Leistungsstarke brillante Strahlquellen: "Truncated" optische Halbleiter-Trapezverstärker verbessern MOPA-Systeme
Abb. 1: Truncated-Trapezverstärker mit optischen Objekten zur Ein- und Auskopplung in Draufsicht (oben) und Seitenansicht (unten).
Abb. 2: Optische Leistung, angelegte Spannung, Konversionseffizienz eines Verstärkers als Funktion des Betriebsstroms in QCW-Betrieb bei 400 mW Eingangsleistung. Inset: Optische Pulse bei 40 und 60 A.
Eine der aktuellen Herausforderungen für die Forschung auf dem Gebiet der Halbleiterlaser-Lichtquellen ist es, hohe optische Leistungen im Wattbereich mit beugungsbegrenzter Strahlqualität und spektral stabilisierter, schmalbandiger Emission zu vereinen. Jede Verbesserung erlaubt neue Anwendungen für die Materialbearbeitung, optische Freiraumkommunikation, in der Displaytechnologie und in der LIDAR-Technik. Wesentliche Fortschritte konnten diesbezüglich mit "Master-Oszillator Power-Amplifier (MOPA)"-Systemen erreicht werden. Deren Endstufe beruht auf optischen Halbleiterverstärkern mit großen Gewinnflächen. Der MO bietet eine spektral schmalbandige Emission mit beugungsbegrenzter Strahlqualität. Dessen optische Leistung von circa 0,5 W wird in den Verstärker eingekoppelt. Der Verstärker (Power Amplifier – PA) hat eine sogenannte "truncated" trapezförmige Kontaktfläche. Dieses Design ermöglicht eine hohe optische Leistung und eine zugleich gute Strahlqualität (siehe Abb. 1). Beim Design der Halbleiterstruktur für den Verstärker spielen ein niedriger optischer Verlust und ein auf die Leistung des MO abgestimmter modaler Gewinn die entscheidende Rolle: Der Gewinn muss für eine Verstärkung ausreichend groß sein; fällt dieser jedoch zu hoch aus, verschlechtert sich die Strahlqualität.
Durch Optimierung verschiedener Halbleiterschichtstrukturen für die Wellenführung und der Anzahl von Quantengräben ist es gelungen, mehr als 17 W beugungsbegrenzte optische Leistung aus einzelnen Verstärkern unter "quasi-continuous wave" (QCW)-Betrieb zu erreichen. Die spektralen Eigenschaften werden dabei vom MO bestimmt. Die Bandbreite liegt bei unter 40 pm. Die maximale spektral schmalbandige Gesamtleistung betrug sogar mehr als 50 W, siehe Abb. 2. Nun sind weitere Entwicklungen geplant, die derartige auf MOPAs basierende Halbleiterlaserlichtquellen kompakter machen und für den CW-Betrieb optimieren. Das beudeut, insbesondere noch den Konversionswirkungsgrad zu steigern und die optischen Komponenten zu miniaturisieren. Damit werden diese MOPA–Systeme sehr attraktiv für den Einsatz in kommerziellen Anwendungen.
Publikation
X. Wang, G. Erbert, H. Wenzel, B. Eppich, P. Crump, A. Ginolas, J. Fricke, F. Bugge, M. Spreemann, G. Tränkle, "High-power, spectrally stabilized, near-diffraction-limited 970 nm laser light source based on truncated-tapered semiconductor optical amplifiers with low confinement factors", Semicond. Sci. Technol., vol. 27, no. 015010 (2012).
FBH-Forschung: 24.08.2012