ES2283149T3

ES2283149T3 - Dispositivos de laser semiconductores de bo,beo optico con cavidad externa, de alta potencia.

Info

Publication number: ES2283149T3
Application number: ES99971158T
Authority: ES
Inventors: Andrea Caprara; Juan L. Chilla; Luis A. Spinelli
Original assignee: Coherent Inc
Current assignee: Coherent Inc
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1999-10-18
Publication date: 2007-10-16
Anticipated expiration: 2019-10-18
Also published as: EP1760848A2; EP1760848A3; DE69935237D1; ATE354877T1; JP2002540590A; EP1125349B1; DE69935237T2; EP1125349A1; JP4837830B2; WO2000025398A1

Abstract

Un dispositivo láser, que comprende: una estructura monolítica (32) de capa semiconductora de bombeo óptico que incluye una estructura (34) de ganancia montada sobre una estructura (30) de espejo, cuya estructura de ganancia incluye una pluralidad de capas activas que tienen capas absorbentes de luz de bombeo entre ellas, teniendo dichas capas activas una composición seleccionada para favorecer la emisión de radiación electromagnética con una longitud de onda de radiación fundamental predeterminada comprendida aproximadamente entre 425 nm y 1800 nm cuando incide luz de bombeo óptica sobre dicha estructura de ganancia, e incluyendo dicha estructura de espejo una pluralidad de capas alternativas de índice de refracción alto y bajo y que tiene un espesor óptico de aproximadamente un cuarto de longitud de onda de dicha longitud de onda predeterminada; un resonador (22) de láser formada entre dicha estructura de espejo de dicha estructura monolítica (32) semiconductora de bombeo óptico y un reflector (28) separado de ella, teniendo dicho resonador (22) de láser un eje longitudinal (24); una disposición óptica (40) para suministrar dicha luz (42) de bombeo a dicha estructura de ganancia, haciendo así que la radiación láser fundamental que tiene dicha longitud de onda fundamental oscile en dicho resonador de láser; y una disposición (36) de disipador de calor para refrigerar dicha estructura monolítica (32) semiconductora de bombeo óptico; caracterizado porque el resonador (22) de láser tiene una longitud aproximadamente superior a 5 cm; están situados uno o más cristales (50) ópticamente no lineales en dicho resonador de láser y dispuestos para multiplicar la frecuencia de dicha radiación láser fundamental, proporcionando así una radiación de frecuencia multiplicada que tiene una longitud de onda que es una fracción de dicha longitud de onda fundamental; y dicho resonador (22) de láser, dicho cristal (50) ópticamente no lineal, dicha estructura monolítica (32) de capa semiconductora de bombeo óptico, dicha disposición (36) de disipador de calor y dicha disposición óptica (40) de suministro de luz de bombeo, están seleccionadas y dispuestas de tal modo que dicho resonador de láser suministra dicha radiación de frecuencia multiplicada como radiación de salida que tiene una longitud de onda comprendida aproximadamente entre 212 nm y 900 nm con una potencia de salida mayor que aproximadamente 100 mW.

Description

Dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico con cavidad externa, de alta potencia.

Campo técnico del invento

El presente invento se refiere en general a dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico con cavidad externa (a los que se hará referencia posteriormente como dispositivos láser OPS) que incluyen una estructura de ganancia (periódica) multicapa semiconductora con emisión de superficie. El invento se refiere en particular a disposiciones de tales dispositivos láser que pueden proporcionar una potencia de salida láser de frecuencia fundamental de aproximadamente 2,0 W o superior, y a disposiciones de conversión de frecuencia intracavitarias de tales dispositivos láser que pueden proporcionar una potencia de salida láser en modo armónico de aproximadamente un centenar de milivatios (100 mW) o superior.

Discusión de la técnica de base

Los términos "dispositivos láser OPS", en la forma en que se utilizan en la presente memoria, se refieren a una clase de dispositivos láser semiconductores en los que se proporciona ganancia óptica por recombinación de portadores de carga en capas muy delgadas, por ejemplo de aproximadamente 150 Angstrom (\ring{A}) (1 \ring{A} = 0,1 nm) o menos, de un material semiconductor. Estas capas se denominan en general capas de pozo cuántico (QW) o capas activas.

En un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico con cavidad externa, varias capas de pozo cuántico, por ejemplo aproximadamente 15, están separadas por capas separadoras también de un material semiconductor, pero que tienen una energía de la banda de conducción mayor que la de las capas de pozo cuántico. Esta combinación de capas activas y capas separadoras puede definirse como estructura de ganancia del dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico con cavidad externa. Las capas de la estructura de ganancia están crecidas epitaxialmente. Está dispuesta sobre la estructura de ganancia una estructura de espejo multicapa crecida epitaxialmente, a la que se hace referencia frecuentemente como espejo de Bragg. Se hace referencia posteriormente a la combinación de estructura de espejo y estructura de ganancia como estructura OPS.

En un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico con cavidad externa, otro espejo (convencional), que sirve como espejo de acoplamiento de salida, está separado de la estructura OPS, formando así una cavidad resonante con la estructura de espejo de la estructura OPS. La cavidad resonante, consiguientemente, incluye la estructura de ganancia de la estructura semiconductora de bombeo óptico. La estructura de espejo y la estructura de ganancia están dispuestas de tal modo que las capas de pozo cuántico de la estructura de ganancia están separadas media longitud de onda de la radiación láser de frecuencia fundamental, y corresponden en posición a los antinodos de una onda estacionaria de la radiación láser fundamental en la cavidad resonante. La longitud de onda fundamental es característica de la composición de las capas de pozo cuántico.

Se dirige radiación de bombeo óptico (luz de bombeo) hacia la estructura de ganancia de la estructura semiconductora de bombeo óptico y es absorbida por las capas separadoras de la estructura de ganancia, generándose así portadores de carga. Los portadores de carga son atrapados en las capas de pozo cuántico de la estructura de ganancia y se recombinan. La recombinación de los portadores de carga en las capas de pozo cuántico genera radiación electromagnética de la longitud de onda fundamental. Esta radiación circula en el resonador y es amplificada por la estructura de ganancia, generándose así radiación láser.

Los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico con cavidad externa se han utilizado frecuentemente en la técnica anterior como medios para comprobar convenientemente estructuras de pozo cuántico para uso posterior en dispositivos láser semiconductores de bombeo eléctrico. Más recientemente, se han investigado dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico con cavidad externa como fuentes de radiación láser por derecho propio. El énfasis de tal investigación, sin embargo, parece centrarse en la creación de un dispositivo compacto, incluso monolítico, en concordancia con la naturaleza en general compacta de los dispositivos de láser semiconductor y conjuntos encapsulados de los mismos.

La estructura de ganancia de las estructuras semiconductoras de bombeo óptico pueden formarse a partir de la misma amplia gama de materiales semiconductores / combinaciones de substratos que se contemplan para los dispositivos láser de diodo. Estos incluyen, sin carácter limitativo, los de composición InGaAsP/InP, InGaAs/GaAs, AlGaAs/GaAs, InGaAsP/GaAs y InGaN/Al_{2}O_{3}, que proporcionan espectros relativamente anchos de longitudes de onda fundamentales en márgenes, respectivamente, de aproximadamente 960 a 1800 nm; 850 a 1100 nm; 700 a 850 nm; 620 a 700 nm; y 425 a 550 nm. Por supuesto, existe algún solape en los márgenes. La multiplicación de frecuencia de estas longitudes de onda fundamentales, hasta el grado en que puede ponerse en práctica, podría así proporcionar espectros de radiación relativamente anchos que van desde la porción amarillo/verde del espectro electromagnético hasta muy dentro de la porción ultravioleta.

En dispositivos láser de estado sólido convencionales, las longitudes de onda fundamentales, y consiguientemente sus armónicos (generados por duplicación de frecuencia o mezcla de frecuencias) están limitados a ciertas longitudes de onda fijas características de un dopante particular en una estructura cristalina particular o substrato receptor vítreo, por ejemplo la bien conocida longitud de onda de 1064 nm del granate de ytrio aluminio dopado con neodimio (Nd:YAG). Aun cuando una de estas longitudes de onda características puede ser adecuada para una aplicación particular, puede no ser la longitud de onda óptima para esa aplicación.

Los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico proporcionan medios para generar longitudes de onda, en un modo de funcionamiento de onda continua verdadera, que pueden adaptarse rigurosamente a la longitud de onda óptima para muchas aplicaciones de láser, en campos tales como la medicina, la metrología óptica, la litografía óptica, y el mecanizado por láser de precisión. Los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de la técnica anterior, sin embargo, se quedan cortos en cuanto a proporcionar la potencia adecuada para tales aplicaciones. Se cree que la potencia de salida a la frecuencia fundamental más alta de la que se ha informado hasta la fecha, para un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico, es de 700 mW a una longitud de onda de aproximadamente 1000 nm (Kuznetsov, y otros, IEEE Photonics Tech. Lett 9, 1063 (1997)). Para un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico duplicador de frecuencia intracavitario, se cree que la potencia de salida más alta reportada es de 6 mW a una longitud de onda de aproximadamente 488 nm (Alford y otros, Technical Digest of the IEEE/OSA Conference on Advanced Solid State Lasers, Boston MA, febrero 1-3 1999, pp 182-184). Se cree que no se ha reportado hasta la fecha la generación de radiación de onda continua (CW) ultravioleta (UV) en un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico, bien sea directamente o por multiplicación de frecuencia.

Sin embargo, la flexibilidad de un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico puede residir en ofrecer potencialmente una amplia selección de longitudes de onda, con el fin de ser competitivo en aplicaciones en las que se utilizan usualmente dispositivos laser de estado sólido y de otro tipo, con un aumento de potencia de al menos un orden de magnitud, y preferiblemente dos órdenes de magnitud, en comparación con los niveles ofrecidos por los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de la técnica anterior. Este aumento de potencia debe también conseguirse sin sacrificar la estabilidad de la potencia de salida y la calidad del haz. Adicionalmente, con el fin de que pueda utilizarse en la gama más amplia de aplicaciones, el rango de longitudes de onda del dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico disponible en alta potencia y con alta calidad del haz debe aplicarse a la región de ultravioleta del espectro electromagnético, preferiblemente hasta longitudes de onda inferiores a 300 nm.

En el documento WO 95/25366 se describe un láser que comprende un resonador láser terminado por un primer y un segundo espejos, una estructura de capa monolítica que incluye una estructura de ganancia de emisión de superficie que incluye una pluralidad de capas activas que consisten en capas de pozo cuántico, que tiene capas separadoras, que consisten en capas de absorción de luz de bombeo entre ellas, de modo que las capas activas tienen una composición seleccionada para generar emisiones de radiación electromagnética a una longitud de onda fundamental cuando se suministra luz de bombeo óptico a la estructura de ganancia mediante una disposición óptica que incluye una fuente de luz de bombeo. La estructura de ganancia está dispuesta dentro del resonador láser, de modo que la radiación láser a la longitud de onda fundamental oscila en el resonador cuando se bombea la estructura de ganancia. Está dispuesto un disipador de calor para enfriar la estructura de capa monolítica. La longitud del resonador está comprendida entre unos centenares de micrometros y unos pocos milímetros. El resonador láser está ocupado por medios sólidos en los cuales se produce un efecto de lente térmica.

En el artículo titulado "High-Power (.0.5-W CW) Diode-Pumped Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Semiconductors-Lasers with Circular TEM_{00} Beams" en las páginas 1063 a 1065 en la publicación IEEE Photonics Technology Letters, vol. 9 nº 8 de agosto de 1997, M. Kutnezov, F. Haquimi, R. Sprage y A. Mooradian describen un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico que tiene un resonador de 20 nm de longitud que ha generado potencia hasta un nivel de 0,69 W aproximadamente a 1004 nm. El láser consiste en una estructura multicapa monolítica sobre un disipador de calor, con un espejo de salida separado.

El presente invento está dirigido a crear dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de la técnica anterior de alta potencia, incluyendo dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de la técnica anterior de alta potencia que generan radiación ultravioleta, es decir con longitudes de onda inferiores a 425 nm aproximadamente.

De acuerdo con uno de los aspectos del presente invento como se define en la reivindicación 1ª, un láser comprende una estructura de capa monolítica que incluye una estructura de ganancia montada sobre una estructura de espejo. La estructura de ganancia incluye una pluralidad de capas activas que tienen entre ellas capas de absorción de luz generada por bombeo. Las capas activas tienen una composición seleccionada para generar emisión de radiación electromagnética a una longitud de onda fundamental predeterminada comprendida aproximadamente entre 425 nm y 1800 nm cuando la luz de bombeo óptico incide sobre la estructura de ganancia. La estructura de espejo incluye una pluralidad de capas con índices de refracción alternativamente alto y bajo y que tienen un espesor óptico de aproximadamente un cuarto de longitud de onda de la longitud de onda predeterminada.

Está formado un resonador láser que tiene un eje longitudinal entre la estructura de espejo de la estructura de capas monolítica y un reflector separado de ellas. Está dispuesta una disposición óptica para suministrar la luz de bombeo a la estructura de ganancia, haciendo así que oscile en el resonador láser la radiación láser fundamental que tiene la longitud de onda fundamental. Está dispuesta una disposición de disipador de calor para refrigerar la estructura semiconductora de bombeo óptico. Están situados uno o más cristales ópticamente no lineales en el resonador láser y están dispuestos para duplicar en frecuencia la radiación láser fundamental, generando así radiación de frecuencia doble que tiene una longitud de onda igual a la mitad de la longitud de onda fundamenta. El resonador láser tiene una longitud mayor que 5 cm aproximadamente.

El resonador láser, el cristal ópticamente no lineal, la estructura de capas monolíticas, la disposición de disipador de calor y la disposición de suministro de luz de bombeo óptico están seleccionadas y dispuesta de tal modo que el resonador láser suministra la radiación de frecuencia duplicada como radiación de salida que tiene una longitud de onda comprendida aproximadamente entre 212 nm y 900 nm con una potencia de salida superior a 100 mw.

En una realización de un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento, se consigue una potencia de salida de láser de onda continua estable, en modo monoaxial, de aproximadamente 4,0 W a una longitud de onda de 488 nm por duplicación de frecuencia intracavitaria de una radiación de 976 nm generada por una estructura semiconductora de bombeo óptico única que utiliza un cristal ópticamente no lineal de triborato de litio (LBO) en un resonador que tiene una longitud de aproximadamente 25 cm. La estructura semiconductora de bombeo óptico tiene capas activas de una composición correspondiente a la fórmula In_{0 . 18}Ga_{0 . 82}As, y capas absorbentes de luz de bombeo (capas separadoras) de una composición correspondiente a la fórmula GaAs_{0 . 978}P_{0 . 022}. El láser es bombeado por radiación de aproximadamente 34,0 W y de una longitud de onda de 808 nm generada por dos conjuntos de láser de diodo. Los modelos numéricos indican que el mismo resonador puede ser modificado incluyendo un cristal ópticamente no lineal para mezclar la radiación de frecuencia fundamental y la radiación de frecuencia duplicada paras generar aproximadamente 120,0 mW de radiación ultravioleta de 325 nm (frecuencia triplicada o de tercer armónico). Se utilizó una configuración simplificada del resonador de este ejemplo sin un cristal ópticamente no lineal para suministrar una potencia de salida fundamental de aproximadamente 10 W.

La potencia de salida de frecuencia doble de 4,0 W representa un aumento aproximado de dos órdenes de magnitud sobre la potencia de salida que se cree que es la máxima reportada de cualquier dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de la técnica anterior. Se cree que no ha sido conseguida una salida de frecuencia triplicada de cualquier potencia en ningún dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de la técnica anterior.

Los modelos numéricos indican que en un resonador similar al del ejemplo anterior puede bombearse una estructura semiconductora de bombeo óptico que tiene una estructura de ganancia de pozos cuánticos de una composición correspondiente a la fórmula In_{x}Ga_{1-x}P con capas separadoras de composición In_{y}Ga_{1-y}As_{z}P_{1-z}, donde x está seleccionado para generar radiación de frecuencia fundamental a 750 nm, mediante una potencia de 12,0 W de luz de bombeo de 670 nm, utilizando un cristal de triborato de litio de 5 mm de longitud para duplicación de frecuencia para obtener una potencia de salida superior a 1 W a la longitud de onda de frecuencia duplicada de 375 nm.

Este aumento notable en la potencia de salida del dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico y la capacidad para generar una alta potencia de salida en onda continua de radiación ultravioleta, indistintamente por duplicación de frecuencia o triplicación de frecuencia, se consiguen sin sacrificar la calidad del haz de láser. El funcionamiento monomodo permite que los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento puedan tener una calidad de haz menor que dos veces, y como poco igual a 1,2 veces, el límite de difracción. Esta alta calidad del haz hace a los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el invento ideales para aplicaciones en las cuales la radiación de salida debe ser enfocada en un punto muy pequeño para realizar incisiones precisas en material inorgánico u orgánico, o debe acoplarse eficientemente en una fibra óptica para transportar la radiación hasta una posición en la que ha de utilizarse.

En otra realización del presente invento, el láser incluye un primer y un segundo resonadores dispuestos de tal modo que una parte de los ejes de cada uno están en una trayectoria coaxial. El primer resonador incluye una estructura semiconductora de bombeo óptico dispuesta fuera de la trayectoria coaxial para proporcionar una longitud de onda fundamental seleccionada de la radiación láser. Está situado en la trayectoria coaxial del primer y segundo resonadores un cristal ópticamente no lineal dispuesto para duplicar en frecuencia la radiación fundamental. El primer y segundo resonadores está adaptados interferométricamente para mantener una adaptación de fase óptima entre la radiación de frecuencia fundamental y la radiación de frecuencia doble en el cristal ópticamente no lineal. La radiación de longitud de onda fundamental y la radiación de frecuencia doble se propagan juntas solamente a lo largo de la trayectoria coaxial. Está situado un cristal ópticamente no lineal en el segundo resonador fuera de la trayectoria coaxial para duplicar la frecuencia de la radiación de frecuencia doble, generando así una radiación de frecuencia cuádruple. Los modelos numéricos indican que utilizando una estructura semiconductora de bombeo óptico de 976 nm y una disposición de bombeo correspondiente a la primera realización descrita anteriormente, esta segunda realización es capaz de proporcionar aproximadamente 2,0 W de radiación de frecuencia cuádruple (244 nm).

