Gepulste Diodenlasersysteme mit hohen Ausgangsleistungen und stabilisierter Emissionswellenlänge
Abb.1: Optische Mikrobank zur Güteschaltung mit am FBH entwickelten elektrischen Ansteuerschaltkreisen
Abb. 2: Vergrößerte Aufnahme, die die Mehrsektions-Laserdiode, die Gradientenindex-Linse, denTrapez-Verstärker und die Mikrolinsen auf Ausgang des Verstärkers zeigt (von rechts)
Abb. 3a: Optische Leistung als Funktion der Zeit, Abb. 3b: Optisches Spektrum
Im Rahmen des Verbundprojektes "FaZiT" entwickelt das FBH maßgeschneiderte gepulste Diodenlasersysteme für Pulsdauern im Zeitbereich von 100 ns bis zu 500 ps, im Bereich um 100 ps und unterhalb von 10 ps. Mit ihren hohen optischen Ausgangsleistungen von einigen zehn Watt und ihrer stabilisierten Emissionswellenlänge sind sie als Seedlaser, etwa in gepulsten Faserlasersystemen, ideal geeignet. Dadurch lassen sich Spitzenleistungen bis in den kW-Bereich erzielen. Gepulste Laserstrahlquellen besitzen zudem ein großes Marktpotenzial in der Materialbearbeitung, Sensorik und Analytik (Floureszenzspektroskopie).
Die im Projekt entwickelten Laserdioden werden als Kantenemitter im Grundmodebetrieb mit integrierter Wellenlängenstabilisierung (Bragg-Gitter) und geringer Divergenz für eine effiziente Kopplung in Einmodenfasern ausgeführt. Um die Impulsenergie zu erhöhen, werden Verstärker ebenfalls auf Basis von Kantenemittern realisiert. Laserdioden und Verstärker werden zusammen mit Mikrolinsen zur optischen Strahlformung auf einer Mikrobank mit einer Grundfläche von 4 cm x 5 cm hybrid integriert – entweder mit elektrischen Ansteuerschaltungen (Abb. 1) oder elektrischen Anschlussleitungen (Abb. 2). Die elektrischen Ansteuerschaltungen basieren auf GaN-Leistungstransistoren, die ebenfalls am FBH entwickelt wurden.
Die Montage der Komponenten erfordert eine Präzision im sub-Mikrometerbereich: Zunächst werden die Mehrsektions-Laserdiode (2 mm) und der Trapez-Verstärker (4 mm) jeweils auf vergoldete Blättchen aus Aluminiumnitrid gelötet. Diese werden anschließend gemeinsam auf ein größeres Blättchen aus dem gleichen Material gelötet. Die Strahlung der Laserdiode wird durch eine 4,4 mm lange Gradientenindex-Linse in den Verstärker gekoppelt. Damit keine Strahlung verloren geht, muss der Abstand von Laserdiode und Verstärker auf 4 µm genau eingehalten werden. Nach Anbringen der elektrischen Anschlüsse wird die Koppel-Linse im aktiven Betrieb der Laserdiode und des Verstärkers mit einer Genauigkeit von kleiner als 0,5 µm in allen drei Raumrichtungen justiert und geklebt. Die zusätzlichen Mikrolinsen am Ausgang des Verstärkers transformieren die vom Verstärker ausgehende divergente Strahlung zu einem parallelen Strahlenbündel.
Abb. 3a und 3b zeigen den zeitlichen Verlauf der vom Diodenlasersystem emittierten Lichtimpulse und das dazugehörige optische Spektrum bei einem gütegeschalteten Betrieb der Laserdiode. Dabei wird ein Licht absorbierendes Segment durch Injektion kurzer Stromimpulse periodisch transparent geschaltet. Die volle Halbwertsbreite der Lichtimpulse beträgt 80 ps und die Spitzenleistung 35 W. Das optische Spektrum zeigt eine spektrale Linie bei 1067 nm. Die spektrale Intensität des durch die spontane Emission erzeugten Untergrundes ist um den Faktor 10.000 (40 dB) kleiner als die der spektralen Linie. Die Emissionswellenlänge konnte durch ein Bragg-Gitter, das in die Mehrsektions-Laserdiode integriert wurde, erfolgreich stabilisiert werden. Damit ist es gelungen, durch Präzisionsmontage opto-elektronischer, optischer und elektrischer Bauelemente maßgeschneiderte, miniaturisierte, gepulste Diodenlasersysteme für die gewünschten Anwendungen zu entwickeln.
Publikation:
A. Liero, A. Klehr, S. Schwertfeger, T. Hoffmann, W. Heinrich, "Laser Driver Switching 20 A with 2 ns Pulse Width Using GaN", Vortrag International Microwave Symposium 2010, IEEE MTT-S Int.Microw.Symp.Dig., Anaheim, CA, May 25-27, pp. 1110-1113 (2010).
FBH-Forschung: 17.12.2010