität und Justierbarkeit werden die Eigenschaften von Resonatoren mit den nichtlinearen Kristalle KTP, LBO, BiBO und MgO:PPLN verglichen. Die höchste Effizenz wird mit BiBO bei einer Ausgangsleistung von 113 mW bei 525 nm erreicht. Eine optische Konversionseffizienz von 81 % bezogen auf die maximal erreichbare Infrarotleistung wird präsentiert. Die besten Ergebnisse unter Einbeziehung aller Parameter werden mit MgO:PPLN erzielt. Die Verwendbarkeit von MgO:PPLN Strukturen mit verbreiterter spektraler Akzeptanz für resonatorinterne Frequenzverdopplung wird untersucht. Dabei zeigt sich, dass solche Strukturen nur für Resonatoren vorteilhaft sind, bei denen die zweite Harmonische zu beiden Seiten des nichtlinearen Kristalls ausgekoppelt wird. Desweiteren wird die Ausgangsleistung auf Amplitudenfluktuationen untersucht. Die typischerweise stabile Ausgangsleistung des optisch gepumpten Halbleiter-Scheibenlasers kann auf Einmodenbetrieb zurückgeführt werden. Für den Fall von Summenfrequenzmischung wird ein Zusammenhang zwischen Emissionsfluktuationen und dem Entkopplungsparameter der fundamentalen Lasermoden festgestellt.