En otra realización adicional del presente invento, el láser incluye un primer y un segundo resonadores adaptados interferométricamente y dispuestos de tal modo que una parte de los ejes de los mismos está dispuesta en una trayectoria coaxial. La trayectoria coaxial incluye un primer cristal ópticamente no lineal para duplicación de frecuencia, como se ha comentado anteriormente con respecto a la segunda realización. La radiación de longitud de onda fundamental y la radiación de frecuencia doble se propagan juntas solamente a lo largo de la trayectoria coaxial. Está situado un segundo cristal ópticamente no lineal en la trayectoria coaxial del primer y segundo resonadores para mezclar la radiación de frecuencia fundamental con la radiación de frecuencia doble, generando así una radiación de frecuencia triple. Los modelos numéricos indican que utilizando la estructura semiconductora de bombeo óptico de 976 nm y la disposición de bombeo de la primera realización descrita anteriormente, esta tercera realización es capaz de proporcionar aproximadamente 4,0 W de radiación de frecuencia triple (325 nm).

Otras características específicas de dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico que realizan el presente invento pueden incluir sin carácter limitativo: el diseño de configuraciones disipadoras de calor y métodos de unión para enfriar una estructura semiconductora de bombeo óptico que permiten que las altas potencias de bombeo indicadas en los ejemplos anteriores sean dirigidas a la estructura semiconductora de bombeo óptico mientras se mantiene una temperatura de funcionamiento segura; el diseño de resonadores ópticamente largos para crear un tamaño en modo fundamental relativamente grande en la estructura semiconductora de bombeo óptico para aprovechar la ventaja de un área de bombeo mayor, aumentando así la potencia de salida del láser; el diseño de configuraciones específicas de resonador plegado para optimizar la salida de radiación con conversión de frecuencia y evitar la reflexión de la radiación con conversión de frecuencia hacia la estructura semiconductora de bombeo óptico en la que se perdería por absorción; la selección de una relación específica entre área bombeada y tamaño en la estructura semiconductora de bombeo óptico para optimizar el uso de la ganancia y evitar la generación de modos transversales de oscilación; la utilización de un elemento selectivo a la longitud de onda intracavitario para evitar la oscilación de la radiación fundamental a longitudes de onda fuera del rango espectral de aceptación de los cristales ópticamente no lineales; la selección de materiales ópticamente no lineales para aceptación espectral máxima para permitir la utilización de dispositivos selectivos a la longitud de onda eficientes y tolerantes; la configuración de estructuras semiconductoras de bombeo óptico para eliminar la oscilación lateral parásita que podría reducir de otro modo la potencia de salida; el diseño de estructuras semiconductoras de bombeo óptico fiables y con mínimo estrés neto en funcionamiento en alta potencia; la utilización de lentes con gradiente radial de índice de refracción para optimizar el suministro de luz de bombeo a través de varias fibras ópticas; y el diseño de estructuras de espejo para la estructura semiconductora de bombeo óptico del invento para obtener una conductividad térmica máxima que facilite así la refrigeración de las estructuras semiconductoras de bombeo óptico.

De acuerdo con otro aspecto del presente invento, se crea un láser como define posteriormente la reivindicación 34ª, a la cual deberá hacerse ahora referencia.

Será particularmente evidente por la descripción detallada del presente invento que se presenta posteriormente, que para conseguir las altas potencias comentadas anteriormente, los resonadores de dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento se apartan radicalmente de la filosofía de "compacidad" de los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de la técnica anterior y están configurados según el invento para multiplicación de frecuencia intracavitaria. Resultará también evidente que se dedica una atención importante a la gestión térmica de estructuras semiconductoras de bombeo óptico, al diseño de las propias estructuras semiconductoras de bombeo óptico, y a la selección de materiales de multiplicación de frecuencia, para conseguir los niveles de potencia de salida notables y la estabilidad de los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el invento.

En los dibujos que se acompañan:

La figura 1 ilustra esquemáticamente una realización preferida de un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento, que tiene un resonador que incluye una estructura semiconductora de bombeo óptico y un cristal ópticamente no lineal dispuesto para duplicación de frecuencia intracavitaria con respecto a la longitud de onda fundamental de la estructura semiconductora de bombeo óptico.

La figura 2 es una representación gráfica del tamaño de modo de la radiación fundamental en función de la posición axial en el resonador de la figura 1.

La figura 3 ilustra esquemáticamente detalles de una disposición preferida y de una composición de capas semiconductoras en la estructura semiconductora de bombeo óptico de la figura 1.

La figura 4 ilustra esquemáticamente otra realización preferida de un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento que tiene un resonador que tiene una estructura semiconductora de bombeo óptico y dos cristales ópticamente no lineales dispuestos para triplicar en frecuencia dentro de la cavidad la correspondiente a la longitud de onda fundamental de la estructura semiconductora de bombeo óptico.

La figura 5 ilustra esquemáticamente otra realización preferida adicional de un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento que tiene un primer resonador que incluye una estructura semiconductora de bombeo óptico y un segundo resonador que tiene una trayectoria óptica común con el primer resonador, incluyendo la trayectoria óptica común de los resonadores dos cristales ópticamente no lineales dispuesto para triplicar en frecuencia dentro de la cavidad la correspondiente a la longitud de onda fundamental de la estructura semiconductora de bombeo óptico.

La figura 6 ilustra esquemáticamente otra realización preferida adicional de un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento que tiene un primer resonador que incluye una estructura semiconductora de bombeo óptico, y un segundo resonador que tiene una trayectoria óptica común con el primer resonador, estando dispuestos los resonadores para cuadriplicar en frecuencia intracavitariamente la correspondiente a la longitud de onda fundamental de la estructura semiconductora de bombeo óptico.

La figura 7 ilustra esquemáticamente una realización preferida adicional de un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento que tiene un resonador recto que incluye una estructura semiconductora de bombeo óptico y un filtro birrefringente.

La figura 8 ilustra esquemáticamente la estructura semiconductora de bombeo óptico de cualquiera de las figuras 1 y 4-7 pegada a un conjunto disipador de acuerdo con el presente invento.

La figura 9 es un gráfico que ilustra perfiles isotérmicos producidos por un flujo de calor uniforme dentro de un área seleccionada de una superficie de un disipador de calor de cobre relativamente macizo.

La figura 10 es un gráfico que ilustra perfiles isotérmicos producidos por un flujo de calor uniforme en el área seleccionada de la figura 7 sobre una superficie de una capa de CVD-diamante pegada a un disipador de calor de cobre relativamente macizo.

La figura 11 es una vista en perspectiva que ilustra esquemáticamente la oscilación parásita lateral en una estructura semiconductora de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento.

La figura 12 es un gráfico que ilustra esquemáticamente la eficiencia de conversión calculada en función de la longitud de onda para cristales de LBO y niobato de potasio (KNbO_{3}) de la misma longitud.

La figura 13 ilustra esquemáticamente una realización preferida adicional de un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento que tiene un resonador que incluye dos estructuras semiconductoras de bombeo óptico y un cristal ópticamente no lineal dispuesto para duplicar en frecuencia intracavitariamente la correspondiente a la longitud de onda fundamental de la estructura semiconductora de bombeo óptico.

La figura 14 ilustra esquemáticamente una realización preferida adicional de un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento que tiene un resonador plegado terminado por un primer y un segundo espejos externos y que está plegado por una estructura de espejo de una estructura semiconductora de bombeo óptico.

Descripción detallada del invento

Pasando ahora a los dibujos, en los que componentes similares están designados por las mismas cifras de referencia, la figura 1 ilustra esquemáticamente un dispositivo 20 láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento. El láser 20 incluye un resonador 22 que tiene un eje longitudinal 24 plegado por un espejo 26 de plegamiento. El resonador 22 está terminado en uno de sus extremos por un espejo plano o reflector 28, y en el otro extremo por una porción 30 de espejo de una estructura 32 semiconductora de bombeo óptico. Está así situada una porción 34 de ganancia (estructura de ganancia) de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico en el resonador en contacto con un espejo de resonador, es decir con la estructura (30) de espejo.

La estructura 34 de ganancia de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico es una estructura multicapa semiconductora monolítica de crecimiento epitaxial (de emisión superficial) que incluye una pluralidad de capas activas (no representadas en la figura 1) separadas por capas separadoras absorbentes de luz de bombeo (tampoco representadas en la figura 1). Deberá observarse que los términos "separadas por capas separadoras absorbentes de luz de bombeo" en el contexto de esta descripción y en las reivindicaciones anexas, no impide que existan otras capas dispuestas entre las capas de pozo cuántico. Dependiendo de la composición de las capas de pozo cuántico, pueden incluirse unas o más capas adicionales para gestión de esfuerzos, confinamiento de portadoras, etc. Cualquiera de tales disposiciones es aplicable en el contexto del presente invento.

En los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de la técnica anterior, la estructura de espejo de la estructura semiconductora de bombeo óptico es también típicamente una estructura multicapa de crecimiento epitaxial crecida a partir de composiciones de material diferentes que responden a la fórmula general Al_{x}Ga_{(1-x)} (abreviadamente AlGaAs), donde al aumentar x aumenta el ancho de la banda prohibida del material y disminuye el índice de refracción. Aun cuando esta forma de estructura de espejo podría ser utilizada para la estructura (30) de espejo, no es en absoluto la única forma contemplada, ni la forma preferida. La estructura 30 de espejo en una estructura 32 semiconductora de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento no necesita ser de crecimiento epitaxial y puede incluir capas dieléctricas o metálicas. Si es de crecimiento epitaxial, no necesita estar formada totalmente a partir de materiales del sistema (ternario) AlGaAs. Se comentan con detalle adicional posteriormente las estructuras de espejo preferidas.

Continuando ahora con referencia a la figura 1, la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico está en contacto térmico con un disipador 36 de calor. El disipador 36 de calor es preferiblemente un disipador de calor con refrigeración activa, tal como un enfriador de microcanales. Se comenta con detalle adicional posteriormente una disposición particularmente preferida del disipador 36 de calor.

La estructura 32 semiconductora de bombeo óptico está bombeada ópticamente, preferiblemente por luz de bombeo suministrada por uno o más conjuntos de láser de diodo (no representadas). En la figura 1 se suministra luz de bombeo desde dos conjuntos de láser de diodo a través de dos fibras ópticas (o haces de fibras) 40. La luz 42 de bombeo diverge al salir de una fibra 40. En cada caso, la luz de bombeo divergente es dirigida por un espejo 44 a través de lentes 46 y 48 de enfoque para ser enfocada (solamente se representa un rayo axial) sobre la estructura 34 de ganancia de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico. Deberá observarse que aun cuando en la figura 1 se ilustran dos fibras 40 de suministro de luz de bombeo y dispositivos ópticos de enfoque asociados, esta disposición no deberá considerarse limitante del presente invento. Puede utilizarse solamente una, o más de dos fibras de suministro de luz de bombeo y elementos ópticos asociados, e incluso diferentes fuentes de luz de bombeo con o sin suministro de luz a través de fibras, sin apartarse del ámbito del presente invento. Deberá observarse adicionalmente que las fibras ópticas y haces de fibras son solamente medios preferidos para transportar luz de bombeo desde una fuente luminosa. Pueden utilizarse otras formas de lo que puede denominarse en general "una guía de luz", por ejemplo guías de ondas de luz macizas o huecas, sin apartarse del ámbito del presente invento.

Los espejos 26 y 28 y la estructura 30 de espejo de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico tienen cada uno una reflectividad máxima a una longitud de onda fundamental (emisión) característica de la composición de la estructura 34 de ganancia (de sus capas activas) de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico. La activación de la estructura 34 de ganancia de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico hace circular en el resonador 22 radiación láser que tiene la longitud de onda fundamental (radiación fundamental). Esta radiación fundamental está indicada en la figura 1 por flechas simples F.

Está incluido en el resonador 22, en su porción plegada 22A, próximo al espejo 28, pero separado del mismo, un cristal 50 ópticamente no lineal dispuesto para duplicar la frecuencia de la radiación fundamental (dividir por 2 su longitud de onda). Esta operación genera radiación de frecuencia duplicada o de segundo armónico (2H) indicada en la figura 1 por dobles flechas 2H. La radiación de segundo armónico se genera tanto en un primer paso de la radiación láser fundamental a su través, como en un paso de retorno de la radiación fundamental después de ser reflejada por el espejo 28. El espejo 26 de plegamiento es transparente a la radiación de segundo armónico, y consiguientemente sirve para acoplar la radiación de segundo armónico fuera del resonador 22.

Deberá observarse en este caso que esta disposición de resonador plegado de un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento es particularmente importante considerando el funcionamiento de alta potencia del dispositivo. La disposición de resonador plegado permite la formación de un haz resonante en el resonador 22 que tiene características óptimas en la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico y en el cristal 50 ópticamente no lineal. En una disposición, el tamaño del punto de luz de bombeo en la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico tiene preferiblemente un perfil Gaussiano, preferiblemente con un radio 1/e^{2} de aproximadamente 230 \mum. Con el fin de hacer máximo el solape y obtener una extracción de potencia óptima en el modo fundamental transversal, la radiación fundamental de resonancia en la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico tiene preferiblemente un tamaño similar de 230 \mum (radio 1/e^{2}). Simulaciones numéricas extensivas, corroboradas por resultados experimentales, indican que el tamaño de punto de la radiación fundamental en el cristal 50 ópticamente no lineal es preferiblemente del orden de 50 \mum (radio 1/e^{2}) para una generación óptima del segundo armónico. La figura 2 ilustra el tamaño de modo (radio) en función de la posición axial dentro del resonador 22 del láser 20 de la figura 1. Puede observarse que esta disposición de resonador preferida de espejos planos de extremo (estructura 30 de espejo y espejo externo 28) plegada por un espejo cóncavo 26 de plegado (que tiene en este caso un radio de 100 mm), proporciona el punto preferido comentado anteriormente o tamaño de modo en la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico y en el cristal 50 ópticamente no lineal. La disposición de resonador plegado, como se ha indicado anteriormente, permite también dos pasos de radiación fundamental a través del cristal 50 ópticamente no lineal, aumentando así la cantidad de radiación de segundo armónico generada. La extracción de la radiación de segundo armónico a través del espejo 36 de plegado evita que se pierda radiación de segundo armónico por absorción en la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico.

En un láser de duplicación de frecuencia intracavitario de acuerdo con el presente invento, es preferible incluir un elemento selectivo a la longitud de onda, tal como un filtro birrefringente o un etalon, en el resonador para forzar a este último a oscilar precisamente con la longitud de onda para la cual el cristal ópticamente no lineal está dispuesto para duplicación de frecuencia. Esto se comenta con detalle adicional posteriormente con respecto a la selección de un material preferido para el cristal 50 ópticamente no lineal. En el dispositivo 20 de láser semiconductor de bombeo óptico, se ilustra tal elemento selectivo a la longitud de onda en la forma de un filtro birrefringente 52 dispuesto para formar el ángulo de Brewster (en este caso de 57,1º) con el eje 24 del dispositivo 20 de láser semiconductor de bombeo óptico. Se enfatiza en este caso que la finalidad de este elemento selectivo a la longitud de onda es la selección de un modo no axial, toda vez que esto se consigue mediante una combinación de las propiedades singulares de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico con su posición en el resonador 22. Como alternativa, se utiliza un ancho de banda más estrecho que una región de aceptación espectral en la cual es efectivo el cristal 50 ópticamente no lineal. Esto evita que el láser 20 oscile a longitudes de onda en la que no es efectivo el cristal ópticamente no lineal. Este aspecto de los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento se comenta también con detalle adicional posteriormente.

En un ejemplo de un láser 20 de acuerdo con la disposición de la figura 1, la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico (véase la figura 3) tiene una estructura 34 de ganancia que comprende quince capas activas o capas de pozo cuántico (QW) de una composición expresada por la fórmula In_{0 . 18}Ga_{0 . 82}As, que tiene un espesor de aproximadamente 75,0 unidades ángstrom (\ring{A}) (1\ring{A} = 0,1 nm) que proporciona una longitud de onda fundamental nominal (en emisión) de 976 nm. Entre las capas QW están dispuestas capas (separadoras) de absorción de luz de bombeo de una composición de acuerdo con la fórmula GaAs_{0 . 970}P_{0 . 022} que tienen un espesor de 1217 \ring{A}. Entre las capas QW y las capas separadoras está dispuesta una capa de liberación de esfuerzos de GaAs que tiene un espesor de aproximadamente 50 \ring{A}. La estructura 30 de espejo comprende 27 pares o períodos de capas alternativas de GaAs que tienen un índice de refracción de aproximadamente 3,51 y de As_{0 . 96}P_{0 . 04} que tienen un índice de refracción de aproximadamente 2,94 y un espesor óptico de un cuarto de la longitud de onda fundamental. La estructura 34 de ganancia incluye también una capa de confinamiento de portadores de Ga_{0 . 51}In_{0 . 49}P, que tiene un espesor de 1588 \ring{A}, entre la última capa separadora y la estructura 30 de espejo. Está también dispuesta en el extremo opuesto de la estructura 34 de ganancia una capa de confinamiento de portadores de Ga_{0 . 51}In_{0 . 49}P que tiene un espesor de 1588 \ring{A}.

La estructura 32 semiconductora de bombeo óptico está crecida epitaxialmente sobre una oblea (substrato) de GaAs de tipo n, iniciándose el crecimiento por la estructura 34 de ganancia y disponiéndose a continuación la capa de confinamiento de portadores. La estructura 30 de espejo está crecida epitaxialmente sobre la estructura de ganancia. Después de obtenerse por crecimiento la estructura semiconductora de bombeo óptico, la oblea se ataca químicamente. La primera capa de confinamiento crecida sirve como capa de detención de ataque cuando se elimina el substrato por ataque químico. La oblea, y las estructuras crecidas sobre ella, es dividida en varias estructuras 32 semiconductoras de bombeo óptico en la forma de chips cuadrados de aproximadamente 2,0 mm por 2,0 mm.

