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Title:
LASER SYSTEM WITH MIRRORS MOVED BY MICRO-ENGINEERING TECHNIQUES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1993/021553
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns a laser system with one or more actively controlled mirrors which are manufactured using micro-engineering techniques and are equipped with a manipulation device enabling small laser mirrors to be oscillated rapidly. These mirrors are designed in such a way that they can be manufactured cheaply and in large numbers. Embodiments of the invention are described, and illustrated in the drawings.

Inventors:
HEINEMANN STEFAN (DE)
MEHNERT AXEL (DE)
KROY WALTER (DE)
PEUSER PETER (DE)
SCHMITT NIKOLAUS (DE)
SEIDEL HELMUT (DE)
Application Number:
PCT/EP1993/000829
Publication Date:
October 28, 1993
Filing Date:
April 03, 1993
Export Citation:
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Assignee:
DEUTSCHE AEROSPACE (DE)
HEINEMANN STEFAN (DE)
MEHNERT AXEL (DE)
KROY WALTER (DE)
PEUSER PETER (DE)
SCHMITT NIKOLAUS (DE)
SEIDEL HELMUT (DE)
International Classes:
G02B1/10; G02B5/08; G02B26/00; G02B26/08; H01S3/105; H01S3/121; H01S5/00; H01S5/14; H01S3/02; H01S3/0941; H01S5/40; H01S5/42; (IPC1-7): G02B26/08; G02B5/08; H01S3/105; H01S3/121
Domestic Patent References:
WO1991002392A11991-02-21
Foreign References:
GB2157091A1985-10-16
US4954789A1990-09-04
EP0280299A21988-08-31
US4918704A1990-04-17
GB1196447A1970-06-24
Other References:
APPLIED PHYSICS LETTERS. Bd. 31, Nr. 8, 15. Oktober 1977, NEW YORK US Seiten 521 - 523 K.E PETERSEN 'micromechanical light modulator array fabricated on silicon'
SOVIET JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS Bd. 21, Nr. 1, Januar 1991, NEW YORK US Seiten 116 - 118 V.V. APOLLONOV ET AL 'Active correction of a thermal lens in a solid state laser,'
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 10, no. 317 (E-449)28. Oktober 1986
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Claims:
Lasersystem mit mikromechanisch bewegten SpiegelPatentansprüche
1. Lasersystem mit einem oder mehreren aktiv kontrollierten Laser¬ spiegeln, die durch elektrostriktive Materialien, wie Piezokeramiken be¬ wegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserspiegel des Lasersy¬ stems jeweils durch ein auf der Basis der Mikrosystemtechnik hergestell¬ tem und aus einem Halbleitermaterial geformten Element gebildet werden, welches mit dem Verfahren der HalbleiterStrukturierung (Ätztechnik) zum einen als Aktuator ausgebildet und zum anderen mittels optischer Be schichtungstechnik (dielektrische oder MetallfilmBeschichtung) zu einem das Lasersystem in seinen Emissionseigenschaften kontrollierbaren Spie¬ gelelement geformt ist.
2. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aktiv kontrollierte Laserspiegel mit einem freischwebenden Spiegelcoa ting versehen ist.
3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aktiv kontrollierte Laserspiegel aus einem Verbund von Halbleiter¬ elementen und optisch beschichteten SpiegelSubstratelementen gebildet wird.
4. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das aktiv kontrollierte Spiegelelement zur Modulation der LaserEmissionsfrequenz mit einer longitudinal gerichteten Bewegung be¬ aufschlagt wird.
5. Lasersystem nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das aktiv kontrollierte Spiegelelement zur Erzeugung von Riesenimpulsen (Qswitching) mit einer Kippbewegung beaufschlagt wird.
6. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das aktiv kontrollierte Spiegelelement relativ zum Laser¬ system mittels einer komplexen Bewegung justiert oder das Lasersystem in seiner Amplitude moduliert wird.
7. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß eine ein oder zweidimensionale Anordnung von in einem Halbleitermaterial monolithisch strukturierten oder auf einem Halblei¬ termaterial hybride aufgebrachten, mit Strahlumlenkeinhelten versehene Laserdioden einer ein oder zweidimensionalen Laserspiegelanordnung ge¬ genüber positioniert sind, so daß sich in seiner Gesamtheit eine ein oder zweidimensionale Anordnung von Laserdioden mit zumindest einem ex¬ ternen Laserspiegel je Laserdiode ergibt.
8. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Laserspiegeleinheit (20, 160) fest mit der Einheit der Laserdioden (1, 130) verbunden ist und in Größe und Anzahl der La¬ sersysteme beliebig aufgeteilt werden kann.
9. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß eine ein oder zweidimensionale Anordnung von auf einem Halbleitermaterial hybride aufgebrachten Laserdioden (20, 130) oder Kop¬ peloptiken und FestkörperLaserkristallen, welche mit Strahlumlenkein heiten (140) versehen sind, einer ein oder zweidimensionalen Anordnung von Laserspiegeln gegebenübergestellt ist, so daß sich in seiner Gesamt¬ heit eine ein oder zweidimensionale Anordnung von durch Laserdioden gepumpten Festkörperlasern mit zumindest einem externen Laserspiegel je Laserdiode ergibt.
10. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das die Laserdioden tragende Halbleitersubstrat (100) mit Kühlkanälen (101) zur Temperaturkonstanthaltung der wärmeerzeugenden La¬ serdioden (130) versehen ist, oder das Substrat mit einem weiteren, mit Kühlkanälen versehenene Halbleitersubstrat verbunden ist.
11. Mikromechanischer Spiegel für Laseranwendungen mit in abwech¬ selnder Reihenfolge aufgdampfter Schichten unterschiedlicher Brechungs¬ indizes, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel aus einem Silizium¬ oder einkrlstallinen (....bleiter)Substrat besteht, welches mit mehrla¬ gigen dielektrischen oder metallischen Schichten versehen wird und das Substrat im aktiven Spiegelbereich ätztechnisch vollständig entfernt wird, so daß das dielektrische Schichtpaket nunmehr freischwebend als Spiegel wirkt.
12. Mikromechanischer Spiegel nach Anspruch 11, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der aktive Spiegelbereich in seinen Reflexionseigenschaf¬ ten variabel ausgestaltet ist.
13. M1kromechan1scher Spiegel nach Aspruch 11 oder 12, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der optisch aktive Spiegelbereich als Gauß'scher Spiegel ausgebildet ist.
14. Mikromechanischer Spiegel nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der optisch aktive Spiegelbereich ätztech¬ nisch an dünnen Biegestegen aus dem Halbleitersubstrat oder mit einem geeigneten Dünnfilm frei beweglich aufgehängt wird.
15. Mikromechanischer Spiegel nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat elektrisch kontak¬ tiert wird, so daß der Spiegel eine Elektrode einer Kondensatoranordnung bildet, die mit einem zweiten Halbleitersubstrat verbunden wird und eine flache Vertiefung vorgesehen ist, die den Elektrodenabstand zum bewegli¬ chen Teil und damit auch die Bewegungsfreiheit des optisch aktiven Spie¬ gelbereiches festlegt.
16. Mikromechanischer Spiegel nach Anspruch 15, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die beiden Halbleitersubstrate durch anodisches Bonden oder direktes SiSiBonden miteinander verbunden werden.
17. Mikromechanischer Spiegel nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstellkräfte neben dem elektrostati¬ schen Kraftprinzip auch piezoelektrische oder magnetische Kraftprinzi¬ pien einsetzbar sind und dementsprechend der Spiegelanordnung geeignete Stellelemente zugeordnet sind.
18. Mikromechanischer Spiegel nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der optisch aktive Spiegelbereich durch Unterdruck oder Überdruck gezielt in seiner Wölbung variierbar ist und damit die Brennweite des Spiegels verändert werden kann.
Description:
Lasersystem mit mikromechanisch bewegten Spiegel

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lasersystem mit einem oder mehreren aktiv kontrollierten Laserspiegeln gemäß dem Gattungsbegriff des Anspru¬ ches 1.

