SPEKTRALAS

Verbesserung der spektralen Eigenschaften von Hochleistungsdiodenlasern

SPECTRALASSpektral stabilisierte Diodenlaser im Hochleistungsbereich ermöglichen die Umsetzung neuer Leistungsskalierungskonzepte im Bereich der Lasermodule hoher Brillanz. Einsatzgebiete dieser Technologie sind die direkte Materialbearbeitung sowie die Effizienzsteigerung von Festkörperlasern und Faserlasern durch den Einsatz der Module als stabilisierte Pumpquellen.

Im Rahmen des Vorhabens wird die spektrale Leistungsdichtesteigerung von Hochleistungsdiodenlasern, d.h. Multimode-Einzelemittern und Diodenlaserbarren mit Hilfe von chipintegrierten DFB-Strukturen sowie externen Resonatoren untersucht. Ziel ist die Realisierung von 95% Leistungseinschluss in einer stabilisierten spektralen Breite von weniger als 1 nm. Für die geplanten Strahlquellen werden Laserdioden mit 100 µm Emitterstreifen und je 10 W Ausgangsleistung und einer angestrebten elektro-optischen Konversionseffizienz von 60% entwickelt. Die Diodenlaser werden auf Grundlage von Einzelstreifen und Arrays mit maximal 19 Streifen aufgebaut und untersucht.

Diodenlaser mit spektral verbesserten Eigenschaften können vorteilhaft als Pumpquelle eingesetzt werden. Durch die verringerte Temperaturempfindlichkeit kann der Aufwand für die Kühlung von Diodenlasern reduziert werden. Alternativ können neuartige Laserkristalle mit schmalen Absorptionslinien gepumpt werden, um neue Wellenlängenbereiche zu erschließen oder den Wirkungsgrad von Festkörperlasern zu erhöhen (Bsp.: Pumpen von Nd:YAG oder Nd:YVO4 bei 888 nm).

Eine weitere Einsatzmöglichkeit ist die Leistungsskalierung von Diodenlasersystemen durch dichte Überlagerung von Wellenlängen. Bei freilaufenden Laserdioden beträgt die charakteristische Verschiebung der Zentralwellenlänge mit der Temperatur etwa 0,25 nm/K oder umgerechnet auf den Betriebsstrom etwa 0,1 nm/A. Da moderne Hochleistungsdioden mit Strömen von bis zu 200 A betrieben werden, resultiert dies in einen Hub der Spektralwellenlänge von bis zu 20 nm zwischen Schwellstrom und Betriebsstrom. Durch die Stabilisierung der Zentralwellenlänge mit einem maximalen Drift von ca. 0.1nm wird eine entsprechend dichtere Überlagerung mittels spektraler Filter ermöglicht. Optional können diese Filter als dielektrische Schichten oder ebenfalls als Volumengitter ausgeführt werden. Mit Hilfe dieser Technik können Pumpquellen auf Basis spektral kombinierter Laserdioden erstmals zum Pumpen weit verbreiteter Festkörperlaser-Medien (Nd:YAG, Yb:YAG) eingesetzt werden. Auch für das Pumpen von Faserlasern ergeben sich Vorteile, da diese im hoch absorbierenden Spektralbereich um 976 nm gepumpt werden können, was für das Design dieser Laser vorteilhaft ist. Durch den Einsatz von DFB-Strukturen lässt sich auch die Ausbeute des Halbleiterwafers verbessern, da die Streuung der Zentralwellenlänge über den Wafer eliminiert oder zumindest verringert wird.

Technische Arbeitsziele:
Es sollen folgende Kenndaten erreicht werden:

  • Eine räumliche Brillanz eines spektral stabilisierten, fasergekoppelten Diodenlasers von 100 GW/(m2sr) wird angestrebt (Beispiele: P =500 W / D = 200 µm / NA = 0,22 oder P = 125 W / D = 100 µm / NA = 0.22)
  • Der elektrooptische Gesamtwirkungsgrad des fasergekoppelten Moduls soll mehr als 50% betragen
  • In der spektralen Breite von weniger als 1 nm sollen mehr als 95% der Leistung eingeschlossen sein
  • Industrietaugliche (d.h. robuste, wirtschaftliche) Konzepte zur dichten spektralen Überlagerung werden untersucht mit dem Ziel einer Steigerung der Brillanz gegenüber den oben genannten Werten mit einer einzelnen Wellenlänge.

Die gesamte Wertschöpfungskette vom Halbleiterchip bis zum integrierten System soll untersucht werden. Diese Kette umfasst

  • die Herstellung von Volumengittern in photosensitiven Gläsern (ILT),
  • die Herstellung mikrooptischer Komponenten (INGENERIC, GRINTECH)
  • das Design von Gittern und Optiken (ILT, DILAS, JOLD),
  • die Realisierung von neuartigen Halbleiterlaserchips (FBH) sowie deren Montage und Integration zu hochbrillanten Laserstrahlquellen (ILT, DILAS, JOLD).

Neben der externen Stabilisierung wird auch die Integration wellenlängenstabilisierender Gitter auf Chip-Ebene und deren Performance in Systemen (FBH, ILT, DILAS, JOLD) untersucht. Ein Hauptziel ist der Vergleich der beiden prinzipiellen Designs hinsichtlich der erreichbaren Kenndaten und eine Abschätzung des jeweiligen Potentials für die zukünftige Umsetzung in Produkte.

Ansprechpartner

Dr. Bernd Köhler
DILAS Diodenlaser GmbH
Galileo-Galilei-Str. 10
55129 Mainz-Hechtsheim
e-mail: b.koehler@dilas.de
Tel.: (06131) 9226-133
Fax: (06131) 9226-255

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