Una estructura semiconductora de bombeo óptico (chip) se pega en primer lugar a un enfriador de microcanales (enfriador 36). Un enfriador de microcanales preferido es el modelo SA-2 comercializado por Saddleback Aerospace Corporation de los Alamitos, California. Antes de pegar la estructura semiconductora de bombeo óptico al enfriador de microcanales, se pega al enfriador de microcanales una capa relativamente delgada (de aproximadamente 0,3 mm de grosor) de diamante sintético (diamante CVD). La capa de diamante sintético tiene una función particular de gestión térmica que se comentará con más detalle posteriormente.

En métodos de la técnica anterior para pegar a diamante una capa de metalización de platino recubierta de oro, dicha capa se aplica al diamante antes de la unión. Se utiliza soldadura de indio para la unión. En las condiciones de funcionamiento contempladas para una estructura semiconductora de bombeo óptico pegada de acuerdo con el presente invento, el recubrimiento de oro puede disolverse en el material de unión de indio, provocando eventualmente una inestabilidad a largo plazo en la unión, con una deformación asociada de la estructura semiconductora de bombeo óptico. Un método de unión preferido de acuerdo con el presente invento, que se cree que puede proporcionar estabilidad superior a largo plazo y evitar la deformación potencial, consiste en disponer una metalización sobre el diamante que comprende una capa de titanio recubierta por una capa de platino solamente sin un recubrimiento de oro. La unión se realiza a continuación utilizando soldadura de indio. Se cree que tal método de unión sería superior a los métodos de unión de chip de la técnica anterior, no solamente en las condiciones de funcionamiento de alta potencia contempladas para dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento, sino para cualquier dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico.

Otro posible método de unión consistiría en utilizar un metal de soldadura eutéctico más estable de oro-estaño en vez del metal de soldadura de indio. Sin embargo, es posible en este caso que una desadaptación en el coeficiente de dilatación térmica (CTE) con respecto al diamante pueda limitar su utilización con disipadores de diamante. El problema de desadaptación del coeficientes de dilatación térmica puede evitarse mediante la utilización de materiales de disipación térmica alternativos que tienen una adaptación del coeficiente de dilatación térmica más exacta con respecto a la mezcla eutéctica de oro-estaño, tales como cobre-tungsteno (Cu-W), nitruro de boro cúbico, un compuesto de silicio-diamante, etc. Puede esperarse en este caso algún compromiso en las prestaciones de potencia de salida, sin embargo, debido a la menor eficiencia de conducción de calor de estos materiales en comparación con el diamante. El problema de desadaptación del coeficiente de dilatación térmica se hace mayor cuanto más grande es el chip.

Después de pegarse la estructura semiconductora de bombeo óptico al enfriador de microcanales-capa de diamante, se elimina por ataque químico el substrato de GaAs. Preferiblemente, se deposita un recubrimiento antirreflectante sobre la estructura 34 de ganancia así expuesta, para mejorar la entrada de luz de bombeo en la estructura de ganancia.

Con respecto al bombeo óptico de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico, cada fibra 40 suministra aproximadamente 17,0 W de radiación de 795 nm obtenida de un encapsulado de conjunto de dispositivos láser de diodo modelo FAP-30C-800-B comercializado por Coherent semiconductor Group of Santa Clara, Ca. Los espejos 44 son espejos con recubrimiento dieléctrico que tienen una reflectividad superior al 99,9% a 795 nm y un ángulo de incidencia de 28º. Las lentes 46 son dobletes cementados que tienen una distancia focal de 40,0 mm y un diámetro de 18,0 mm. Las lentes 48 son dobletes cementados que tienen una distancia focal de 21,0 mm y un diámetro de 14 mm. Estas lentes son comercializadas por Melles Griot of Irving, California. La luz de bombeo es enfocada por los espejos y las lentes en una zona de la estructura semiconductora de bombeo óptico. Un total de 34 W de luz de bombeo en el área bombeada tiene un perfil de intensidad sustancialmente gaussiano con un radio de aproximadamente 260 micras en los puntos de 1/e^{2}. Los encapsulados de conjunto de dispositivos láser de diodo citados como ejemplo que generan la luz de bombeo requieren aproximadamente 50,0 W cada uno de entrada de potencia eléctrica denominada "de enchufe" para generar 20,0 W de radiación de bombeo acoplada a las fibras 40 de trasporte.

El filtro birrefringente 52 es una placa de cuarzo que tiene un espesor de 3,08 mm orientada como se ilustra en la figura 1 a 57,1º con respecto al eje 24, estando dispuesto el eje óptico del cuarzo en el plano de la placa. Tal filtro es comercializado como Part No. BF254-6T por la VLOC Company de Port Richey, Florida. Esta orientación del filtro birrefringente 52 hace que la radiación fundamental F se polarice perpendicularmente al plano de la figura 1 como se ilustra mediante la flecha P1.

El filtro birrefringente 52 tiene picos de transmisión agudos separados aproximadamente por 35 nm, cada uno con un ancho total a la mitad de la transmisión máxima (FWHM) de aproximadamente 3 nm. La selectividad máxima se consigue manteniendo el eje óptico del cuarzo formando un ángulo de aproximadamente 45 grados con respecto a un eje definido por la intersección del plano vertical con el plano de la placa. La longitud de onda de los picos de transmisión puede desplazarse haciendo girar la placa ligeramente alrededor de un eje perpendicular a sus caras, consiguiéndose así sintonizar el filtro. La tasa de sintonía calculada, confirmada experimentalmente, es aproximadamente de 5,6 nm por grado de giro.

El espejo 28 es un espejo plano y el espejo 26 de plegado es un espejo cóncavo que tiene un radio de curvatura de 100 mm. Los espejos 26 y 30 están separados axialmente una distancia de 202 mm. Los espejos 26 y 28 están separados axialmente una distancia de 56 mm. Consiguientemente, el resonador 22 tiene una longitud axial de 258 mm (25,8 cm).

El cristal 50 ópticamente no lineal es un cristal de una longitud de 5 mm de triborato de litio (LBO) que tiene una sección transversal de 3 mm x 3 mm. El cristal está cortado para adaptación de fase de tipo 1 para una radiación 976 nm de longitud de onda. La propagación del haz fundamental tiene lugar en el plano cristalográfico X-Y. La dirección de propagación forma un ángulo de 17,1 grados con el eje. La radiación fundamental está polarizada perpendicularmente al plano X-Y (dirección paralela al eje Z). La radiación de segundo armónico está polarizada en el plano X-Y, como se ilustra mediante la flecha P2.

El dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico especificado anteriormente como ejemplo generó una potencia intracavitaria de radiación fundamental (976 nm) de aproximadamente 300 W que dio lugar a la generación de radiación de frecuencia doble (488 nm) con una potencia de salida de 5 W en el modo longitudinal simple (axial) y en el modo trasversal simple. La divergencia del haz se midió a 1,2 veces el límite de difracción (M^{2} = 1,2). La cantidad M^{2} es una medida numérica que representa el cociente entre el tamaño de haz y un tamaño limitado por difracción. Un haz de alta calidad deberá considerarse como haz que tiene un valor de M^{2} de aproximadamente 2,0 o menos. La alta calidad del haz disponible con los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento les hace útiles para aplicaciones en las cuales la radiación láser de salida debe enfocarse en un punto muy pequeño para hacer incisiones precisas en materiales inorgánicos u orgánicos, o debe aplicarse eficientemente o guiarse en una fibra óptica mediante un brazo articulado para su transporte a una posición en la que ha de
utilizarse.

Desde el punto de vista de potencia solamente, esto representa un aumento aproximado de 1000 veces en comparación con la salida de 6,0 mw comentada anteriormente de un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de frecuencia duplicada de la técnica anterior (intracavitario). Sorprendentemente, la radiación fundamental, y consiguientemente la radiación de frecuencia duplicada, presentaban un modo axial simple (longitudinal). La estabilidad temporal de la radiación de salida se estima en términos de fluctuación o ruido de salida con una magnitud menor que aproximadamente 0,05% de valor eficaz en una banda comprendida entre continua y 10 MHz. Se cree que en otras realizaciones los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento que se describen posteriormente, puede obtenerse un ruido inferior a aproximadamente 0,1%. La eficiencia de la luz de bombeo para el segundo armónico es aproximadamente del 10%. La eficiencia eléctrica referida al segundo armónico es aproximadamente del 4%. En general, puede conseguirse una eficiencia de luz de bombeo referida al segundo armónico del 3,0% o superior en realizaciones adecuadas de dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento comentadas en la presente memoria.

La desintonía de la cavidad (desplazando el espejo 28 axialmente apartándolo del espejo 36 de plegado) para reducir el tamaño de punto del haz en la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico, con funcionamiento forzado en modo transversal múltiple, permitió la obtención de una potencia de salida de hasta 7,5 W a 488 nm, obteniendo así una eficiencia y una potencia incluso mayor a expensas de una calidad de haz reducida debido al funcionamiento en modo múltiple. Se comenta con detalle adicional posteriormente la relación entre tamaño de modo y área de bombeo (tamaño de punto-bombeo) en relación con el aspecto de asegurar un funcionamiento en modo axial simple.

La alta potencia de salida a 488 nm del dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento se obtiene con una potencia eléctrica de entrada total a los diodos generadores de luz de bombeo de aproximadamente 100 W. En dispositivos láser de la técnica anterior, podía obtenerse solamente radiación a 488 nm de calidad de haz de alta potencia de varios vatios como salida de dispositivos láser de iones de argon (en fase gaseosa). Estos dispositivos láser requieren típicamente varios miles de vatios (hasta 30 KW) de entrada de potencia eléctrica. Consiguientemente, el dispositivo láser propuesto anteriormente como ejemplo de acuerdo con el presente invento proporciona una mejora en la eficiencia de conversión de energía eléctrica en energía óptica de dos órdenes de magnitud para dispositivos láser de 488 nm.

Continuando ahora con la descripción de realizaciones preferidas de dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento, un aspecto importante del ejemplo comentado anteriormente de un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico es el descubrimiento de que tal potencia fundamental de alto valor puede ser generada por una estructura semiconductora de bombeo óptico, prestando atención, entre otras cosas, a la gestión térmica de la estructura semiconductora de bombeo óptico con bombeo intenso en combinación con un aumento de las dimensiones del resonador en mayor grado que los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de la técnica anterior.

Habiendo establecido experimentalmente que puede obtenerse tal potencia de segundo armónico y fundamental de alto valor, es posible modelizar numéricamente otros dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento basados en la misma estructura o estructuras 32 semiconductoras de bombeo óptico y disposiciones de "resonador largo", similares a la del láser 20, que generan otras longitudes de onda fundamentales y de segundo armónico con una potencia de salida similar.

En particular, puede generarse radiación de onda continua de alta potencia en la región espectral de ultravioleta, por ejemplo de aproximadamente 375 nm, utilizando una estructura 32 semiconductora de bombeo óptico con una estructura 34 de ganancia que tiene pozos cuánticos de In_{x}Ga_{1-x}P con capas separadoras de In_{y}Ga_{1-y}As_{z}P_{1-z} entre ellas. Tal estructura semiconductora de bombeo óptico, bombeada con radiación de 670 nm generada por dispositivos láser de diodo acoplados por fibra, por ejemplo la comercializada por SDL, Inc., de San José de California con el número de parte 7470 P-5, proporciona ganancia a 750 nm. Puede utilizarse un resonador similar al resonador 22 de la figura 1, con un filtro birrefringente 52 similar, sintonizado en ángulo adecuadamente y con un cristal 50 ópticamente no lineal de LBO dispuesto para duplicar en frecuencia la radiación de 750 nm. Con respecto a esto, el cristal de LBO está cortado preferiblemente para propagación en el plano cristalográfico X-Y, con un ángulo de 37,5 grados con respecto al eje X. Las polarizaciones de la radiación fundamental y de la radiación de segundo armónico son idénticas a las del láser 20 (longitud de onda fundamental de 976 nm) expuesto anteriormente como ejemplo.

La eficiencia de conversión referida a la radiación de 750 nm para el cristal de LBO se calcula para ser ligeramente superior (en un 17%) a la eficiencia de conversión referida a radiación de 976 nm para longitudes idénticas del cristal ópticamente no lineal. Esto da lugar a un equilibrio de dos factores opuestos. La no linealidad efectiva (coeficiente no lineal) del LBO a 750 nm es menor, aproximadamente en 1,0 picometros por voltio (pm/V), que un valor de 1,2 pm/V a 975 nm, debido al ángulo de propagación diferente. La eficiencia de conversión global, sin embargo, es proporcional al cuadrado del coeficiente no lineal, pero es también proporcional a la inversa del cuadrado de la longitud de onda. Consiguientemente, la longitud de onda más corta (750 nm) es fundamental para proporcionar la mejora comentada anteriormente de la eficiencia de conversión total.

En un ejemplo de simulación numérica de un láser 20 de longitud de onda fundamental igual a 750 nm, con duplicación de frecuencia, una potencia de 12,0 W de luz de bombeo a 670 nm, obtenida de conjuntos o módulos de dispositivos láser de diodo acoplados por cuatro fibras, utilizando un crista de LBO de 5 mm de longitud para el dispositivo 20 láser semiconductor de bombeo óptico, dio lugar a una potencia de salida calculada superior a un vatio a la longitud de onda de segundo armónico de 375 nm. Utilizando una potencia de bombeo mayor generada por el mismo número de conjuntos de láser de diodo de más potencia, o por más conjuntos de la misma potencia, puede obtenerse una potencia de salida a 375 nm comparable a la potencia de salida a 488 nm comentada anteriormente como ejemplo para el mismo resonador. La utilización de más conjuntos de luz de bombeo es posible utilizando una disposición de generación de luz de bombeo alternativa que se comenta con detalle adicional posteriormente.

Habiendo establecido experimentalmente, y corroborado numéricamente, que puede generarse tal potencia fundamental de alto valor, es posible configurar otros dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el invento del tipo de "resonador largo" basados en las mismas estructuras semiconductoras de bombeo óptico, para generar radiación de tercer armónico (3H) y cuarto armónico (4H), y calcular con fiabilidad la potencia de salida que puede generarse a tales longitudes de onda de tercer y cuarto armónico en la región ultravioleta del espectro electromagnético. Se exponen posteriormente descripciones de tales configuraciones de resonador, explicando como ejemplo la generación de la radiación de tercer armónico de 750 nm y la radiación de cuarto armónico de 976 nm.

Con referencia ahora a la figura 4, se ilustra esquemáticamente un láser 60 que incluye un resonador 23. El láser 60 es idéntico en la mayoría de sus aspectos al láser 20 de la figura 1, con las siguientes excepciones. El espejo 28 está recubierto para alta reflectividad a las longitudes de onda de frecuencia fundamental y de segundo armónico (2H). El espejo 26 tiene su reflectividad máxima a la longitud de onda de la frecuencia fundamental y tiene un alto grado de transmisión a las longitudes de onda de segundo y tercer armónicos. Está situado un cristal 62 ópticamente no lineal entre el cristal 50 ópticamente no lineal y el espejo 26 en el brazo plegado 23A del resonador 23. El cristal 62 ópticamente no lineal está dispuesto para mezclar las longitudes de onda (frecuencias) fundamental y de segundo armónico, generando así radiación de frecuencia triple, indicada en la figura 4 por flechas triples 3H. Tanto la radiación de segundo armónico como la radiación de tercer armónico salen del resonador 23 a través del espejo 26 de plegado. Las radiaciones de segundo y tercer armónico son separadas a continuación por un separador 64 de haz
dicroico.

Se sabe ahora que la generación de radiación de tercer armónico (mezclando las frecuencias fundamental y de segundo armónico) es proporcional (dependiendo de las características del cristal ópticamente no lineal) al producto de la potencia a la frecuencia fundamental por la potencia de segundo armónico. De este modo, en base a los valores establecidos experimentalmente para estas potencias en este resonador, y a los valores documentados para la eficiencia de generación de tercer armónico de diversos materiales ópticamente no lineales, puede predecirse con un alto grado de fiabilidad que el ejemplo descrito anteriormente de un láser 60 que utiliza borato de bario \beta (BBO) para el cristal 62 ópticamente no lineal, puede generar potencia de salida de laser a la frecuencia fundamental en onda continua verdadera de modo de propagación simple de 150 mW aproximadamente con una longitud de onda de 250 nm, suponiendo una potencia fundamental intracavitaria de aproximadamente 300 W a 750 nm, que genera aproximadamente 5,0 W de radiación de segundo armónico (375 nm).

Está cortado una cristal de borato de bario \beta (cristal 62) adecuado para propagación con un ángulo de 48 grados con respecto al eje óptico, en un plano que contiene al eje óptico (Z) y que forma un ángulo de 30 grados con el plano cristalográfico X-Z. La radiación de la frecuencia fundamental y la radiación de segundo armónico se propagan con una polarización perpendicular al eje óptico (polarización ordinaria). La radiación de tercer armónico se genera con un plano de polarización extraordinario (perpendicular al de polarización de la frecuencia fundamental).

Cálculos basados en datos publicados por los fabricantes de cristales (CASIX) indican que enfocando 300 W de radiación de 750 nm hasta un radio de 60 \mum en el cristal 62 ópticamente no lineal (en el brazo 20A del resonador 20), junto con 5 W de radiación de segundo armónico enfocada coaxialmente en el mismo cristal hasta un radio de 50 nm, se generan aproximadamente 150 mW de radiación de tercer armónico de 250 nm. El cristal de borato de bario \beta descrito anteriormente utiliza adaptación de fase de tipo I. Esto significa que la radiación de la frecuencia fundamental y la radiación de segundo armónico deben tener el mismo tipo de polarización dentro del cristal. El cristal de borato de litio generador de radiación de segundo armónico (cristal 50 ópticamente no lineal), sin embargo, genera radiación de segundo armónico con un plano de polarización ortogonal al de la radiación fundamental. El plano de polarización de la radiación de segundo armónico, consiguientemente, debe girarse 90 grados antes de que entre en el cristal 62 ópticamente no lineal. Esto puede conseguirse mediante una placa de cuarzo birrefringente (rotador de plano de polarización) de un diseño tal que introduce un retardo de un múltiplo entero par de \pi para la radiación fundamental, y un retardo de un múltiplo entero impar de \pi para la radiación de segundo armónico.