Solche Lasersysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie beruhen im wesentlichen auf der Verwendung elektrostriktiver Materialien, wie etwa Piezokeramiken zur Bewegung von Laserspiegeln. Solche Piezoaktuato- ren sind jedoch mit erheblichen Nachteilen behaftet, denn die Piezokera¬ miken sind nicht hysteresefrei und zum anderen benötigen sie üblicher¬ weise zur Ansteuerung eine Hochspannung und zum dritten ist die Integra¬ tion und Bearbeitung von Keramikelementen bei der Herstellung solcher Lasersysteme relativ aufwendig.

Wesentliche Manipulationsgrößen sind hierbei etwa die Verkippung des Spiegels oder die Translation entlang der optischen Achse..Zum einen verlangen diese bekannten Systeme die Integration sehr unterschiedlicher Materialien, so daß eine monolithische Fertigung ausgeschlossen ist, zum anderen weisen Piezokerami en Nachteile bezüglich ihrer mechanischen Ab¬ messung und der notwendigen hohen Spannungen auf. Hinzu kommt noch, daß Piezokeramiken Resonanzfrequenzen im Bereich von typisch 100 kHz aufwei¬ sen, so daß eine Modulation von Piezokeramiken über diesen Frequenzwert hinaus nicht oder nur sehr schwer möglich ist. Zu erwähnen ist noch, daß bereits bei Modulationen im Bereich der Resonanzfrequenz im allgemeinen eine Selbstzerstörung der Keramikstruktur auftritt.

Die Laserspiegel nach dem Stand der Technik weisen üblicherweise mehrere auf einem Glassubstrat aufgedampfte dielektrische Schichten mit unter¬ schiedlichen Brechungsindizes in abwechselnder Reihenfolge auf. Die Schichtdicken sind dabei in Abhängigkeit von der Wellenlänge so auszule¬ gen, daß die an den Grenzflächen der Schichten auftretende Vielstrahlre flexion durch Interferenz zu dem gewünschten Reflexionsgrad führt. Dies

ergibt typische Schichtdicken, die bei etwa einem Viertel der Lichtwel¬ lenlänge (λ/4) liegen. Ein solcher Spiegel mit Glassubstrat ist aber nicht ohne weiteras miniaturisierbar und hat auch eine relativ große, träge Masse, so daß er nicht sehr schnell bewegt werden kann. Außerdem sind solche Spiegel relativ kostenintensive Bauteile, da die Substrate einzeln auf hohe optische Qualität poliert, bedampft und montiert oder gehaltert werden müssen.

Moderne Laser zeichnen sich aber insbesondere durch immer kleinere Ab¬ messungen bei ausgesprochen hoher Leistungsdichte aus. Am bekanntesten sind hierbei die Halbleiterlaser sowie die von Halbleiterlaser gepumpten Festkörperlaser. Für den Betrieb solcher Laser sind Spiegel mit sehr gu¬ ten optischen Eigenschaften und genau definiertem Reflexionsgrad erfor¬ derlich. In den meisten Fällen werden die Spiegel in "monolithischer" Bauweise mittels einer dielektrischen Schichtenfolge direkt auf das la¬ seraktive Bauelement aufgebracht. Für eine Reihe von Anwendungen ist es jedoch von Vorteil, wenn mindestens ein Spiegel vom laseraktiven Medium getrennt angeordnet ist. Zum einen erhält man hierbei in vielen Fällen eine bessere Strahlungsqua itat, zum anderen kann man diesen separaten Spiegel beweglich oder justierbar gestalten. Damit kann beispielsweise eine Frequenzmodulation der Laserstrahlung vorgenommen werden oder im Falle einer leichten Verkippung des Spiegels der Laser ein- oder ausge¬ schaltet werden, was bei geeigneter Ansteuerung zur Erzeugung von soge¬ nannten Riesenimpulsen (Q-Schaltung) sehr hoher Spitzenleistung führt.

Durch die zunehmende Forderung weiterer Miniaturisierung von Lasersyste¬ men werden aber auch die Anforderungen an die Kompaktheit von Laserspie¬ geln immer höher. Durch die DE-PS 3925201 der Anmelderin ist ein dio¬ dengepumpter, miniaturisierter Festkörperlaser auf einer optischen Bank aus Silizium bekannt, wodurch ein kompaktes Mikrosystem realisierbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lasersystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine schnelle Modulation von kleinen Laserspiegeln erlaubt, wobei diese Spiegel so konzipiert sind, daß sie eine wirtschaftliche Fertigung in großen Stückzahlen erlauben.

