Laserentwicklung Fortschritte auf dem Gebiet der Diodenlaser und Quantenmodule

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Das Ferdinand-Braun-Institut zeigt Fortschritte bei der Entwicklung von Diodenlasern. Dazu gehören ein verbessertes Chipdesign und die Aufbautechnik, die zu höheren Leistungen und neuen Anwendungen führen sollen. Die Laser können sowohl in der industriellen Fertigung als auch in der Forschung eingesetzt werden.

Diodenlaser sind zentraler Bestandteil in der modernen Fertigung und Forschung. Eingesetzt werden sie in der Materialbearbeitung, Energieerzeugung und Medizintechnik. Das Ferdinand-Braun-Institut (FBH) in Berlin ist eines der führenden Zentren für Hochleistungslaserdioden und Mikrowellentechnologie.

Bei der Entwicklung monolithisch gitterstabilisierter Diodenlaser haben die Experten Fortschritte erzielen könne. Das reicht von der industriellen Fertigung sowie in Anwendungen wie der Laserfusion. Verbesserungen auf Chipebene sowie in der Aufbau- und Verbindungstechnik führten zu höheren Ausgangsleistungen, besserer Effizienz und der Bereitstellung neuer Wellenlängen. In Zusammenarbeit mit Trumpf wurden gitterstabilisierte Diodenlaser um 880 nm entwickelt, die maximale Dauerstrich-Ausgangsleistungen von 26 W bei einer Spektralbreite von 1 nm erreichen. Diese Leistung wird mit DBR-Einzelemittern (Distributed Bragg Reflector) mit 200 μm Streifenbreite erzielt. Die Laser sind für die nächste Generation von industriellen Pumpanwendungen ausgelegt, insbesondere für Nd:YAG-Festkörperlaser.

Diese Diodenlaser legen zudem die Basis für zukünftige gepulste Anwendungen, die extreme Hochleistungen erfordern. Dazu zählen etwa Pumplaser für die Energieerzeugung durch Laserfusion, bei denen gitterstabilisierte Laser von 870 bis 885 nm eine wichtige Rolle spielen.

Ein Lasersystem für die additive Fertigung

Herzstück des Samba-Lasersystems sind Diodenlasermodule, die hohe Ausgangsleistungen bei 780 nm emittieren. Zwei dieser Module, die aus übereinander gestapelten Einzelemittern mit jeweils 1,2 mm Apertur bestehen – so genannten Stacks – werden in den kompakten Samba-Laserkopf integriert. Damit lässt sich die Leistung auf ein Kilowatt Dauerstrich-Ausgangsleistung skalieren, die in einem präzisen Laserstrahl mit einem Durchmesser von 1 mm auf das Werkstück trifft.

Dieses Direkt-Diodenlasersystem integrieren Industriepartner auf einen Roboterarm und setzen es zur effizienten Additiven Fertigung von Aluminium in der industriellen Laser-Draht-Bearbeitung ein. Aufgrund der höheren Absorption bei 780 nm sind die dafür entwickelten FBH-Diodenlaser bei der Bearbeitung bis zu vier Mal effizienter als herkömmlich genutzte Laser um 1.030 nm.

Das Verfahren wird im ersten Schritt anhand eines Laser-Draht-Beschichtungsprozesses demonstriert, bei dem Seitenwände von Hochgeschwindigkeitszügen mit deutlich reduziertem Gewicht hergestellt werden. Dank der kompakten Größe lassen sich damit auch komplexe Bauteile fertigen. Das neuartige System kommt ohne optische Faser aus und ist daher weniger fehleranfällig. Die Wellenlänge kann zudem an die gewünschte Materialabsorption angepasst werden.

Analytik, Sensorik und Bildgebung mit verschränkten Photonen

Das FBH entwickelt Quantenlicht-Module, die auf verschränkten Photonenpaaren basieren und vielfältig einsetzbar sind. Ein Beispiel ist ein miniaturisiertes Sensormodul. Das Modul ist Kernelement eines mobilen Systems, mit dem künftig Mikroplastik erstmalig vor Ort in Gewässern analysiert werden soll. Die Messungen finden ausschließlich im nahinfraroten Bereich (NIR) statt. Es werden weder Detektoren noch Strahlungsquellen im mittleren Infrarot (MIR) benötigt. Dadurch lassen sich Kosten reduzieren, da Detektoren und Kameras im NIR-Bereich preisgünstiger sind als im MIR-Bereich. Mit dem System können spezielle Kunststoffe auch in geringsten Konzentrationen und Größen nachgewiesen werden.

Für seine Quantenlicht-Module integriert das FBH neuartige Laserdioden mit weiteren Elementen auf kleinstem Raum. Ein intensiver Laserstahl trifft darin auf einen nichtlinearen optischen Kristall. Dieser sorgt dafür, dass die Photonen des Laserstrahls in verschränkte Photonenpaare zerfallen – wobei beide Photonen jeweils unterschiedliche Wellenlängen besitzen. Das Photon mit der MIR-Wellenlänge wird zu einer Probe und zurück in das Sensormodul geleitet. Das Photon mit NIR-Wellenlänge verbleibt im Modul. Nach dem Informationsaustausch der beiden Photonen werden nur die NIR-Photonen analysiert. Dieses Verfahren eignet sich für Anwendungen in Medizin, Messtechnik, Mikroskopie und Umweltanalytik.

Miniaturisierte Master-Oszillator-Leistungsverstärker (MOPA)

Forschende am FBH haben einen miniaturisierten Master-Oszillator-Leistungsverstärker (MOPA) entwickelt, der eine hohe optische Leistung von mehr als acht Watt im Dauerstrichbetrieb mit geringer spektraler Breite (< 100 MHz) und hoher Strahlqualität (M² < 2) liefert. Dieser kann in verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden, von Medizin und Messtechnik bis hin zur Quantenphysik. Dank seiner geringen Abmessungen von nur 25 mm x 25 mm ermöglicht er kompakte und mobil einsetzbare Geräte.

Um den MOPA gegen optische Rückkopplungen zu schützen, ist er mit einem miniaturisierten optischen Isolator ausgestattet. Der MO wird durch einen internen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) spektral stabilisiert, für den PA wurde ein Trapezverstärker gewählt. Die kompakte CCP3-Halterung lässt sich unkompliziert in Messaufbauten und -systeme einbauen. Optional kann der MOPA auch in ein geschlossenes Butterfly-Gehäuse integriert werden. Die Wellenlängen sind im Bereich zwischen 620 bis 1180 nm flexibel einstellbar. (heh)

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