Tal rotador de plano de polarización (ilustrado en la figura 4 en líneas ocultas como rotador 65 de plano de polarización) está insertado en la trayectoria común (brazo 20A) de la radiación fundamental y la radiación de segundo armónico entre los cristales 50 y 62 ópticamente no lineales. El rotador 65 de plano de polarización deja inalterada la polarización de la radiación fundamental, y gira la polarización lineal de la radiación de segundo armónico una cantidad igual al doble del ángulo que forman la dirección de polarización inicial y la dirección del eje óptico de la placa de retardo.

Como alternativa, puede cortarse un cristal de borato de bario \beta para mezclado de tipo II, de modo que el rotador 65 de plano de polarización no se requiere para modificar la polarización de la radiación de segundo armónico. Sin embargo, puede esperarse que la conversión en este caso sea menos eficiente.

No se evita la disposición de un espejo de resonador o reflector en cualquier cristal ópticamente no lineal en un resonador de dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento. Sin embargo, pueden requerirse medidas adicionales, tales como el control de temperatura del cristal, para resolver los requerimientos de alineación conflictiva para el resonador y el cristal.

En el resonador 23 de la figura 4, la generación de tercer armónico a partir de la radiación fundamental de 970 nm es posible también utilizando las alternativas comentadas anteriormente para la radiación fundamental de 750 nm. Simulaciones numéricas indican que tal sistema de generación de tercer armónico podría generar aproximadamente 150 mW de radiación con una longitud de onda de 325 nm. Los expertos en la técnica pueden determinar a partir del ejemplo comentado anteriormente los parámetros adecuados del cristal no lineal sin ninguna descripción detallada adicional. Consiguientemente, no se presenta en la presente memoria tal descripción detallada.

La radiación de tercer armónico de 150 mW a la que se ha hecho referencia en el ejemplo anterior representa un aumento de más de veinte veces en la potencia de generación del tercer armónico en comparación con la potencia que se cree máxima reportada en la técnica anterior para generación solamente en el segundo armónico. La disposición para generar esta radiación de tercer armónico representada por el láser 60, sin embargo, es presumiblemente una aproximación más bien ineficiente a la generación intracavitaria de radiación de tercer armónico. Son posibles mejoras significativas en la potencia de salida de armónicos en otra familia de resonadores de dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento que se comentan posteriormente, comenzando con referencia a la figura 5.

En la figura 5, se ilustra esquemáticamente otra realización adicional 70 de un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento. El láser 70 incluye dos resonadores 25 y 27 que tienen una trayectoria axial 35 común (indicada en negritas en la figura 5) en una porción de su longitud total. El resonador 25 puede definirse como "resonador fundamental" y está terminado en uno de sus extremos por el espejo 28 y en el otro extremo por la estructura 30 de espejo de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico. El resonador 25 está plegado por un espejo 26 de plegado. La estructura 32 semiconductora de bombeo óptico está montada y es bombeada como se ha descrito anteriormente por los dispositivos láser 20 y 60. Para mayor claridad, solamente se ilustra en la figura 5 una fibra de suministro de luz de bombeo y los dispositivos ópticos de enfoque asociados.

El resonador 27 puede definirse como "resonador de segundo armónico". Se utiliza para aumentar el nivel de la radiación de segundo armónico hasta valores mucho más altos que los que se consiguen en las disposiciones de doble paso simples de los resonadores 22 y 23 descritos anteriormente. El resonador 27 está terminado en un extremo por el espejo 28 y en el otro extremo por un espejo 74. El resonador 27 está también plegado por un espejo 26 de plegado. El espejo 26 de plegado en esta realización está recubierto para reflexión máxima a la longitud de onda fundamental y a la longitud de onda de segundo armónico y para transmisión máxima a la longitud de onda de tercer armónico. El espejo 28 en esta realización tiene un recubrimiento adecuado para reflexión máxima a las longitudes de onda fundamental, de segundo armónico y de tercer armónico. Los ejes de los resonadores están plegados mediante un separador 72 de haz dicroico recubierto para reflexión máxima a la longitud de onda del segundo armónico y transmisión máxima a la longitud de onda de la frecuencia fundamental. Consiguientemente, la trayectoria axial común (en este caso plegada) de los resonadores 25 y 27 se extiende entre el separador 72 de haz y el espejo 28. Se destaca en este caso que se cree que todos los recubrimientos mencionados anteriormente están comprendidos en las capacidades de los suministradores comerciales de servicios ópticos y de recubrimiento. Uno de tales suministradores es Coherent Aubum Group of Aubum, California.

Está situado en la trayectoria óptica común de los resonadores 25 y 27, próximo al separador 72 de haz, un cristal 50 ópticamente no lineal para duplicar la longitud de onda fundamental. La radiación de segundo armónico generada por el duplicador de frecuencia circula y se acumula en el resonador 27, aumentando así enormemente la cantidad de radiación de segundo armónico intracavitaria en comparación con la disposición simple de "doble paso" del láser 20 de la figura 1. Está situado en la porción plegada común 27A de los resonadores 25 y 27 (en los que, por supuesto, circulan tanto la radiación fundamental como la radiación de tercer armónico) un cristal 62 ópticamente no lineal dispuesto para mezclar la radiación fundamental y la radiación de segundo armónico para generar radiación de tercer armónico. La radiación de tercer armónico así generada sale de los resonadores a través del espejo 26 de plegado. En lo que respecta a los resonadores en general, deberá observarse lo siguiente.

Esa preferible que los resonadores 25 y 27 tengan la misma longitud aproximadamente y estén configurados ópticamente de un modo similar. Esta disposición hace que el tamaño de modo para la radiación fundamental y la radiación de segundo armónico sea aproximadamente el mismo, haciendo así máxima la eficiencia de mezclado. Es preferible también que los resonadores estén adaptados interferométricamente para mantener una relación de fase óptima entre la radiación fundamental y la radiación de segundo armónico circulantes en la posición en la que está situado el cristal 50 ópticamente no lineal. Esto se requiere para asegurar que la radiación de segundo armónico generada en el cristal 50 ópticamente no lineal se sume, en fase, a la radiación de segundo armónico que circula en el resonador de radiación de segundo armónico. Esto asegura que la radiación de segundo armónico circulante pueda aumentar hasta niveles altos, proporcionando así una alta eficiencia de conversión en el cristal de mezclado de borato de bario \beta (cristal 62 ópticamente no lineal). A este respecto, es preferible también que el resonador 25 de la frecuencia fundamental funcione solamente en un modo axial simple para evitar la pérdida de potencia por competencia de modos. Las condiciones para proporcionar un funcionamiento de modo axial simple se comentan con detalle adicional posteriormente.

Una disposición para proporcionar adaptación interferométrica de los resonadores consiste en disponer un controlador axial 76, tal como un controlador piezoeléctrico, para el espejo 74 del resonador 27. Dado que el espejo 74 está controlado axialmente, la radiación de segundo armónico circulante crece hasta un nivel máximo y cae hasta un nivel mínimo (que puede ser nulo o casi nulo) correspondientes, respectivamente, a una condición de concordancia de fase máxima y a una condición de desfase máximo en el cristal 50 ópticamente no lineal para la radiación fundamental y la radiación de segundo armónico (ondas estacionarias). Correspondientemente, la potencia de salida para el tercer armónico aumentaría y disminuiría. Un separador 78 de haz dirige una pequeña fracción de muestra de tercer armónico de la salida de radiación de tercer armónico a un detector 80. El detector 80 coopera con un controlador 82 que ajusta el controlador 76 para mantener una potencia de salida máxima.

Como se ha indicado anteriormente, la tasa de generación de radiación de tercer armónico es proporcional al producto de la potencia de la radiación fundamental por la potencia de la radiación de segundo armónico. Incorporando un segundo resonador para potencia de segundo armónico, el láser 70 hace que esté disponible una potencia de segundo armónico mucho mayor para mezcla en comparación con el caso del láser 60 de la figura 4, y adicionalmente sin que se requiera ningún aumento en la potencia de la radiación fundamental. De este modo, en base a los valores comentados anteriormente para potencias disponibles de la radiación fundamental en este resonador y en base a los valores documentados para la eficiencia de generación de segundo armónico del borato de litio, puede determinarse numéricamente que se generarían 300 W de radiación circulante de 750 nm y aproximadamente 200 W de radiación circulante de 375 nm en el resonador 27. La combinación de doble paso de estos componentes en un cristal 62 ópticamente no lineal de borato de bario \beta puede generar aproximadamente 4 W de potencia de salida láser de modo simple, de onda continua verdadera, a una longitud de onda de 250 nm. Pueden determinarse niveles similares de potencia de salida para la radiación de 325 nm para la conversión de tercer armónico de la radiación de 976 nm. Esto supone un aumento de más de seis centenares de veces en la potencia de la generación de tercer armónico en comparación con lo que se cree que son niveles máximos reportados para la generación de segundo armónico solamente en dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de la técnica anterior.

Un cristal ópticamente no lineal (de mezclado) preferible para el láser 70, es idéntico al que se ha comentado anteriormente con referencia al láser 60. Deberá cuidarse el diseño del resonador 25 del láser 70, sin embargo, en particular en lo concerniente a los tamaños de los haces dentro de los cristales 50 y 62 ópticamente no lineales.

Los haces de la frecuencia fundamental y de segundo armónico son enfocados preferiblemente muy juntos en el cristal 62 ópticamente no lineal para hacer máxima la eficiencia de conversión (de mezcla). Se prefiere un margen óptimo de tamaños de haz mayores, sin embargo, para la radiación fundamental en el cristal 50 ópticamente no lineal (duplicación de frecuencia). Una modelización numérica rigurosa de los resonadores 25 y 27 acoplados indica que para un cristal de borato de litio que tenga una longitud de 15 mm, los tamaños de punto para el haz fundamental en la estructura semiconductora de bombeo óptico y en el cristal doblador de frecuencia son preferiblemente muy parecidos. Este resultado simplifica el diseño del resonador, puesto que hace posible colocar el cristal duplicador próximo a la estructura semiconductora de bombeo óptico (como se ilustra en la figura 5) sin tener que crear en la trayectoria óptica común de los resonadores 25 y 27 un estrechamiento de enfoque concentrado en el que colocar el cristal 50 ópticamente no lineal (de duplicación de frecuencia). En una configuración de resonador preferida, el haz de frecuencia fundamental tiene un tamaño de punto de aproximadamente 200 \mum en la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico, un tamaño de punto de 200 \mum en el cristal 50 ópticamente no lineal, y un tamaño de punto de aproximadamente 50 \mum en el cristal 62 ópticamente no lineal. El resonador 27 de segundo armónico está diseñado de tal modo que el tamaño de punto del haz de segundo armónico en el cristal 50 ópticamente no lineal es aproximadamente de 150 \mum, y en el cristal 62 ópticamente no lineal es aproximadamente de 40 \mum.

Con referencia ahora a la figura 6, se ilustra otra realización adicional 90 de un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento. El láser 90 incluye dos resonadores 29 y 31 que tienen una trayectoria axial común 35 (indicada en línea negrita en la figura 6) en una parte de su longitud total. El resonador 29 puede definirse como "resonador fundamental" y está terminado en un extremo por el espejo 26 y en el otro extremo por la estructura 30 de espejo de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico. La estructura 32 semiconductora de bombeo óptico está montada y bombeada como se ha descrito anteriormente para los dispositivos láser 20 y 60. Para mayor claridad, solamente se ilustra en la figura 6 una fibra de suministro de luz de bombeo y los accesorios ópticos de enfoque asociados.

El resonador 31 puede definirse como "segundo resonador de armónicos". El resonador 31 está terminado en un extremo por un espejo 74 y en el otro extremo por un espejo 92. El resonador 31 está plegado por un espejo 94 de plegado. El espejo 28 en esta realización tiene un recubrimiento adecuado para reflexión máxima a la longitud de onda fundamental. El espejo 74 tiene un recubrimiento adecuado para reflexión máxima a la longitud de onda del segundo armónico. El espejo 92 tiene un recubrimiento adecuado para reflexión máxima a la longitud de onda fundamental, de segundo armónico y de cuarto armónico. El espejo 94 tiene un recubrimiento adecuado para reflexión máxima a la longitud de onda del segundo armónico y transmisión máxima a la longitud de onda del cuarto armónico.

Los ejes de los resonadores están plegados por separadores 72 y 73 de haz dicroicos, cada uno de los cuales tiene un recubrimiento adecuado para reflexión máxima a la longitud de onda del segundo armónico y transmisión máxima a la longitud de onda fundamental. Consiguientemente, la trayectoria axial común de los resonadores 29 y 31 se extiende solamente entre los separadores 72 y 73 de haz. Por razones comentadas anteriormente, el espejo 74 está montado sobre un accionador 76 controlado por un controlador 82 de acuerdo con la potencia detectada por el detector 80 para adaptar interferométricamente los resonadores 29 y 31.

El cristal 50 ópticamente no lineal está dispuesto para duplicar la frecuencia de la radiación fundamental que circula a lo largo de la trayectoria común 37 de los resonadores 29 y 31. La radiación duplicada en frecuencia así generada circula y se acumula en el resonador 31. Está situado otro cristal 67 ópticamente no lineal en la porción plegada 31A del resonador 31 entre los espejos 92 y 94 del mismo. El cristal 67 ópticamente no lineal está dispuesto para duplicar la frecuencia de la radiación de segundo armónico de frecuencia duplicada circulante, generando así una radiación de frecuencia cuadruplicada (4H). La radiación de frecuencia cuádruple sale del resonador 31 a través del espejo 94 de plegado.

Tal configuración de resonadores es ventajosa en la generación de una radiación de 244 nm mediante la generación de radiación del cuarto armónico de 976 nm. Un cristal 50 ópticamente no lineal preferido (para duplicación de frecuencia) para esta aplicación, es un cristal de borato de litio que tiene una longitud de aproximadamente 15,0 mm, con una orientación de los ejes cristalográficos idéntica a la de los descritos anteriormente con referencia al dispositivo 20 láser semiconductor de bombeo óptico de la figura 1. El cristal 67 ópticamente no lineal (de cuadruplicación de frecuencia) es preferiblemente un cristal de BBO que tiene una longitud aproximada de 8,0 mm. Este cristal está cortado preferiblemente para propagación con un ángulo de 54 grados con respecto al eje óptico, en un plano que contiene al eje óptico (Z) que forma un ángulo de 30 grados con el plano cristalográfico X-Z del cristal ópticamente no lineal.

La radiación de segundo armónico se propaga con un plano de polarización perpendicular al eje óptico (polarización ordinaria) de la radiación de frecuencia cuádruple, generándose la radiación de frecuencia cuádruple con una polarización extraordinaria (con un plano perpendicular al de polarización del segundo armónico). Preferiblemente el espejo 26 de plegado tiene un radio de curvatura de 30 cm, el espejo 94 tiene un radio de curvatura de 10 cm, y los espejos 74 y 92 son espejos planos.

Se aplican, en lo que se refiere al tamaño de punto del haz en los cristales 50 y 67 ópticamente no lineales, consideraciones similares a las que se aplican para los cristales 50 y 63 de la figura 5. Simulaciones numéricas indican que existe un tamaño de haz óptimo, relativamente grande, para los haces que se propagan en el interior del cristal 50 ópticamente no lineal (duplicador de frecuencia). El tamaño de punto de la radiación fundamental en el cristal 50 ópticamente no lineal (duplicador) es preferentemente idéntico al tamaño de punto de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico, para una longitud del cristal de aproximadamente 15 mm. El resonador 31 de segundo armónico está dimensionado para generar un tamaño de punto de segundo armónico en el cristal 67 ópticamente no lineal, igual al tamaño de punto del haz fundamental dividido por la raíz cuadrada de 2 (1,414), de modo que un haz sostenido por el resonador 31 tiene el mismo tamaño transversal que el haz generado por el cristal 50 ópticamente no lineal. La radiación de segundo armónico es enfocada por el espejo cóncavo 94 de plegado hacia el interior del cristal 67 ópticamente no lineal, hasta un tamaño de punto de aproximadamente 50 micras (radio para 1/e^{2}).

Otro material preferido para el cristal 67 ópticamente no lineal es el borato de cesio litio (CLBO). Este material puede sustituir ventajosamente al borato de bario \beta para duplicar en frecuencia la radiación de 488 nm en esta y otras aplicaciones. Un cristal de borato de cesio litio para duplicar en frecuencia la radiación de 488 nm está cortado preferiblemente para propagación del haz con un ángulo de 75,7 grados con respecto al eje Z, en un plano que contiene este eje y forma un ángulo de 45 grados con el plano X-Z. La radiación de 244 nm así generada está polarizada en el plano definido por la dirección de propagación y el eje Z (polarización extraordinaria), estando polarizada la radiación de 488 nm en un plano perpendicular al de la radiación de 244 nm. La eficiencia no lineal del borato de cesio litio para esta aplicación es idéntica a la del borato de bario \beta. El borato de cesio litio, sin embargo, tiene una ventaja importante consistente en una aceptación angular cinco veces mayor que la del borato de bario \beta y un ángulo de fuga cuatro veces más pequeño que el del borato de bario \beta. Un ángulo de aceptación mayor y un ángulo de fuga menor contribuyen a aumentar la eficiencia de conversión neta de un cristal ópticamente no lineal. Consideraciones de primer orden sobre el ángulo de aceptación y el ángulo de fuga indican que la eficiencia de conversión del borato de cesio litio puede ser potencialmente varias veces mayor que la eficiencia del borato de bario \beta. Estas consideraciones de primer orden son aplicables en general a la duplicación de frecuencia de una radiación que tiene una longitud de onda comprendida aproximadamente entre 425 nm y 525 nm en cualquier resonador. La radiación en ese margen de longitudes de onda puede ser la radiación fundamental o la radiación de armónicos de cualquier medio de ganancia.

Aun cuando se han descrito anteriormente realizaciones de dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de alta potencia de acuerdo con el presente invento con respecto a disposiciones de multiplicación de frecuencia intracavitarias, será evidente para los expertos en la técnica que el láser semiconductor de bombeo óptico de alta potencia de acuerdo con la presentación puede funcionar, sin cristales ópticamente no lineales intracavitarios, simplemente como fuente eficiente de radiación fundamental en modo simple de alta potencia. Puede conseguirse una potencia de salida en modo fundamental de al menos 2 W, e incluso mayor que 5 W, en las realizaciones de resonador de radiación fundamental de un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento.