Insbesondere ist in einer besonderen Ausführungsform ein miniaturisier¬ ter Spiegel zu schaffen, der neben dem Halbleitersubstrat (Silizium) keine anderen Substratmaterialien mehr aufweist, in bestimmten Ausfüh¬ rungsformen mikromechanisch auslenkbar ist, sehr schnelle Bewegungen bei hohen Frequenzen ausführen kann und als adaptive Spiegeloptik einsetzbar Ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge¬ löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispie¬ le erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schemabild eines Ausführungsbeispieles für einen Halbleiter¬ laser mit mikromechanisch gehalterte Spiegel zur schnellen Fre¬ quenzmodulation,

Fig. 2 ein Schemabild eines Ausführungsbeipleles für einen diodenge¬ pumpten Festkörperlaser mit mikromechanisch gehaltertem Spiegel zur schnellen Frequenzmodulation,

Fig. 3 ein Schemabild einer Ausführungsform eines mikromechanisch ge¬ halterten Laserspiegels mit einem Glasplättchen als Spiegelsub¬ strat,

Fig. 4 ein Schemabild einer Ausführungsform für einen mikromechanisch gehalterten Laserspiegel in der Draufsicht, wobei der dielektri¬ sche Spiegel ohne Spiegelsubstrat hergestellt ist,

Fig. 4a ein Schemabild eines Querschnittes durch ein dielektrisches Mul- tischichtsystem vor dem Abdünnen des Siliziumsubstrates,

Fig. 4b ein Schemabild einer Beschichtung eines Laserspiegels mit lokal unterschiedlichen Reflexionseigenschaften zur Formung eines sog. Gauß'schen Spiegels,

Fig. 5 eine Ausschnittskizze zur Verdeutlichung der mikromechanischen Manipulationsvorrichtungen des Laserspiegels in Aufsicht, wobei die Bewegung senkrecht hierzu erfolgt,

Fig. 5a ein Schemabild in der Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel ei¬ nes beweg ichen Spiegels für Kippbewegungen,

Fig. 5b ein Schemabild für ein Ausführungbeispiel eines adaptiven Spie¬ gels mit einstellbarer Krümmung der reflektierenden Membran durch gezieltes Anlegen von Unter- oder Überdruck in der Druck¬ kammer,

Fig. 6 eine weitere Ausschnittskizze zum Aufbau einer mikromechanischen Manipulationsvorrichtung,

Fig. 7 ein Schemabild einer weiteren Ausführungsform eines mikromecha¬ nisch gehalterten Laserspiegels in der Ebene des Substrates mit Elementen zur Strah um!enkung (sog. "gefalteter Resonator"), wo¬ bei mehrere Lasersysteme flächenmäßig angeordnet sind.

Die Laserspiegel nach dem Stand der Technik sind allgemein sehr viel größer, als die sonstigen Elemente des Lasers und müssen außerdem ein¬ zeln optisch poliert und beschichtet sowie mechanisch gehaltert werden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird ein mikromechanisch herge¬ stellter, bewegbarer Spiegel 20 verwendet, welcher zum einen flächen- und volumenmäßig nicht wesentlich größer ist als die hier eingezeichnete Laserdiode 1, zum anderen in großen Stückzahlen in herkömmlicher Wafer- technologie gefertigt und außerdem auch noch bei geeigneter Ausformung bewegbar angeordnet werden kann. Auf die detaillierte Beschreibung bzw. Ausgestaltung dieses Spiegels 20 wird bei der Beschreibung der Fig. 5 und 5 eingegangen, in diesem Anwendungsfall kann der Spiegel in longitu- dinaler Richtung ausgelenkt werden, so daß hierdurch die Resonatorlänge aktiv einstellbar ist, was in einer Frequenzmodulation der Laserstrah¬ lung resultiert.