A modo de ejemplo, se generaron 10 W de radiación fundamental en modo axial simple de 976 nm en un dispositivo láser 20F semiconductor de bombeo óptico que incluía un resonador 22F lineal simple (no plegado) formado por un espejo de acoplamiento de salida cóncavo (28F) y una estructura 30 de espejo de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico. El espejo 28F tiene un radio de curvatura de 30 cm y está separado de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico por una distancia de aproximadamente 15,0 cm. Está incluido preferiblemente un filtro birrefringente 52 en el resonador 22F. Esta disposición permite el ajuste de la longitud de onda de salida que puede requerirse si las tolerancias de fabricación de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico proporcionan una ganancia máxima a alguna longitud de onda ligeramente desplazada de la longitud de onda de salida deseada.

Tal dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el invento podría utilizarse como fuente de radiación para multiplicación de frecuencia extracavitaria utilizando indistintamente una disposición de paso simple de cristales ópticamente no lineales o dirigiendo la radiación fundamental hacia un resonador de anillo extracavitario de acuerdo con la técnica anterior, que incluye o está formado por un material ópticamente no lineal. Un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de alta potencia de acuerdo con el presente invento puede también proporcionar una fuente de radiación fundamental (bombeo) para un oscilador paramétrico óptico (OPO), bombeado colinealmente o no colinealmente. Tales disposiciones se describen en la solicitud de patente de EE. UU. en tramitación con el número 09/179,022 de los mismos autores del presente invento.

Continuando ahora con una descripción del control de modo y otros aspectos de escalado del presente invento, un descubrimiento sorprendente ha sido que el funcionamiento en modo axial simple de los láseres de acuerdo con el invento se consiguió simplemente incluso con las longitudes de resonador relativamente grandes requeridas para el funcionamiento en alta potencia considerado como ejemplo. La longitud de resonador grande se requiere por las razones siguientes, entre otras.

La estructura de ganancia de un dispositivos láser semiconductores de un dispositivo de bombeo óptico con cavidad externa tiene algunas limitaciones inherentes debido a la necesidad de absorber fuertemente la luz de bombeo en las capas que separan a las capas de pozo cuántico. Estas capas de pozo cuántico están preferiblemente separadas óptimamente en media longitud de onda de la radiación fundamental. Investigaciones de la técnica anterior de tales estructuras parecen haber dado como resultado una creencia general entre los que ponen en práctica esta técnica de que un número de aproximadamente 15 de tales capas de pozo cuántico está cerca del óptimo. Esto resulta al menos de una consideración de que la luz de bombeo, por absorción en la estructura, puede no penetrar efectivamente a través de más de quince semilongitudes de onda en profundidad. Deberá observarse ahora que la utilización de estructuras de ganancia con quince capas QW en ejemplos de dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento no deberá suponer una limitación de los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico del invento o indicación de que ha llegado a un límite la optimización de la profundidad y contenido de pozos cuánticos de tales estructuras de ganancia. En el desarrollo de dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el invento, se ha hecho simplemente hincapié, con éxito evidente, en la consideración de otros temas de escalado y otros temas estructurales de las estructuras semiconductoras de bombeo óptico. Se expone posteriormente una discusión de tales otros temas.

Considerando, para los fines de esta descripción, que existe algún límite, cualquiera que sea, en la profundidad o contenido de capas QW de las estructuras de ganancia de dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico con cavidad externa, es necesaria otra aproximación para aumentar la ganancia disponible (y consiguientemente la potencia) en la estructura de ganancia. Una de tales aproximaciones para aumentar la potencia de salida de acuerdo con el presente invento consiste en aumentar el área bombeada de la estructura semiconductora de bombeo óptico.

Con el fin de aprovechas la ventaja de un área bombeada mayor, sin embargo, debe aumentarse la longitud de un resonador de tal modo que el tamaño de modo del resonador sea suficiente para extraer toda la ganancia disponible en el área bombeada. La longitud del resonador se aumenta en proporción al cuadrado del aumento del tamaño de modo. Consiguientemente, habiendo obtenido una potencia creciente, entre otras cosas aumentando el tamaño de modo, las dimensiones de los resonadores de dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico con cavidad externa de acuerdo con el invento se apartan radicalmente de la compacidad de la técnica anterior que se deduce de las enseñanzas de la técnica anterior como una característica específica atractiva de los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico. Ciertamente, las dimensiones de los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento vienen a ser comparables con las dimensiones de los resonadores de láser de estado sólido de bombeo óptico de diodo de la técnica anterior de una potencia de salida y calidad del haz similares. Como será evidente por esta descripción, sin embargo, estos resonadores del invento, particularmente los dispuestos para conversión de frecuencia intracavitaria, tienen ciertas características específicas de diseño relacionadas particularmente con la utilización de una estructura semiconductora de bombeo óptico como medio de ganancia.

Un problema anticipado originalmente en el aumento drástico de la longitud de un resonador externo de dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico es el problema del control de modo, específicamente cuando funciona en un modo axial simple. El funcionamiento en modo axial simple es preferido, entre otras cosas, para hacer máxima y disminuir la fluctuación temporal de la potencia de salida. Como se ha indicado anteriormente, el funcionamiento de un "resonador fundamental" en un modo axial simple es particularmente preferido en realizaciones de multiplicación de frecuencia IC de resonadores múltiples con dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento.

En los resonadores láser de estado sólido de bombeo de diodo de la técnica anterior, al aumentar la longitud de un resonador, aumenta también el número de posibles modos de oscilación axiales (longitudinales), sin que existan medidas para evitar esto. Se anticiparía también a primera vista que este problema resultaría exacerbado en un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico debido al mayor ancho de banda de ganancia de un medio de ganancia semiconductor, en comparación con un medio de ganancia de estado sólido (con dopante residente) de un dispositivo láser de estado sólido bombeado de diodo de la técnica anterior.

Típicamente, un gran número de modos axiales lleva a una salida de potencia fluctuante (ruidosa) al competir los modos caóticamente para obtener ganancia en el medio de ganancia. Las medidas de la técnica anterior que se han adoptado en dispositivos láser de estado sólido de bombeo de diodo para limitar el número de modos de oscilación y reducir el ruido de salida, incluyen la colocación selectiva del medio de ganancia en el resonador en posiciones en las que las relaciones de fase entre modos adyacentes limitan esta competencia de modos. Esta solución ha tenido solamente un éxito limitado en dispositivos láser de estado sólido de bombeo de diodo de la técnica anterior. Se cree que prácticamente ha sido posible solamente el funcionamiento en modo simple verdadero en dispositivos láser de la técnica anterior estabilizando mecánicamente el resonador e incluyendo un elemento altamente selectivo a la longitud de onda en el resonador, con sus problemas asociados de pérdidas en el resonador, mantenimiento de la sintonía, etc.

Sorprendentemente, se ha encontrado que es posible el funcionamiento en modo axial simple en un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de alta potencia de acuerdo con el presente invento con aparente independencia de la longitud física del resonador, al menos hasta los 25 cm de longitud del láser del invento propuesto anteriormente como ejemplo. Se cree que esta longitud podría aumentarse adicionalmente de un modo significativo, por ejemplo hasta 100 cm o más al tiempo que se mantiene aun el funcionamiento en modo axial simple sin ninguna disposición especial para proporcionar tal funcionamiento.

Se cree, sin que exista ninguna limitación a una teoría particular, que este sorprendente descubrimiento puede explicarse del modo siguiente. En todas las realizaciones del presente invento descritas anteriormente, la estructura 34 de ganancia de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico está situada precisamente al final del "resonador fundamental", posición en la cual todos los posibles modos de funcionamiento axial (ondas estacionarias) tienen un nodo, es decir están exactamente en fase.

Una estructura de ganancia semiconductora de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento, tiene una longitud aproximada de solamente siete longitudes de onda. El propio resonador puede tener decenas de miles o incluso centenares de miles de longitudes de onda de longitud. Consiguientemente, incluso los modos muy separados numéricamente (es decir, N y N\pmm, donde m es un número entero) no quedan apreciablemente fuera de fase dentro del medio de ganancia.

Ahora, la estructura de ganancia semiconductora de bombeo óptico, con capas QW separadas media longitud de onda, proporciona solamente ganancia en una región estrecha separada media longitud de onda. Consiguientemente, dado que las longitudes de onda reales de modos adyacentes posibles difieren fraccionalmente a lo sumo solamente unas pocas millonésimas de longitud de onda, o unos pocos centenares del ancho de las capas de pozo cuántico, todos los modos posibles tienen la misma oportunidad de extraer la ganancia disponible. El modo que comienza a oscilar primero gana la "competición de modos" e impide a los demás obtener la ganancia necesaria para oscilar, forzando así el funcionamiento en modo axial simple.

Para asegurar un funcionamiento en modo simple verdadero (frecuencia única o propagación TEM_{00}) en un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento, es preferible diseñar resonadores en los que, como se ha descrito anteriormente a modo de ejemplo, el área bombeada (punto de bombeo) y el tamaño del punto para la radiación fundamental en la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico sean aproximadamente idénticos, es decir la relación entre el tamaño del punto de bombeo y el tamaño de modo sea aproximadamente igual o menor que la unidad (1,0). Esto prueba que existe una ganancia insuficiente disponible fuera del tamaño de punto para propagación TEM_{00} para soportar otros modos transversales de oscilación de diferentes frecuencias al tiempo que se obtiene aun una ganancia máxima del área bombeada.

Los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico descritos anteriormente de acuerdo con el presente invento se han descrito en base a disponer de resonadores físicamente largos, entendiéndose que cuando se habla de longitud del resonador se hace referencia a la longitud axial o distancia entre los espejos de extremo del resonador. Los expertos en la técnica, sin embargo, reconocerán que el aumento de la longitud física del resonador no es el único modo de proporcionar un tamaño de modo grande en la estructura 34 de ganancia de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico para aumentar la potencia. Incorporando un sistema óptico adecuado dentro de un resonador se puede producir una gran "longitud equivalente" para el resonador, incluso cuando la longitud real (física) del resonador sea relativamente pequeña. Esto puede utilizarse para obtener un tamaño de punto grande en una estructura semiconductora de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento con un resonador que tenga una longitud física relativamente corta. Se describe en un artículo de Hanna y otros, publicado en Opt. Quantum Electrón. 13, 493 (1981), un ejemplo de tal disposición de resonador utilizada en un láser de Nd: YAG de bombeo por lámpara de destellos de la técnica anterior, que utiliza una disposición telescópica de lentes en el resonador.

Consideraciones de óptica de rayos indican, sin embargo, que en cualquiera de tales resonadores complejos, en los que una estructura 30 de espejo de una estructura 32 semiconductora de bombeo óptico se forma en una extremidad del resonador, el resonador complejo es equivalente (como se ve por la estructura 30 de espejo) a un resonador simple que consiste en un espejo (generalmente curvo) situado a una distancia específica de la estructura 30 de espejo de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico. En otras palabras, cualquier resonador arbitrariamente complejo puede siempre reducirse, con el fin de determinar el tamaño de modo en la estructura 34 de ganancia de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico, hasta obtener un resonador simple equivalente que tiene la estructura 30 de espejo de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico en uno de sus extremos y un espejo curvo en su otro extremo. Consiguientemente, en estructuras semiconductoras de bombeo óptico de resonador largo de acuerdo con el presente invento puede definirse una longitud de resonador equivalente o longitud óptica necesaria para proporcionar un tamaño de modo deseado en la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico. Esta definición de longitud óptica engloba las estructuras de resonador relativamente simples descritas anteriormente, en las que la longitud óptica es muy parecida a la longitud física, y también disposiciones más complejas para acortar la longitud física mientras se mantiene una longitud óptica suficientemente grande. Una longitud óptica preferida para el resonador de un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento es al menos de aproximadamente 5 cm, y preferiblemente mayor que aproximadamente 10 cm.

El modo más directo de aumentar el tamaño de modo o el tamaño de punto en una estructura 32 semiconductora de bombeo óptico en un dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento, es aumentar la longitud óptica del resonador aumentando simplemente la longitud física del mismo, con una elección adecuada del radio de curvatura de los espejos del resonador. El tamaño de punto del haz requerido para la generación de una radiación de varios vatios en el láser 20 de la figura 1 expuesto anteriormente como ejemplo se obtuvo utilizando una longitud de resonador de 25 cm que, aun cuando es mucho mayor que las longitudes de resonador de los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de la técnica anterior, es aun suficientemente pequeña para permitir un empaquetamiento conveniente del láser mientras se permite aun el funcionamiento en un modo axial simple.

Cambiando a continuación a los temas de gestión térmica, como se ha comentado anteriormente de modo resumido, la gestión térmica de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico en un láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento es particularmente importante. Consiguientemente, se expone posteriormente una discusión de algunos aspectos importantes de la gestión térmica con referencia a la figura 8. Esta figura ilustra con detalle la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico y el disipador 36 de calor a la que está unida.

El problema de gestión térmica puede definirse abreviadamente como sigue. La luz 42 de bombeo es absorbida en la estructura de ganancia de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico. La porción de la luz de bombeo absorbida que no genera portadores de carga, es decir no genera radiación láser, genera calor en la estructura 34 de ganancia. El calor debe ser eliminado por el disipador 36 de calor a una velocidad suficiente para mantener la temperatura de la estructura de ganancia preferiblemente por debajo de 90ºC. Deberá observarse que esta temperatura se propone simplemente como orientación y no deberá considerarse crítica o limitante.

La estructura 30 de espejo impide la conducción de calor desde la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico hasta el disipador 36 de calor. Como se ha comentado anteriormente, en una disposición de disipador de calor preferida de acuerdo con el presente invento, la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico está unida, mediante una capa 110 de soldadura, a una capa 112 de diamante sintético, que tiene preferiblemente un espesor de aproximadamente 0,3 mm. La capa 112 de diamante está unida a su vez por otra capa 114 de soldadura a un enfriador 116 de microcanales con cuerpo de cobre.

En el desarrollo de una configuración de disipador de calor para la estructura semiconductora de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento, se considerarán en primer lugar las propiedades de disipación de calor de substratos macizos de cobre y diamante. A partir de cálculos que consideran la densidad de potencia de bombeo proporcionada por los 34 W de potencia de bombeo propuestos como ejemplo anteriormente suministrada directamente a la superficie de un disipador de calor macizo (esencialmente de longitud infinita), se ha estimado que la temperatura de la superficie de tal disipador de calor sería de 110ºC. En la práctica, los 34 W de potencia de bombeo no serían suministrados directamente a la superficie, sino que el flujo de calor sería impedido por los materiales de la estructura 30 de espejo. Estos materiales tienen una conductividad térmica relativamente baja. Consiguientemente, podría esperarse que la temperatura de la estructura 34 de ganancia fuese 15ºC más alta que la temperatura máxima en la superficie del disipador de calor.

A partir de cálculos que consideran la densidad de potencia de bombeo proporcionada por los 34 W de potencia de bombeo citados en el ejemplo anterior suministrados directamente a la superficie de un disipador de calor de diamante macizo (que tiene una conductividad térmica 2,5 veces más alta que la del cobre), se ha estimado que la temperatura de la superficie de tal disipador de calor sería de 45ºC. Esta sería una temperatura tolerable para la estructura 34 de ganancia de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico. Sin embargo, un diamante (incluso sintético) suficientemente grande para ser considerado de extensión infinita sería prohibitivamente costoso, si fuese posible su obtención.

Considerando un enfriador de microcanales, se ha determinado que la temperatura de superficie de tal enfriador producida por los 34 W mencionados como ejemplo de potencia de bombeo suministrada directamente al mismo sería de aproximadamente 110ºC. Se determinó entonces que si se pegase una capa relativamente delgada de diamante sintético al mismo enfriador de microcanales, la temperatura de superficie (de la capa de diamante) sería solamente de 55ºC, es decir comparable con la temperatura calculada para el disipador de calor de diamante macizo hipotético comentado anteriormente. Esta determinación fue importante para permitir el suministro de las densidades de potencia de bombeo requeridas para dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento de un modo seguro a la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico.

A primera vista, aparentemente puede resultar que puede esperarse que, para una densidad de potencia de bombeo constante, las temperaturas comentadas anteriormente como ejemplo permanezcan idénticas al aumentar el área bombeada, convirtiendo el escalado de potencia más allá de los niveles identificados simplemente en un tema de aumentar la longitud del resonador. Una investigación más rigurosa, sin embargo, ha demostrado que este no es el caso.

A modo de ilustración del problema de escalado del área bombeada, las figuras 9 y 10 ilustran perfiles isotérmicos calculados (suponiendo simetría radial) en un disipador de calor de cobre relativamente macizo (1 mm de espesor) y de una capa de diamante CVD de 0,3 mm de espesor pegada sobre un disipador de calor de cobre de 0,7 mm de espesor, respectivamente. Los perfiles isotérmicos representan la respuesta a un calentamiento de superficie uniforme para una tasa Q de densidad de potencia térmica de 180 W/mm^{2} dentro de un círculo H de 0,25 mm de radio (correspondiente a la densidad de potencia de bombeo mencionada a modo de ejemplo anteriormente en una estructura 32 semiconductora de bombeo óptico). Los perfiles isotérmicos están trazados a intervalos de 5ºC. Los términos "relativamente macizo" utilizados anteriormente están relacionados con las dimensiones de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico.

Puede verse por ambas figuras 9 y 10 que la temperatura sube desde el borde hacia el centro del área calentada (bombeada). Un aumento del área bombeada para la misma densidad de potencia de bombeo, consiguientemente, aumentaría la temperatura de pico de la estructura semiconductora de bombeo óptico. Afortunadamente, sin embargo, este amento es proporcional a la raíz cuadra del aumento de área. Esto permite algún compromiso entre la densidad de potencia de bombeo y el aumento en el área bombeada.