In gleicher Anordnung kann der Laser ein- und ausgeschaltet oder auch gütegeschaltet werden, wenn der Laserspiegel so ausgeformt ist, daß ein Verkippung der Spiegelfläche relativ zur Fläche 7 des Halbleiterlasers bzw. der Halble1ter-Laserd1ode 1 durch mikromechanische Ansteuerung er¬ folgt. Problemlos können solche Spiegel 20, die eine verminderte Ferti¬ gungsgenauigkeit aufweisen, montiert werden, wenn durch mikromechanisch Ansteuerung des Spiegels 20 nach der Montage, letzterer einjustiert und anschließend fixiert wird. Nähere Erläuterungen hierzu werden nachfol¬ gend - um Wiederholungen zu vermeiden - in der Beschreibung zu den Fig. 5 und 6 gegeben.

Die Fig. 2 veranschaulicht in analoger Weise einen durch Laserdioden ge pumpten Festkörperlaser mit der vorgeschlagenen Spiegelanordnung 20, welche dieselben Eigenschaften wie beschrieben aufweist. Bei diesem Aus führungsbeispiel werden hier alle Elemente des Lasers, welche ähnliche mechanische Abmessungen aufweisen, wie die Spiegelanordnung 20, auf ei¬ ner gemeinsamen Basis montiert werden. Der Halbleiterlaser 1 ist auf ei ner Wärmesenke 2 montiert. Die Laserstrahlung wird über eine Ankoppelop tik 7 in einen Festkörperlaserkrlstall 8 - z.B. Nd:YAG - fokussiert, dessen eine Stirnseite beispielsweise mit einem Coating 9 versehen ist, welches hochtransmittierend für die Laserdiodenstrahlung und hochreflek tierend für die Festkörperlaserstrahlung ist. Das Coating 10 ist antire flektlerend für die Festkörperlaserstrahlung, so daß sich zwischen Spie gelschicht 9 und der Beschichtung des mikromechanischen Spiegels 20 ein Laserresonator für die Festkörperlaserstrahlung ausbildet. Die Eigen¬ schaften des Frequenzmodulierens, An- und Ausschalten sowie das Güte¬ schalten sind hier ebenso gegeben, wie eine aktive Justage des Spiegels 20.

In der Fig. 3 ist eine Ausführungsform eines mikromechanischen Laser¬ spiegels skizziert, der aus einem anisotrop geätzten Halbleitersubstrat 51 besteht, welches mit einem SpiegelSubstrat 52 kontaktiert Ist. Das Spiegelsubstrat 52 ist einseitig mit einer teilreflektierenden Spiegel- schicht 53 und rückseitig mit einer Antlreflexschicht 54 für die Laser¬ wellenlänge beschichtet.

In der Fig.4 ist eine Spiegelausführung mit sogenannter freischwebender Spiegelschicht ohne Substrat gezeigt. Diese Ausführungsform kann auch im hier vorliegenden Falle gut eingesetzt werden, da durch Weglassen des Substrates 52 ein besonders einfacher Aufbau und eine geringe bewegte Masse realisiert werden kann.

In seiner einfachsten Form besteht der Spiegel - ohne von außen vorgeb¬ bare Bewegungsmöglichkeit - aus einem hochpolierten Siliziumsubstrat der in der Mikroelektronik üblichen Qualität mit der KristallOrientierung <100> oder <110>. Auch andere einkristalline Substrate wie z.B. GaAs, InP oder Quarz sind prinzipiel verwendbar. Dieses Substrat wird mit ge¬ eigneten mehrlagigen dielektrischen Schichten versehen. Insbesondere bieten sich Beschichtungen aus Siliziumdioxid (SiO«) und Siliziumni¬ trit ( i 3 N-) an, da sie mit der Standard-Siliziumtechnologie sehr gut kompatibel sind. Aber auch Schichtenfolgen von SiC und TiO« kommen unter anderem in Frage. Schichten dieser Art können beispielswei¬ se durch Abscheidung aus der Gasphase (CVD, LPCVD) oder mit Plasmaunter¬ stützung (PECVD) hergestellt werden. Auch Aufdampfen und Sputtern ist möglich. Die Dicken sowie die Anzahl der Einzelschichten werden nach den gewünschten optischen Eigenschaften (Reflexion, Transmission) berechnet. Sie bewegen sich typischerweise bei λ/4 (ca. 100 bis 200 nm für sicht¬ bares Licht). Die Fig. 4a veranschaulicht so einen Beschlchtungsschritt in einem stark vergrößerten Maßstab.