La efectividad de la capa de diamante CVD, es evidenciada también, por supuesto, por la temperatura de pico inferior comprendida entre 45ºC y 50ºC conseguida por la capa de diamante (véase la figura 10) en comparación con una temperatura de pico de aproximadamente 100ºC sin la capa de diamante CVD (véase la figura 9).

El diamante sintético en forma de monocristal tiene el doble de la conductividad térmica de la forma CVD. Consiguientemente, sustituyendo una capa de diamante monocristal por la capa de diamante CVD puede esperarse una reducción de la temperatura de superficie de aproximadamente 20ºC. El diamante sintético en la forma CVD y en la forma de monocristal está comercializado por la Sumitomo Electric Industries (USA) Ltd, de New York, New York.

La alta conductividad térmica de la disposición comentada anteriormente de acuerdo con el invento del disipador 36 de calor asegura no solamente una baja temperatura en la estructura 34 de ganancia de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico, sino también gradientes de temperatura transversal bajos en el plano de la estructura semiconductora de bombeo óptico. Los gradientes transversales de temperatura provocan, a través de la dependencia del índice de refracción del material semiconductor de bombeo óptico con la temperatura, una variación transversal de la trayectoria óptica vista por la radiación fundamental al propagarse en la estructura semiconductora de bombeo óptico. Tales gradientes se manifiestan en un medio de ganancia de estado sólido como un "efecto de lente térmica", lo que significa que el medio de ganancia se comporta, en primera aproximación, como una lente esférica positiva. Este fenómeno es bien conocido en los dispositivos láser de estado sólido de bombeo de diodo de la técnica anterior, y complica el diseño de los resonadores para tales dispositivos láser, ya que estos diseños de resonador deben tener en cuenta tanto el efecto de lente térmica como su variación al cambiar el nivel de potencia de bombeo. A modo de ejemplo, un cristal de medio de ganancia típico de vanadato de ytrio dopado con neodimio (Nd:YVO_{4}) puede presentar un efecto de lente térmica del orden de siete dioptrías en condiciones de bombeo típicas.

Considerando el diseño del disipador 36 de calor se ha reconocido que un diseño cuidadoso podría conducir a un valor excepcionalmente bajo del efecto de lente térmica en un láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento, en comparación con los valores encontrados en dispositivos láser de estado sólido de bombeo de diodo de la técnica anterior. A modo de ejemplo, en la descripción anterior del láser 20 (figura 1) que utiliza una capa de diamante CVD en un enfriador de microcanales como disipador de calor, se midió una potencia de lente térmica equivalente muy inferior a una dioptría. La utilización de diamante sintético monocristal en vez de diamante CVD, reduciría esta potencia óptica de lente térmica, ya pequeña, en un factor de 2. Tal efecto de lente térmica bajo simplifica considerablemente el diseño del resonador de láser. En general, en el diseño de un resonador para un láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento, puede suponerse que no existirá efecto de lente térmica.

Volviendo ahora al efecto de impedimento de transferencia de calor de la estructura 30 de espejo de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico, en el ejemplo del láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el invento comentado anteriormente, el espesor total de la estructura 30 de espejo de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico es aproximadamente de 4,1 micras. Cálculos basados en este espesor total; en los valores de conductividad térmica masiva del GaAs y del AlAsP; y en la estructura del substrato enfriado 36 como se ilustra en la figura 6, han indicado que debido al efecto de impedimento de transferencia térmica de la estructura 30 de espejo, la temperatura de la estructura 34 de ganancia estaría comprendida entre 18ºC y 20ºC por encima de la que se obtendría en caso de que la estructura de ganancia estuviese pegada directamente a la capa 112 de diamante del substrato enfriado 36. Consiguientemente, una porción sustancial de la reducción potencial en la temperatura de superficie ofrecida por la capa de diamante pegada se sacrifica en relación con la estructura de espejos. A partir de observaciones experimentales en el desplazamiento del espectro de fluorescencia de la estructura 34 de ganancia en las condiciones de funcionamiento del ejemplo práctico descrito anteriormente de un láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el invento, se ha determinado que la estructura 34 de ganancia está a una temperatura de aproximadamente 90ºC.

Resulta claro que una mejora en la conductividad térmica de la estructura 30 de espejo de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico podría permitir el suministro de una potencia de bombeo más alta a la estructura 32 de ganancia. Esto podría permitir aumentar adicionalmente la potencia de salida. Se exponen posteriormente algunas soluciones al aumento de esta conductividad térmica.

Una ventaja del crecimiento de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico del modo descrito anteriormente, es que ya no es necesario que la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico se obtenga por crecimiento epitaxial, ni que se forme en su totalidad, si es el caso, a partir de materiales semiconductores. Considerando esta flexibilidad, es posible diseñar estructuras 30 de espejo de estructuras 32 semiconductoras de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento utilizando una amplia gama de materiales para formar capas con índice de refracción alto y bajo. Consiguientemente, pueden seleccionarse valores de índice de refracción absoluto de los materiales, y de la conductividad térmica de los materiales, tales que se haga máxima la conductividad térmica en la dirección axial de la estructura de espejo (en conjunto). Claramente, por supuesto, los materiales seleccionados deben tener una absorción mínima (deben ser muy transparentes) para la longitud de onda fundamental, de tal modo que la estructura de espejo sea capaz de proporcionar una reflectividad máxima para la longitud de onda fundamental. La reflectividad máxima en este contexto puede definirse como un valor de aproximadamente un 99,99% o superior.

Una opción para aumentar la conductividad térmica de la estructura 30 de espejo es utilizar una capa de metal altamente reflectante, por ejemplo de aluminio, plata, oro, cobre o magnesio, en sustitución de varias capas de índices de refracción alto y bajo de materiales transparentes, y hacer posible una absorción en la capa metálica de aproximadamente el 0,1%. Se hace referencia frecuentemente en la técnica de recubrimientos ópticos con la denominación de "espejos metálicos potenciados" a una estructura multicapa dieléctrica con espejos de aluminio recubiertos o estructuras similares, para crear elementos reflectantes de alta eficiencia económicos para escáneres ópticos, copiadoras, etc.

Una capa metálica en una estructura 30 de espejo de acuerdo con el presente invento sería la capa de última deposición (espejo) y sería la más alejada de la estructura de ganancia.

Dado que esta capa metálica, en una estructura 32 semiconductora de bombeo óptico acabada, estaría en contacto directo con el disipador de calor, se cree que sería tolerable una absorción de al menos 0,1%.

A modo de ejemplo, utilizando los materiales de GaAs y AlAsP propuestos como ejemplo anteriormente, con una capa de 1000 angstroms de oro como capa final, podría obtenerse una reflectividad del 99,9% mediante una estructura que tuviese solamente nueve pares de capas de GaAs y AlAsP. Tal estructura tendría un espesor total de aproximadamente 1,47 micras solamente, es decir aproximadamente un tercio del espesor de la estructura de espejo del ejemplo descrito anteriormente. Consiguientemente, puede anticiparse un aumento de tres órdenes de magnitud en la conductividad térmica de la estructura de espejo en su conjunto.

Se cree que podrían obtenerse posiblemente reducciones adicionales de espesor utilizando un material que tuviese un índice de refracción muy inferior al del AlAsP como material de bajo índice de refracción, por ejemplo fluoruro de bario (BaF_{2}) que tiene un índice de refracción de aproximadamente 1,48. Utilizando como capa final una capa de oro de 1000 angstroms de espesor, podría obtenerse una reflectividad del 99,9% mediante una estructura 30 de espejo que tuviese solamente dos pares de capas de GaAs y BaF_{2}. Tal estructura de espejo tendría un espesor total de aproximadamente 0,54 micras solamente, es decir aproximadamente un octavo del espesor de la estructura semiconductora de bombeo óptico del ejemplo descrito anteriormente. Lo que se gana en conductividad térmica mediante la reducción del espesor total, sin embargo, sería compensado al menos parcialmente por la menor conductividad del BaF_{2} en comparación con el AlAsP y el mayor espesor físico de BaF_{2} requerido para obtener un espesor óptico de un cuarto de longitud de onda a la longitud de onda fundamental.

Tales "espejos metálicos potenciados" pueden ser particularmente útiles en estructuras semiconductoras de bombeo óptico que presenten emisión fundamental para longitudes de onda menores que 0,7 micras aproximadamente, en las que los materiales semiconductores tienen una absorción demasiado grande para ser utilizados eficazmente en reflectores multicapa. Para estas longitudes de onda, debe hacerse uso de materiales dieléctricos, tales como el óxido de titanio (TiO_{2}) y óxido de niobio (Nb_{2}O_{5}) para proporcionar capas de alto índice de refracción, en combinación con materiales tales como el dióxido de silicio (SiO_{2}) como capa de bajo índice de refracción. Es útil observar que un espejo que utilizase solamente una combinación de capas de óxido de titanio y óxido de silicio, que tiene la misma reflectividad que un espejo compuesto solamente por capas de GaAs y AlAsP, tendría un espesor total superior en un 50% aproximadamente.

Deberá observarse que, dependiendo de la selección de un metal altamente reflectante para una estructura de espejo del tipo de "espejo metálico potenciado", y del tipo de material de unión seleccionado para pegar la estructura semiconductora de bombeo óptico al disipador 36 de calor, puede ser necesario añadir una capa, preferiblemente de un metal adecuado, sobre la capa metálica reflectante para evitar que la capa reaccione aleándose o disolviéndose en el material de unión. Dado que esta capa adicional estaría (en lo que se refiere a la radiación láser incidente) "detrás" de la capa metálica reflectante, no es importante que sea altamente reflectante.

Como se ha comentado anteriormente, las estructuras semiconductoras de bombeo óptico tales como la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico, se obtienen por crecimiento esencialmente sobre toda el área de una oblea semiconductora. Después de hacerse crecer la estructura semiconductora de bombeo óptico, la oblea se corta en chips de estructuras semiconductoras de bombeo óptico. Un método de corte preferido en la técnica anterior implica la incisión y rotura de la oblea para formar los chips. La rotura tiene lugar limpia y suavemente, a lo largo de un plano cristalino de la oblea en la estructura semiconductora de bombeo óptico crecida epitaxialmente sobre la misma. Con referencia ahora a la figura 11, un chip de estructura semiconductora de bombeo óptico (indicado en este caso por coherencia con el número 32 de referencia) formado como se ha descrito anteriormente, tiene lo que podría denominarse una cara 119 de emisión sobre la estructura 34 de ganancia y tiene caras 120 de extremo lisas que resultan del método de corte de incisión y rotura. Las caras 120 de extremo son perpendiculares a la cara 119 de emisión y tienen una reflectividad Fresnel relativamente alta (de aproximadamente el 30%) debido a índice de refracción relativamente alto de los materiales semiconductores de la estructura de ganancia. Para las potencias de funcionamiento contempladas en los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento, en ausencia de cualquier disposición limitante, el efecto láser puede producirse lateralmente (como se indica en la figura 11 mediante las flechad B) en resonadores formados por pares paralelos de capas 120 de extremo.

Durante el funcionamiento, tal oscilación lateral parásita detraería ganancia de la estructura 34 de ganancia de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico, que estaría disponible de otro modo para proporcionar acción láser en la dirección de emisión de superficie prevista (indicada en la figura 11 por las flechas C). Pueden adoptarse ciertas medidas para suprimir tal oscilación lateral parásita. Una de tales medidas consiste en utilizar un método de corte en el que la oblea se corte o se raye completamente de un lado a otro con una punta de trazar de diamante, una sierra de diamante, o un dispositivo de corte abrasivo similar. A continuación de tal operación de rayado, las caras 120 de extremo serán suficientemente rugosas e irregulares como para convertirse en ineficaces como espejos. Consiguientemente, se suprimirá eficazmente l oscilación lateral parásita. No quedan excluidos otros métodos para conferir rugosidad a las caras de extremo.

Si las caras 120 de extremo quedan lisas como resultado del método de corte por rayado y rotura, el recubrimiento de las caras de extremo con un material antirreflectante que tenga un índice de refracción menor que el de las caras de extremo, tal como el trióxido de aluminio o el trióxido de ytrio, puede reducir la reflectividad de las caras 120 de extremo hasta un nivel en el que ya no sean eficaces como espejos, suprimiendo así efectivamente la oscilación lateral parásita.

Otros medios adicionales para suprimir la oscilación lateral parásita consisten en asegurar que la dimensión lineal más larga (longitud de la cara de extremo) del chip 32 (estructura 32 semiconductora de bombeo óptico) sea significativamente mayor que la correspondiente al área bombeada 122. Para los niveles de potencia contemplados en los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento, la longitud de una cara 120 de extremo es preferiblemente mayor que aproximadamente tres veces el diámetro del área bombada. La absorción intrínseca de los materiales de estructuras semiconductoras de bombeo óptico con bombeo suprimido y la distancia aumentada requerida para que la radiación se propague entre las caras 120 de extremo, pueden proporcionar una pérdida suficiente para suprimir efectivamente la oscilación lateral parásita incluso si las caras 120 de extremo son lisas.

El aumento deliberado de la absorción de los materiales de la estructura 34 de ganancia fuera del área bombeada para suprimir la oscilación lateral parásita no queda excluido como posibilidad. Esto puede realizarse, por ejemplo, después del crecimiento de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico, por dopado selectivo o implantación iónica. Claramente, pueden utilizarse aisladamente cualquiera de las medidas descritas anteriormente para reducir la oscilación lateral parásita individualmente o, cuando sea adecuado, en combinación.

Cambiando ahora a la selección de los materiales de conversión de frecuencia para dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento, como se ha indicado anteriormente, la gama de longitudes de onda disponible en los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de cavidad externa puede ampliarse por multiplicación de frecuencia, duplicación o mezclado. Esto se realiza preferiblemente por conversión de frecuencia intracavitaria (IC) por generación de armónicos, en la cual se incluye un cristal ópticamente no lineal en un resonador formado entre la estructura de espejo de una estructura semiconductora de bombeo óptico y un espejo convencional (exterior a la estructura). Un material de cristal ópticamente no lineal particularmente preferido para dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico con conversión de frecuencia intracavitaria de acuerdo con el presente invento, es el LBO.

Debido a la potencia limitada disponible en los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de la técnica anterior, ha sido una práctica habitual en tales dispositivos láser utilizar un material ópticamente no lineal con la mayor eficiencia de conversión de frecuencia posible, típicamente el KNbO_{3}. Este último material, sin embargo, tiene ciertas propiedades desventajosas que le convierten en una elección menos que ideal para utilización en un láser de duplicación de frecuencia de alta potencia de acuerdo con el presente invento. Estas características desventajosas son una cierta fragilidad, y un rango de aceptación espectral limitado. El rango de aceptación espectral de un material ópticamente no lineal corresponde a la gama de longitudes de onda obtenida por conversión de frecuencia para un cristal del material.

La figura 12 ilustra la aceptación espectral normalizada calculada del KNbO_{3} y del LBO (significativamente más duradero, pero menos eficiente). Cada uno de los materiales se supone presente en la forma de un cristal de 5 mm de largo. También se ilustra el ancho de banda de ganancia de capas activas de InGaAs que tienen una composición seleccionada para proporcionar acción láser a 976 nm aproximadamente. Puede verse que la aceptación espectral del KNbO_{3} es aproximadamente la décima parte de la del LBO, y es muy estrecha en comparación con el ancho de banda de ganancia de las capas activas.

Ahora, dado que el mecanismo de duplicación de frecuencia de un cristal ópticamente no lineal intracavitario representa una pérdida para la longitud de onda fundamental, en ausencia de cualquier otra restricción, el resonador tenderá a desplazar (hacer saltar su longitud de onda de oscilación) a una longitud de onda para la que no existen pérdidas. Cuando esto ocurre, la salida de frecuencia duplicada caerá catastróficamente, si es que no cesa totalmente, y surgirá correspondientemente la radiación de potencia fundamental.

El salto de longitud de onda dará lugar a una salida de frecuencia convertida muy ruidosa con una potencia media inferior a la que podría obtenerse en ausencia de salto de longitud de onda. Este salto de longitud de onda puede limitarse incluyendo en el resonador un elemento altamente selectivo a la longitud de onda, tal como un filtro birrefringente, un etalon, etc. Cualquiera de tales dispositivos que presente la selectividad necesaria, sin embargo, introduciría pérdidas de resonador importantes, limitando así la potencia de salida. De cualquier modo, esto significaría que no puede conseguirse en la práctica la eficiencia de conversión nominalmente alta del KNbO_{3} en su valor total. Adicionalmente, el dispositivo selectivo a la longitud de onda requeriría probablemente una medida activa, tal como el control de temperatura, para estabilizar satisfactoriamente su longitud de onda de transmisión máxima.

El material LBO, que tiene una aceptación mucho más amplia, no sería totalmente inmune al salto de longitud de onda sin la ventaja de restricción de longitud de onda de un dispositivo selectivo a la longitud de onda intracavitario. Tal dispositivo selectivo a la longitud de onda en el caso del LBO, sin embargo, puede ser diez veces menos selectivo de lo que se requeriría para el KMbO_{3}; no requeriría estabilización activa; y no introduciría pérdidas importantes en la cavidad.

Para mayor compleción, se destaca en este caso que la aceptación espectral de un cristal ópticamente no lineal es inversamente proporcional a su longitud. La eficiencia de generación de segundo armónico (SHG) de tal cristal es aproximadamente proporcional al cuadrado de una constante d_{eff} del material multiplicada por el cuadrado de la longitud del cristal. Puesto que el valor de la constante d_{eff} para el KNbO_{3} es aproximadamente diez veces mayor que el valor de dicha constante para el LBO, entonces, al menos en teoría, un cristal de KNbO_{3} de 5 mm de longitud tendría la misma eficiencia máxima de generación de segundo armónico y la misma aceptación espectral que un cristal de LBO de 5 mm de longitud. Se cree, sin embargo, que debido a la fragilidad del KNbO_{3}, un cristal de KNbO_{3} de 0,5 mm de longitud puede ser más bien poco práctico de fabricar y manipular. No se excluye, sin embargo, la utilización de cristales de KNbO_{3} en resonadores de láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento.

En general, por las razones comentadas, se prefieren el LBO y el triborato de cromo litio (CLBO) para duplicación de frecuencia, y alternativamente para triplicación e frecuencia. Se prefiere el BBO para cuadruplicación de frecuencia, y alternativamente para triplicación de frecuencia. Para duplicar o triplicar longitudes de onda inferiores a 670 nm, se cree que son efectivos los materiales ópticamente no lineales que incluyen borato de estroncio bario (SBBO), borato de estroncio (SBO) y borato de bario zinc (BZBO). Estas preferencias en cuanto a materiales ópticamente no lineales no deberán considerarse, sin embargo, limitativas para los dispositivos láser con conversión de frecuencia de acuerdo con el presente invento.

TABLA 1

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TABLA 2

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Continuando ahora con la descripción de materiales preferidos para estructuras semiconductoras de bombeo óptico de alta potencia de acuerdo con el presente invento, la Tabla 1 enumera los materiales preferidos para la capa de pozos cuánticos y la capa separadora de la estructura 30 de ganancia. Cada conjunto de materiales está asociado con un número particular de estructura 30 de espejo (espejo de Bragg), con un substrato y con una gama longitudes de onda de radiación fundamental. Los detalles de la composición del espejo de Bragg se dan en la Tabla 2.

Las estructuras representadas en las Tablas 1 y 2 ilustran un apartamiento de las estructuras preferidas de la técnica anterior para los mismos rangos de longitud de onda, con respecto a ambas estructuras de espejo y de ganancia. En las Tablas 1 y 2, las proporciones de composición (subíndices) x, y y z tienen todas un valor comprendido entre 0,0 y 1,0. En cada caso se seleccionan materiales (compuestos) tales que las tensiones de la estructura semiconductora de bombeo óptico en conjunto sean lo más bajas posible en la práctica, asegurando que el producto tensión-espesor de todas las capas sometidas a tracción y de todas las capas sometidas a compresión sea aproximadamente de la misma magnitud. Esto es de importancia particular en estructuras semiconductoras de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento que están sometidas a las tensiones de las altas temperaturas de funcionamiento, y correspondientemente a grandes ciclos de temperatura entre períodos de funcionamiento y períodos de inactividad.

La estructura semiconductora de bombeo óptico (véase la figura 2) del láser semiconductor de bombeo óptico de duplicación de frecuencia intracavitaria propuesta como ejemplo anteriormente de acuerdo con el presente invento, es un ejemplo de la familia de estructuras listada en primer lugar, en las que capas de "transición" de GaAs entre las capas de pozo cuántico y separadoras alivian la diferencia de tensión que podría existir de otro modo entre estas capas. La estructura de ganancia de la estructura semiconductora de bombeo óptico de la figura 2 puede categorizarse en general como la que está formada por componentes del sistema cuaternario III-V (InGaAsT), en las que el material de substrato es un compuesto binario de las columnas III-V de los componentes correspondientes (en este caso GaAs) y en las que las capas QW están formadas a partir de un posible compuesto ternario (III-V) que incluye ambos componentes del material de substrato, y aquellas en que las capas separadoras están formadas por otro posible compuesto ternario (III-V) que incluye ambos componentes del material de substrato. Las estructuras de tipo 3 de la Tabla 1 (sobre material de substrato de InP) están comprendidas todas en esta categoría. Se cree que esta disposición proporciona la compensación óptima de tensiones para estructuras semiconductoras de bombeo óptico formadas por este sistema cuaternario. Para las estructuras del tipo 3 de la Tabla 1, es preferible una estructura de espejo que incluya materiales dieléctricos. Una estructura preferida incluye capas de alto índice de refracción de seleniuro de zinc (ZnSe) y capas de bajo índice de refracción de óxido de aluminio. Esta combinación proporciona aproximadamente la misma reflectividad por número de pares de capas que la combinación de TiO_{2} y SiO_{2} utilizada en aplicaciones de recubrimiento en la técnica anterior, pero con un espesor físico total inferior y una conductividad térmica superior. Se enfatiza en este caso que las estructuras de espejo de la Tabla 2 son estructuras preferidas para ser utilizadas con estructuras que aparecen en la columna "Capas QW/separadoras" de la Tabla 1, no excluyéndose la utilización de otras estructuras de espejo con las estructuras de la columna "Capas QW/separadoras" de la Tabla 1 en dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento.

Además, por la descripción de dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento expuesta anteriormente, los expertos en la técnica pueden seleccionar otras estructuras semiconductoras de bombeo óptico para generar radiación fundamental con longitudes de onda comprendidas aproximadamente entre 425 nm y 1800 nm, sin apartarse del ámbito del presente invento. Tales estructuras pueden incluir, a modo de ejemplo, capas QW o capas activas seleccionadas de un grupo de compuestos semiconductores consistente en In_{x}Ga_{1-x}As_{y}P_{1-y}, Al_{x}Ga_{1-x}As_{y}P_{1-y} e In_{x}Ga_{1-x}N, donde 0,0\leqx\leq1,0 y 0\leqy\leq1. Esta lista, sin embargo, no deberá considerarse como limitativa del presente invento. Las longitudes de onda de segundo, tercer y cuarto armónicos, por supuesto, estarían comprendidas aproximadamente entre 212 y 900 nm; 142 y 600 nm; y 106 y 225 nm. El funcionamiento en la gama de longitudes de onda más cortas correspondientes a la mitad de las incluidas en el último rango puede resultar algo limitado por la disponibilidad de materiales ópticos adecuados.

Cambiando ahora a una discusión de aspectos adicionales relativos al aumento de la potencia de salida en dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento, en realizaciones de dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico descritas anteriormente solamente se incluye una estructura 32 semiconductora de bombeo óptico. Se han comentado a este respecto varias aproximaciones para aumentar la potencia de salida más allá de los niveles conseguidos o predichos fiablemente. Será evidente para los expertos en la técnica considerando estas discusiones, sin embargo, que la explotación de las aproximaciones comentadas anteriormente solo puede llevar a un punto en el que los resultados vayan perdiendo ventajas. Si se demostrase que este es el caso, o simplemente como alternativa, la potencia de salida (fundamental o de armónicos) puede aumentarse incorporando al menos una segunda estructura semiconductora de bombeo óptico en un resonador configurado adecuadamente. Se expone posteriormente una descripción de uno de tales resonadores.

Con referencia a la figura 13, se ilustra una realización adicional 128 de un láser semiconductor de bombeo óptico de duplicación de frecuencia intracavitario de acuerdo con el presente invento. El láser 128 comprende un resonador 130 de plegamiento estrecho que incluye dos estructuras semiconductoras de bombeo óptico (32 y 32X). El resonador 130 está terminado en uno de sus extremos por la estructura 30 de espejo de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico, y en el otro extremo por un espejo 28. El resonador 130 incluye un filtro birrefringente 52, por las razones comentadas anteriormente. Las estructuras semiconductoras de bombeo óptico están montadas sobre conjuntos 36 de disipador descritos anteriormente. El eje 132 del resonador es plegado una vez por la estructura 30X de espejo de la estructura 32X semiconductora de bombeo óptico, y otra vez por un espejo 26 de plegado. Está situado un cristal ópticamente no lineal (50), dispuesto para duplicación de frecuencia, en el brazo 130A del resonador 130, es decir entre el espejo 26 de plegado y el espejo 28 de extremo. El espejo 28 está recubierto para reflectividad máxima a la longitud de onda de la radiación fundamental. El espejo 26 de plegado está recubierto para reflectividad máxima a la longitud de onda fundamental y para transmisión máxima a la longitud de onda del segundo armónico.

Deberá observarse que el plegado estrecho del resonador está seleccionado para mantener la mayor proximidad a la incidencia normal en la estructura 32X semiconductora de bombeo óptico. Esta disposición tiene como finalidad hacer mínima la interferencia en la estructura 34X de ganancia entre haces fundamentales que se propagan en sentidos opuestos. Tal interferencia puede conducir a la formación de franjas de interferencia (un tipo de "agujero espacial lateral") en el plano de las capas QW, limitándose así la extracción de ganancia de estas capas. A este respecto, es preferible también ajustar la separación de las capas QW en la estructura 34X de ganancia y el espesor de las capas de la estructura 30X de espejo para compensar el cambio de índice de refracción debido a la incidencia no normal, manteniendo así la separación efectiva de media longitud de onda entre las capas de pozo cuántico.

Continuando con referencia a la figura 13, una diferencia adicional entre el láser 128 y otros dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico descritos anteriormente de acuerdo con el presente invento es el modo en que se suministra la luz de bombeo a las estructuras semiconductoras de bombeo óptico. En el láser 128, la luz de bombeo es transportada a lo largo de fibras 40 como en otras realizaciones descritas anteriormente. El espejo 44 de plegado y las lentes 46 y 48 de enfoque de estas otras realizaciones, sin embargo, están sustituidos por un conjunto de dos lentes 146 y 148 de gradiente radial de índice de refracción. Se hace referencia frecuentemente a tales lentes genéricamente como "selfoc". Se ha encontrado que tales lentes pueden proporcionar las mismas prestaciones ópticas que las lentes 46 y 48 del ejemplo descrito anteriormente del láser 20. En un ejemplo, la lente 146 es un componente comercializado como Part No. 06LGS216 por Melles Griot Inc. of Irving, California. La lente 148 es un componente que corresponde al Part No. SLW180-020-083-A2. Esta disposición de lentes selfoc proporciona un acceso conveniente a la radiación de bombeo a través de fibras múltiples (haz de fibras) en el caso de los resonadores de plegamiento estrecho, tales como el resonador 28. La disposición puede utilizarse en cualquier otra realización descrita anteriormente simplemente para reducir el volumen de los componentes ópticos de suministro de luz de bombeo o para permitir el suministro de potencia mediante más fibras de las que sería posible debido al volumen de la óptica de enfoque convencional.

A partir de la descripción anterior, los expertos en la técnica a los cuales concierne el presente invento pueden contemplar dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico que incluyan más de dos estructuras semiconductoras de bombeo óptico, sin apartarse del ámbito del presente invento. Tales dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico pueden estar configurados para suministrar radiación de salida a la longitud de onda fundamental de las estructuras semiconductoras de bombeo óptico o a longitudes de onda de armónicos de las mismas.

Por la descripción del láser 128, será también evidente para los expertos en la técnica que puede estar formado un resonador de láser plegado entre dos espejos externos, e incluir una o más estructuras 32 semiconductoras de bombeo óptico solamente como espejos de plegado. Tal resonador láser plegado se ilustra en la figura 14. En este caso, un láser semiconductor de bombeo óptico (140) de acuerdo con el presente invento incluye un resonador 142 de láser terminado por espejos 28F y 144 y de plegamiento estrecho (por las razones comentadas anteriormente) mediante la estructura 30 de espejo de la estructura 32 semiconductora de bombeo óptico. Las disposiciones de disipación de calor y de bombeo óptico son idénticas a las descritas anteriormente para el láser 128. El resonador de láser incluye opcionalmente un filtro birrefringente 52.

La disposición de resonador de láser del láser 140 puede ser útil si se desea configurar un resonador de láser que está terminado por dos espejos no planos. Será evidente por la disposición del láser 140 que pueden contemplarse disposiciones similares en las que un resonador no esté terminado en uno de sus extremos por una estructura de espejo de una estructura semiconductora de bombeo óptico para cualquier otra de las realizaciones descritas anteriormente de dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento.

En resumen, se han descrito anteriormente varias realizaciones de dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico con conversión de frecuencia intracavitaria de alta potencia de acuerdo con el presente invento. En general, las realizaciones del láser del invento pueden generar potencia de salida de segundo, tercer o cuarto armónico a partir de la radiación fundamental con una potencia de 100 mW, e incluso de 1 vatio o más. Estas potencias de salida de armónicos altos pueden conseguirse con un funcionamiento en modo axial simple o de propagación TEM_{00} con una calidad del haz menor que aproximadamente el doble del límite de difracción. Es particularmente notable la capacidad de los dispositivos láser del invento para generar radiación de salida de ultravioleta para estas potencias de salida altas, y más en particular con una eficiencia de conversión de bombeo en armónicos mejor que el 1% por generación del segundo armónico a partir de la radiación fundamental en una gama de longitudes de onda de 700 nm a 800 nm.

Los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico de acuerdo con el presente invento pueden proporcionar medios para generar longitudes de onda, en un modo de funcionamiento de onda continua verdadera, que pueden adaptarse rigurosamente a la longitud de onda óptima para muchas aplicaciones de láser, en campos tales como la medicina, la metrología óptica, espectroscopia, litografía óptica y mecanización de precisión por láser. A modo de ejemplo, un láser semiconductor de bombeo óptico de acuerdo con el invento puede generar eficientemente radiación de salida de onda continua en la gama de longitudes de onda de 590 a 600 nm mediante generación de segundo armónico a partir de una emisión de estructura semiconductora de bombeo óptico en el rango de 1180 a 1200 nm. El margen de 90 a 600 nm es ventajoso para aplicaciones quirúrgicas oftálmicas. Este margen de longitudes de onda no puede ser generado eficientemente por los dispositivos láser de la técnica anterior. La capacidad de generar radiación ultravioleta de alta potencia es aplicable en particular a áreas tales como la inscripción o trazado directo de placas de circuito impreso o placas de ultravioleta convencionales. En tales aplicaciones, los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico del invento ofrecen no solamente potencia, eficiencia y calidad del haz, sino también la capacidad de que para muchas aplicaciones se ajuste la longitud de onda de salida a un pico de absorción del material a exponer, cortar, someter a ablación, calentar, alterar fotoquímicamente o tratar de otro modo, reduciéndose así la potencia absoluta requerida para las aplicaciones. A partir de la descripción presentada anteriormente de los dispositivos láser semiconductores de bombeo óptico, los expertos en la técnica adecuada pueden concebir muchos otros usos de los dispositivos láser del invento sin apartarse del ámbito del presente invento.

Se ha descrito e ilustrado el presente invento en la presente memoria con referencia a una realización preferida y a otras realizaciones. Sin embargo, el presente invento no está restringido a estas realizaciones descritas e ilustradas. Por el contrario, el invento está limitado solamente por las reivindicaciones anexas.

Claims

1. Un dispositivo láser, que comprende: una estructura monolítica (32) de capa semiconductora de bombeo óptico que incluye una estructura (34) de ganancia montada sobre una estructura (30) de espejo, cuya estructura de ganancia incluye una pluralidad de capas activas que tienen capas absorbentes de luz de bombeo entre ellas, teniendo dichas capas activas una composición seleccionada para favorecer la emisión de radiación electromagnética con una longitud de onda de radiación fundamental predeterminada comprendida aproximadamente entre 425 nm y 1800 nm cuando incide luz de bombeo óptica sobre dicha estructura de ganancia, e incluyendo dicha estructura de espejo una pluralidad de capas alternativas de índice de refracción alto y bajo y que tiene un espesor óptico de aproximadamente un cuarto de longitud de onda de dicha longitud de onda predeterminada; un resonador (22) de láser formada entre dicha estructura de espejo de dicha estructura monolítica (32) semiconductora de bombeo óptico y un reflector (28) separado de ella, teniendo dicho resonador (22) de láser un eje longitudinal (24); una disposición óptica (40) para suministrar dicha luz (42) de bombeo a dicha estructura de ganancia, haciendo así que la radiación láser fundamental que tiene dicha longitud de onda fundamental oscile en dicho resonador de láser; y una disposición (36) de disipador de calor para refrigerar dicha estructura monolítica (32) semiconductora de bombeo óptico; caracterizado porque el resonador (22) de láser tiene una longitud aproximadamente superior a 5 cm; están situados uno o más cristales (50) ópticamente no lineales en dicho resonador de láser y dispuestos para multiplicar la frecuencia de dicha radiación láser fundamental, proporcionando así una radiación de frecuencia multiplicada que tiene una longitud de onda que es una fracción de dicha longitud de onda fundamental; y dicho resonador (22) de láser, dicho cristal (50) ópticamente no lineal, dicha estructura monolítica (32) de capa semiconductora de bombeo óptico, dicha disposición (36) de disipador de calor y dicha disposición óptica (40) de suministro de luz de bombeo, están seleccionadas y dispuestas de tal modo que dicho resonador de láser suministra dicha radiación de frecuencia multiplicada como radiación de salida que tiene una longitud de onda comprendida aproximadamente entre 212 nm y 900 nm con una potencia de salida mayor que aproximadamente 100 mW.

2. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 1ª, en el que existe solamente uno de dichos cristales (50) ópticamente no lineales situado en dicho resonador de láser, estando dispuesto dicho cristal ópticamente no lineal para duplicar la frecuencia de dicha radiación láser fundamental proporcionando así radiación de frecuencia duplicada que tiene una longitud de onda que es igual a la mitad de dicha longitud de onda fundamental.

3. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 1ª, en el que están situados dos de dichos cristales ópticamente no lineales (50, 62) en dicho resonador de láser, estando dispuesto un primer cristal de dichos cristales ópticamente no lineales para duplicar la frecuencia de dicha radiación láser fundamental, y estando dispuesto un segundo cristal de dichos cristales ópticamente no lineales para mezclar dicha radiación de frecuencia duplicada con dicha radiación fundamental, proporcionando así una radiación de frecuencia triplicada que tiene una longitud de onda que es igual a un tercio de dicha longitud de onda fundamental.

4. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 1ª, en el que están situados dos de dichos cristales ópticamente no lineales en dicho resonador de láser, estando dispuesto un primer cristal de dichos cristales ópticamente no lineales para duplicar la frecuencia de dicha radiación láser fundamental, y estando dispuesto un segundo cristal de dichos cristales ópticamente no lineales para duplicar la frecuencia de dicha radiación de frecuencia duplicada, proporcionando así una radiación de frecuencia cuadruplicada que tiene una longitud de onda igual a un cuarto de dicha longitud de onda fundamental.

5. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 4ª, en el que dicho resonador de láser tiene una longitud óptica de aproximadamente 25 cm.

6. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 4ª, en el que dicha radiación de frecuencia multiplicada se suministra en un modo axial simple.

7. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 4ª, en el que dichas capas activas de dicha estructura de ganancia están seleccionadas del grupo de compuestos semiconductores consistente en In_{x}Ga_{1-x}As_{y}P_{1-y}, Al_{x}Ga_{1-x}As_{y}P_{1-y}, y In_{x}Ga_{1-x}N, donde 0,0 \leqx\leq1,0 y 0 \leqy\leq1.

8. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 7ª, en el que dichas capas activas de dicha estructura de ganancia tienen una composición de acuerdo con la fórmula In_{x}Ga_{1-x}As, donde 0,0<x<1,0 y x está seleccionada de tal modo que dicha longitud de onda fundamental está comprendida aproximadamente entre 900 y 1050 nm, y dicha estructura de ganancia incluye capas separadoras entre dichas capas activas, teniendo dichas capas separadoras una composición de acuerdo con la fórmula GaAs_{y}P_{1-y}.

9. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 8ª, en el que dichas capas de alto índice de refracción de dicha estructura de espejo se componen de GaAs y dichas capas de bajo índice de refracción de dicha estructura de espejo tienen una composición de acuerdo con la fórmula AlAs_{y}P_{1-y}.

10. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 7ª, en el que dichas capas activas de dicha estructura de ganancia tienen una composición de acuerdo con la fórmula In_{x}Ga_{1-x}P, donde 0,0<x<1,0 y x está seleccionada de tal modo que dicha longitud de onda fundamental está comprendida aproximadamente entre 700 y 900 nm, y dicha estructura de ganancia incluye capas separadoras entre dichas capas activas, teniendo dichas capas separadoras una composición de acuerdo con la fórmula In_{y}Ga_{1-y}As_{z}P_{1-z}, donde 0,0<y<1,0 y 0,0<z<1,0.

11. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 10ª, en el que dichas capas de alto índice de refracción de dicha estructura de espejo tienen una composición de acuerdo con la fórmula In_{p}Al_{1-p}P, donde 0,0<p<1,0, y dichas capas de bajo índice de refracción de dicha estructura de espejo tienen una composición de acuerdo con la fórmula Al_{q}Ga_{1-q}As, donde 0,0<q<1,0.

12. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 7ª, en el que dichas capas activas de dicha estructura de ganancia tienen una composición de acuerdo con la fórmula In_{x}As_{1-x}P, donde 0,0<x<1,0 y x está seleccionada de modo que dicha longitud de onda fundamental está comprendida aproximadamente entre 700 y 900 nm, y dicha estructura de ganancia incluye capas separadoras entre dichas capas activas, teniendo dichas capas separadoras una composición de acuerdo con la fórmula Al_{y}Ga_{1-y}As, donde 0,0<y<1,0.

13. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 12ª, en el que dichas capas de alto índice de refracción y dichas capas de bajo índice de refracción de dicha estructura de espejo son capas de materiales dieléctricos que tienen un alto índice de refracción y un bajo índice de refracción, respectivamente, transparentes a dicha longitud de onda fundamental.

14. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 13ª, en el que dicho material de alto índice de refracción es seleniuro de zinc y dicho material de bajo índice de refracción es óxido de aluminio.

15. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 4ª, en el que dichas capas activas de dicha estructura de ganancia tienen un ancho de banda de ganancia determinado, dicho cristal ópticamente no lineal tiene un rango de aceptación espectral para multiplicación de frecuencia, siendo dicho rango de aceptación espectral menor que dicho ancho de banda de ganancia, y dicho resonador de láser incluye adicionalmente un elemento selectivo a la longitud de onda configurado y dispuesto para evitar que oscile en dicho resonador de láser la radiación láser fundamental que tiene una longitud de onda fuera de dicho rango de aceptación espectral.

16. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 15ª, en el que dicho elemento selectivo a la longitud de onda es un filtro birrefringente.

17. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 15ª, en el que dicho elemento selectivo a la longitud de onda es un etalon.

18. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 4ª, en el que dicha disposición de disipador de calor incluye un miembro refrigerado activamente, y dicho miembro refrigerado activamente tiene una capa de diamante en contacto térmico con ella, estando dicha estructura de espejo de dicha estructura de capa monolítica en contacto térmico con dicha capa de diamante.

19. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 18ª, en el que dicho miembro refrigerado activamente es un enfriador de microcanales.

20. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 4ª, en el que dicha disposición óptica tras suministrar dicha luz de bombeo a dicha estructura de ganancia incluye al menos una guía óptica para transportar luz de bombeo desde una fuente de radiación hasta una disposición óptica de enfoque para enfocar dicha luz de bombeo, incluyendo dicha disposición óptica de enfoque al menos una lente.

21. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 20ª, en el que al menos dicha lente (al menos una) es una lente de gradiente radial de índice de refracción.

22. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 21ª, en el que dicha disposición óptica de enfoque incluye dos lentes de gradiente radial de índice de refracción.

23. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 4ª, en el que dicho cristal o cristales ópticamente no lineales son cristales de un material seleccionado del grupo de materiales ópticamente no lineales consistente en LBO, CLBO, BBO, SBBO, SBO y BZBO.

24. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 4ª, en el que dicho eje longitudinal de dicho resonador de láser está plegado según un ángulo mediante un espejo (26) de plegado situado entre dicho reflector y dicha estructura de capa monolítica de dispositivo láser semiconductor de bombeo óptico, y dicho cristal o cristales ópticamente no lineales están situados sobre dicho eje longitudinal de dicho resonador de láser entre dicho reflector y dicho espejo de plegado.

25. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 24ª, en el que dicho espejo de plegado es altamente reflectante para dicha radiación fundamental y altamente transmisor para dicha radiación de frecuencia multiplicada, sirviendo así dicho espejo de plegado como espejo de acoplamiento de salida para suministrar dicha radiación de salida de frecuencia multiplicada desde dicho resonador de láser y evitando esencialmente que la radiación de frecuencia multiplicada llegue a dicha estructura de capa monolítica semiconductora de bombeo óptico.

26. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 25ª, en el que dicho espejo de plegado es convexo para enfocar la luz en dichos cristales ópticamente no lineales (uno o más).

27. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 4ª, en el que dicha estructura de capa monolítica semiconductora de bombeo óptico está configurada para hacer mínima la oscilación lateral parásita de la radiación fundamental en la misma.

28. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 27ª, en el que dicha estructura de capa monolítica semiconductora de bombeo óptico está realizada en la forma de un chip rectangular que tiene una cara emisora (119), suministrándose dicha luz de bombeo a dicha cara emisora en una zona predeterminada de la misma, teniendo dicho chip dos pares de caras (120) de extremo paralelas perpendiculares a dicha cara emisora, estando separadas dichas caras de extremo paralelas a una distancia de al menos tres veces la dimensión mayor de dicha área de suministro de luz de bombeo predeterminada para hacer mínima la oscilación lateral parásita de la radiación fundamental.

29. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 27ª, en el que dicha estructura de capa monolítica está realizada en la forma de un chip rectangular que tiene una cara emisora y dos pares de caras de extremo paralelas perpendiculares a dicha cara emisora, presentando rugosidad dichas caras de extremo paralelas para evitar la revisión espectral de la radiación fundamental, haciendo así mínima dicha oscilación lateral parásita.

30. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 4ª, en el que, en dicha estructura de espejo, el índice de refracción, la conductividad térmica y el número de dichas capas están seleccionados para proporcionar una conductividad térmica máxima para la transferencia del calor generado en dicha estructura de ganancia hacia dicha disposición de disipador de calor, al tiempo que se obtiene una reflectividad suficiente para provocar la acumulación de la radiación fundamental en dicho resonador de láser.

31. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 4ª, en el que dicha estructura de espejo incluye adicionalmente una capa metálica altamente reflectante, estando dispuesta dicha capa metálica muy próxima a dicha disposición de disipador de calor.

32. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 4ª, en el que dicha luz de bombeo se suministra a dicha estructura de ganancia de dicha estructura de capa monolítica semiconductora de bombeo óptico con un tamaño de punto de bombeo predeterminado, y dicho resonador está configurado de tal modo que el tamaño de punto de dicha estructura de ganancia de dicha radiación láser fundamental oscilante es aproximadamente igual a dicho tamaño de punto de bombeo.

33. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 1ª, en el que dicha radiación de salida de frecuencia duplicada se suministra en un modo axial simple.

34. Un dispositivo láser, que comprende: un resonador (22F) de láser que tiene un eje de resonador y que está terminado por un primer y un segundo espejos (28F, 30); una primera estructura monolítica (32) de capa semiconductora de bombeo óptico que incluye una estructura (34) de ganancia de emisión de superficie, incluyendo dicha estructura de ganancia una pluralidad de capas activas que tienen capas separadoras entre ellas, teniendo dichas capas activas una composición seleccionada para proporcionar emisión de radiación electromagnética con una longitud de onda fundamental predeterminada cuando se suministra luz de bombeo a dicha estructura de ganancia; estando configurado dicho resonador de láser para incluir dicha estructura de ganancia de dicha estructura de capa monolítica semiconductora de bombeo óptico; una primera disposición óptica (40) para suministrar dicha luz (42) de bombeo a dicha estructura de ganancia, haciendo así que la radiación láser fundamental que tiene dicha longitud de onda fundamental oscile en dicho resonador de láser; y una primera disposición (36) de disipador de calor para enfriar dicha primera estructura de capa monolítica semiconductora de bombeo óptico; caracterizado porque el resonador (22F) de láser tiene una longitud superior a 5 cm aproximadamente, y dicho resonador (22F) de láser, dicha primera estructura monolítica (32) de capa semiconductora de bombeo óptico monolítica, dicha primera disposición (36) de disipador de calor y dicha primera disposición óptica (40) de suministro de luz de bombeo están seleccionadas y dispuestas de tal modo que dicho resonador suministra radiación de salida que tiene dicha longitud de onda fundamental con una potencia superior a 2 W.

35. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 34ª, en el que dicho resonador de láser está configurado como resonador (22F) de láser recto, dicha primera estructura de capa monolítica semiconductora de bombeo óptico incluye adicionalmente una estructura (30) de espejo sobre la que está dispuesta dicha estructura de ganancia, y dicho segundo espejo es dicha estructura de espejo de dicha primera estructura de capa monolítica.

36. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 34ª, en el que dicho resonador de láser está configurado como resonador plegado (142), dicha primera estructura (32X) de capa monolítica incluye una estructura (30X)de espejo sobre la que está dispuesta dicha estructura de ganancia, y dicha estructura de espejo de dicha primera estructura de capa monolítica sirve como espejo de plegado para plegar ópticamente dicho resonador de láser.

37. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 36ª, que incluye adicionalmente una segunda estructura monolítica (32) de capa semiconductora de bombeo óptico, incluyendo dicha segunda estructura de capa monolítica semiconductora de bombeo óptico una estructura (30) de espejo situada en dicho resonador de láser y que incluye una pluralidad de capas activas que tienen capas separadoras entre ellas, teniendo dichas capas activas una composición seleccionada para proporcionar emisión de radiación electromagnética a dicha longitud de onda fundamental predeterminada, incluyendo adicionalmente el dispositivo laser una segunda disposición óptica para suministrar dicha luz de bombeo a dicha estructura de ganancia de dicha segunda estructura de capa monolítica semiconductora de bombeo óptico, y en el que dicha estructura (30) de espejo es dicho segundo espejo.

38. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 36ª y 37ª, en el que dicho eje longitudinal de dicho resonador de láser está plegado por dicha estructura de espejo de dicha primera estructura de capa monolítica semiconductora de bombeo óptico según un ángulo, de tal modo que dicha radiación láser que oscila en dicho resonador de láser incide sobre dicha primera estructura de capa monolítica semiconductora de bombeo óptico con un ángulo seleccionado para hacer mínima la interferencia entre haces de propagación en sentido inverso de dicha radiación láser oscilante.

39. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 38ª, en el que dicha radiación oscilante incide sobre dicha primera estructura de capa monolítica semiconductora de bombeo óptico con una incidencia casi normal.

40. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 34ª a 36ª, en el que dicho resonador de láser tiene una longitud óptica de aproximadamente 25 cm.

41. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 35ª y 36ª, en el que dichas capas activas de dicha estructura de ganancia están seleccionadas del grupo de compuestos semiconductores consistente en In_{x}Ga_{1-x}As_{y}P_{1-y}, Al_{x}Ga_{1-x}As_{y}P_{1-y}, y In_{x}Ga_{1-x}N, donde 0,0 \leqx\leq1,0 y 0\leqy\leq1.

42. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 41ª, en el dicha estructura de espejo incluye capas alternativas de materiales de alto y bajo índice de refracción.

43. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 42ª, en el que dichas capas activas de dicha estructura de ganancia tienen una composición de acuerdo con la fórmula In_{x}Ga_{1-x}As, donde 0,0<x<1,0 y x está seleccionada de tal modo que dicha longitud de onda fundamental está comprendida aproximadamente entre 900 y 1050 nm, y dicha estructura de ganancia incluye capas separadoras entre dichas capas activas, teniendo dichas capas separadoras una composición de acuerdo con la fórmula GaAs_{y}P_{1-y}.

44. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 43ª, en el que dichas capas de alto índice de refracción de dicha estructura de espejo tienen una composición GaAs y dichas capas de bajo índice de refracción de dicha estructura de espejo tienen una composición de acuerdo con la fórmula AlAs_{y}P_{1-y}, donde 0,0<y<1,0.

45. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 42ª, en el que dichas capas activas de dicha estructura de ganancia tienen una composición In_{x}Ga_{1-x}P, donde 0,0<x<1,0 y x está seleccionada de tal modo que dicha longitud de onda fundamental está comprendida aproximadamente entre 700 y 900 nm, y dicha estructura de ganancia incluye capas separadoras entre dichas capas activas, teniendo dichas capas separadoras una composición In_{y}Ga_{1-y}As_{z}P_{1-z}, donde 0,0<y<1,0 y 0,0<z<1,0.

46. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 45ª, en el que dichas capas de alto índice de refracción de dicha estructura de espejo tienen una composición de acuerdo con la fórmula In_{p}Al_{1-p}P, donde 0,0<p<1,0, y dichas capas de bajo índice de refracción de dicha estructura de espejo tienen una composición de acuerdo con la fórmula Al_{q}Ga_{1-q}As, donde 0,0<q<1,0.

47. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 42ª, en el que dichas capas activas de dicha estructura de ganancia tienen una composición de acuerdo con la fórmula In_{x}As_{1-x}P, donde 0,0<x<1,0 y x está seleccionada de modo que dicha longitud de onda fundamental está comprendida aproximadamente entre 700 y 900 nm, y dicha estructura de ganancia incluye capas separadoras entre dichas capas activas, teniendo dichas capas separadoras una composición de acuerdo con la fórmula Al_{y}Ga_{1-y}As, donde 0,0<y<1,0.

48. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 47ª, en el que dichas capas de alto índice de refracción y dichas capas de bajo índice de refracción de dicha estructura de espejo son capas de materiales dieléctricos que tienen un alto índice de refracción y un bajo índice de refracción, respectivamente, transparentes a dicha longitud de onda fundamental.

49. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 48ª, en el que dicho material de alto índice de refracción es seleniuro de zinc y dicho material de bajo índice de refracción es óxido de aluminio.

50. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 34ª a 36ª, en el que dichas capas activas de dicha estructura de ganancia tienen un ancho de banda de ganancia y dicho resonador de láser incluye adicionalmente un elemento (52) selectivo a la longitud de onda configurado y dispuesto para seleccionar dicha longitud de onda de la radiación láser fundamental dentro de dicho ancho de banda de ganancia.

51. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 50ª, en el que dicho elemento (52) selectivo a la longitud de onda es un filtro birrefringente.

52. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 50ª, en el que dicho elemento (52) selectivo a la longitud de onda es un etalón.

53. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 34ª a 36ª, en el que dicha disposición de disipador de calor incluye un miembro (116) refrigerado activamente y dicho miembro refrigerado activamente tiene una capa de diamante en contacto térmico con el mismo (112), estando dicha estructura de espejo de dicha estructura de capa monolítica de bombeo óptico en contacto térmico con dicha capa de diamante.

54. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 53ª, en el que dicho miembro refrigerado activamente es un enfriador de microcanales.

55. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 34ª a 36ª, en el que dicha disposición óptica para suministrar dicha luz de bombeo a dicha estructura de ganancia incluye al menos una guía óptica (40) para transportar luz de bombeo desde una fuente de radiación hasta una disposición óptica de enfoque para enfocar dicha luz de bombeo, incluyendo dicha disposición óptica de enfoque al menos una lente.

56. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 55ª, en el que dicha lente (146) (al menos una) es una lente con gradiente radial de índice de refracción.

57. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 56ª, en el que dicha disposición óptica de enfoque incluye dos lentes (146, 148) con gradiente radial de índice de refracción.

58. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 34ª a 36ª, en el que dicha primera estructura de capa semiconductora de bombeo óptico está configurada para evitar la oscilación lateral parásita de la radiación fundamental sobre la misma.

59. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 58ª, en el que dicha primera estructura de capa monolítica está realizada en la forma de un chip rectangular (119) que tiene una cara emisora, suministrándose dicha luz de bombeo a dicha cara emisora en una zona predeterminada de ella, teniendo dicho chip dos pares de caras (120) de extremo paralelas perpendiculares a dicha cara emisora, estando separadas dichas caras de extremo paralelas una distancia de al menos tres veces la dimensión mayor de dicha área de suministro de luz de bombeo predeterminada.

60. Un dispositivo láser de acuerdo con la reivindicación 58ª, en el que dicha primera estructura de capa monolítica semiconductora de bombeo óptico está realizada en la forma de un chip rectangular que tiene una cara emisora y dos pares de caras de extremo perpendiculares a dicha cara emisora, presentando rugosidad dichas caras de extremo paralelas para evitar la reflexión espectral de la radiación fundamental, impidiéndose así dicha oscilación lateral parásita.

61. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 35ª y 36ª, en el que en dicha estructura de espejo, el índice de refracción, la conductividad térmica, y el número de dichas capas de la estructura están seleccionados para proporcionar una conductividad térmica máxima para la transferencia del calor generado en dicha estructura de ganancia hacia dicha disposición de disipador de calor, al tiempo que se proporciona una reflectividad suficiente para provocar la acumulación de radiación fundamental en dicho resonador de láser.

62. Un dispositivo láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 35ª y 36ª, en el que dicha estructura de espejo incluye adicionalmente una capa de un metal altamente reflectante, estando dispuesta dicha capa metálica muy próxima a dicha disposición de disipador de calor.