Nach der Herstellung der optisch aktiven Beschichtung wird das Silizium- substrat im aktiven Spiegelbereich ätztechnisch vollständig entfernt, so daß das dielektrische Schichtpaket freischwebend als Spiegel wirkt (Fig.4). Dies kann mit üblichen naßchemischen Ätzlösungen, wie z.B. KOH, erzielt werden. Durch geeignete Einstellung der schichtkohärenten mechanischen Spannungen kann dafür gesorgt werden, daß diese Schicht hochplan ist.

Für manche Anwendungen ist es vorteilhaft, daß die Reflexionseigenschaft des Spiegels über seine Fläche variabel gestaltbar ist, um unerwünschte Beugungseffekte zu eliminieren oder zumindest erheblich zu minimieren.

Insbesondere gibt es Anwendungen, bei denen die Reflexionseigenschaften gemäß einer Gauß-Funktion variiert werden sollen (Gauß'scher Spiegel). Durch Einbeziehung der mikroelektronischen Fertigungstechniken, wie bei¬ spielsweise Lithographie, selektive naßchemische oder Trocken-Ätzverfah¬ ren, Ist es möglich, solche Profile durch entsprechende Ausgestaltung der VielSchichtensysteme mit örtlich unterschiedlichen Schichtdicken wirtschaftlich herzustellen. Ein Ausführungsbeispiel Ist in der Fig. 4b veranschaulicht.

Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen den detaillierten Aufbau des Spiegels, wie er in den Anordnungen gemäß den Fig. 1 und 2 verwendet wird. Hierbei zeigt die Fig. 5 diesen Spiegel in einer Aufsicht. Siliziumsubstrate können beispielsweise so geätzt werden, daß an beweglichen Aufhängela¬ schen eine kleine Siliziumfläche vorhanden ist, welche entweder das Spiegelsubstrat gemäß Fig. 3 trägt, oder aber eine frei schwebende Spie¬ gelschicht gemäß Fig. 4 ist. Aufgrund der elastischen Aufhängung kann diese Siliziumflache nun je nach Anordnung und Ansteuerung durch die Ak- tuatoren, überall translatiert oder verkippt werden. Das in Fig. 5 skiz¬ zierte Ausführungsbeispiel zeigt eine Anordnung für parallele Auslen¬ kung, beispielsweise zur Frequenzmodulation des verwendeten Lasers. In diesem Fall kann z. B. eine hochgradig symmetrische, diagonale Anordnung der Biegebalken gewählt werden. Die Gegenelektrode am unteren Deckwafer ist hierbei nicht unterteilt. In einer leichten Abwandlung gemäß Fig. 5a ergibt sich nach dem gleichen Prinzip eine Anordnung, die sich für Kipp¬ bewegungen des Spiegels eignet, beispielsweise um eine Güteschaltung des Laserresonators oder eine Justage des Spiegelelementes zu realisieren. Die Aufhängung kann hierbei in Form zweier Torsionsbalken gewählt wer¬ den. In diesem Falle werden die Elektrodenflächen in zwei getrennte Hälften geteilt, die unabhängig voneinander angesteuert werden.

Die Fig. 6 zeigt diesen Spiegel im Schnitt und verdeutlicht die Ansteue¬ rung und den Aufbau der Aktoren. Es ist deutlich erkennbar, daß zwischen den elastischen Aufhängebalken und der Spiegelschicht je eine Elektrode am oberen Wafer angeordnet ist, welche über einen Luftspalt getrennt ei¬ ner Gegenelektrode gegenüberliegt. Werden Ladungen auf die Elektroden

aufgebracht, so führt dies je nach dem Ladungsvorzeichen zu einer Anzie¬ hung oder Abstoßung der Elektroden und somit - je nach Ansteuerung der Gesamtheit der Elektroden und der Anordnung der Biegebalken, zu einer translatorischen Bewegung oder zu einer Verkippung der Spiegel. Wird auf jeweils alle Elektroden und Gegenelektroden jeweils dieselbe Ladung auf¬ gebracht, so ergibt sich eine gleichförmige Translation. Ist die Ladung unterschiedlich, so ergibt sich eine Verkippung. Insbesondere bei einer Konzeption mit Torsionsbalken ist die Verkippung besonders effizient zu erzeugen.

Werden bei einer translatorisehen Verschiebung die Ladungen mit einer schnellen Periodizität aufgebracht (WechselSpannung), so wird der Spie¬ gel periodisch translatiert. Die Translation eines Laser-Resonatorspie¬ gels führt aber wie bekannt zu einer Frequenzänderung des Lasers und ei¬ ne schnelle periodische Translation auch zu einer schnellen Frequenzmo¬ dulation.

Durch Verkippung kann der Spiegel entweder so justiert werden, daß der optimale Arbeitspunkt des Lasersystems eingestellt wird - was eine ge¬ ringere Anforderung an die Montagegenauigkeit erlaubt - oder der Spiegel wird periodisch so verkippt, daß der Laser vom optimalen Arbeitspunkt durch Dejustage des Spiegels ausgeschaltet wird. Wird dies mit geeigne¬ ter Periodizität und geeignetem Taktverhältnis durchgeführt, so führt dies zum bekannten Phänomen der Riesenpulserzeugung des Lasers (Güte¬ oder Q-Schaltung).

Die hier beschriebenen Spiegel werden ätztechnisch so ausgestaltet, daß der optisch aktive Bereich an dünnen Biegebalken aus Silizium- oder ei¬ nem geeigneten Dünnfilm frei beweglich aufgehängt wird. Aus Integrier- barkeitsgründen bietet es sich an, zur Krafteinleitung die Elektrostatik zu verwenden. Dabei wird das Siliziumsubstrat elektrisch kontaktiert, so daß der Spiegel eine Elektrode einer Kondensatoranordnung darstellt. Diese Einheit wird mit einem zweiten Siliziumsubstrat verbunden, in das

eine durchgehende Öffnung zur Transmission des Laserstrahls hineingear¬ beitet ist. Ferner ist eine flache Vertiefung vorgesehen, die den Elek¬ trodenabstand zum beweglichen Teil und damit auch die Bewegungsfreiheit des Spiegels festlegt. Innerhalb dieser Vertiefung sind Kondensator-Ge¬ genelektroden aufgebracht. Diese zwei Substrate werden durch geeignete Verfahren - wie beispielsweise anodisches Bonden oder Si-Si-Bonden - miteinander verbunden. Durch Anlegen einer äußeren Spannung an die Elek¬ troden wird der Spiegel elektrostatisch bewegt. Neben der Elektrostatik können auch andere Kraftprinzipien eingesetzt werden, z.B. die Piezo¬ elektrik oder die Magnetik. Dazu kann ein entsprechend kleines Stellele- ent oder ein Dauermagnet der Spiegelanordnung zugefügt werden.

Eine weitere Möglichkeit die sich aus der Dünnf11m-Anordnung des Spie¬ gels ergibt, ist die gezielte Verwölbung der Spiegelfläche durch Anlegen eines Unter- oder Überdruckes. Damit läßt sich z.B. die Brennweite des Spiegels einstellen, so daß eine gezielte Fokussierung ermöglicht wird. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in der Fig. 5b skizziert. Das Basis¬ spiegelelement wird mit einem transparenten Substrat - beispielseise Glas - verbunden, so daß ein abgeschlossener Hohlraum entsteht, der le¬ diglich durch einen gezielt ansteuerbaren Kanal mit einem externen Druckvorratsbehälter bzw. einer Pumpe verbunden ist.

Damit ist ein Spiegel geschaffen, der aufgrund seiner durch die Bauart bedingten sehr kleinen Masse, sehr schnelle Bewegungen bei hohen Fre¬ quenzen realisieren kann. Aufgrund des fehlenden Substrates im optischen Strahlengang muß keine Entspiegelung der Rückseite durchgeführt werden. Die hier vorgeschlagenen Laserspiegel können mit den Verfahren der Mi- krosystemtechnik so hergestellt werden, daß sie in ihren Ab esssungen in der Größenordnung moderner laseraktiver Elemente im kleinen und mittle¬ ren Leistungsbereich liegen (Laserdloden typisch 300 μm x 500 μm x 30 μm, Festkörperlaser typisch 500 μm x 1 mm x 1 mm).

Neben der Elektrostatik können auch andere Kraftprinzipien, wie bei¬ spielsweise Piezoelektrik oder Magnetik eingesetzt werden. Dazu kann ein

entsprechendes kleines Stellelemenet, oder ein Dauermagnet der Spiegel- anordnung hinzugefügt werden.

Die Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Anordnung, bei welcher zweidimensional Arrays von Lasersystemen mit mikromechanisch manipulierbaren Spiegel hergestellt werden. Um das System nicht unnötig komplex darzustellen, wird lediglich ein Array von Halbleiter-Laserdlo¬ den mit mikromechanisch manipulierbaren Spiegeln betrachtet. In analoger Weise können jedoch auch von Laserdioden gepumpte Festkörperlaser herge¬ stellt werden.

In dieser dargestellten Ausführungsform werden Arrays von mikromecha¬ nisch manipulierbaren Laserspiegeln 160 aus einem Siliziumsubstrat ge¬ ätzt und entsprechend optisch beschichtet, so daß über die Slliziumwa- feroberfläche verteilt eine zweidimensionale Anordnung von Spiegeln in regelmäßigen Abständen mit entsprechenden AnSteuerelementen entsteht. Hierbei können auch die Spiegel und die Spiegelansteuerung aus zwei Si- lizlu wafern gefertigt sein, welche miteinander kontaktiert werden, so daß die Spiegelansteuerung jeweils exakt zu den Spiege elementen posi¬ tioniert ist. Der Wafer 150 - versehen mit einer dielektrischen Be¬ schichtung 120 - wird exakt positioniert in Relation zu einem zweiten Wafer 110, auf welchem sich in ebenso regelmäßigen Abständen eine zwei¬ dimensionale Arrayanordnung von Laserdioden 140 und Strahlum!enkelemen- ten 130 befindet. Dieser Wafer 110 kann beispielsweise aus Silizium be¬ stehen, in welches die Strahlumlenkelemente 140 geätzt und mit einer re¬ flektierenden Spiegelschlcht 170 versehen sind, und auf welchem die zu¬ meist auf GaAs-Basis hergestellten Dioden 130 entsprechend exakt mon¬ tiert sind. Der Wafer 110 kann aber auch aus einer monolithischen GaAs- Anordnung bestehen, in welcher die Laserdioden entsprechend strukturiert und geätzt sind, ebenso wie die Strahlumlenkelemente 140. Dieser Wafer 110 ist nun seinerseits verbunden mit einer Kühleinheit 100, welche z.B. aus auf Siliziumbasis hergestellten Mikrokanalkühlem besteht. Die pa¬ rallel zur Waferflache 110 emittierte Strahlung der Laserdioden wird nun über die Strahlumlenkelemente 140 so umgelenkt, daß sie senkrecht zur

Waferoberflache des Wafers 150 auf die mikromechanisch bewegbaren Spie¬ gel fällt, von dort teilweise in sich reflektiert wird, teilweise als Laserstrahlung 170 senkrecht zur Spiegelfläche austritt.

Eine solche Anordnung ermöglicht die zweidimensionale Arrayausbildung von einzelnen, beispielsweise in der Frequenz abstimmbaren Laserdioden, aber auch von einzeln in der Amplitude oder in der Frequenz schnell mo¬ dulierbaren Laserdioden, gütegeschalteten Laserdioden oder die entspre¬ chende Kontrolle von Amplitude, Frequenz oder Güte von mit Laserdioden gepumpten Festkörperlasern. Die Fertigung ist problemlos mit herkömmli¬ cher Batchtechnologie gegeben, da lediglich mehrere Wafer in bekannter Weise geätzt und strukturiert werden müssen, welche anschließend als Ganzes gegeneinander positioniert und verbunden werden. Eine Einzelju- stage oder EinzelVerbindung von Elementen entfällt hier.