Thema: Hochleistungsdiodenlaser

Hochleistungsdiodenlaser – Schlüsselbauelemente für Lasermaterialbearbeitung und Petawatt-Lasersysteme in der Forschung

Laser TRUMPF
Hochleistungslaser für die Materialbearbeitung (© TRUMPF)

Hochleistungsdiodenlaser wandeln in sehr effizienter Weise elektrischen Strom in Laserlicht um; der Leistungsbereich reicht von einigen Watt bis in den Kilowatt-Bereich. Ihr hoher Wirkungsgrad und ihre kompakte Bauweise machen sie zu Schlüsselbauelementen für moderne Laserstrahlquellen im Hochleistungsbereich; zudem erlaubt die Halbleitertechnologie die Fertigung hoher Stückzahlen. In den Optischen Technologien machen sie diese Eigenschaften vergleichbar mit der Bedeutung von Schaltkreisen für die Computertechnik.

Ein boomender Markt für Laserstrahlquellen ist die Lasermaterialbearbeitung mit einem geschätzten Jahresumsatz von 1,5 Milliarden Dollar für das Jahr 2010. Im Maschinenbau, der Autoindustrie und bei der Herstellung von Solarmodulen sind Laser als Werkzeuge unverzichtbar. Seitdem kompakte Hochleistungsdiodenlaser eingesetzt werden, rechnet sich auch die lange Zeit „unbezahlbare“ Lichtenergie für viele bestehende Anwendungen und ermöglicht immer neue Applikationen.

In der Materialbearbeitung werden Hochleistungsdiodenlaser meist als Pumpquellen für Lasermedien (Kristalle oder Fasern) eingesetzt. Bei relativ geringem Leistungsverlust kann so die Brillanz der Strahlquellen wesentlich erhöht werden; für einige Anwendungen reicht bereits die Brillanz der Hochleistungsdiodenlaser selbst aus. Entscheidend sind zudem Leistung und Wirkungsgrad. Anhand dieser drei Kenngrößen wird die Leistungsfähigkeit von Lasern bewertet – bei Computerchips entspricht dies den Taktfrequenzen bzw. Speicherkapazitäten. Das FBH erforscht die physikalischen Grundlagen, um diese Parameter weiter zu verbessern und setzt neue Erkenntnisse mittels der hochmodernen und erprobten Halbleitertechnologie am FBH um. Für die Bewertung der komplexen Zusammenhänge und den schnellen Technologietransfer in die Industrie ist diese experimentelle Verifikation bis hin zum Demonstrator unerlässlich.

Neben der Lasermaterialbearbeitung werden Lasersysteme mit enormen Spitzenleistungen derzeit in Großprojekten der Forschung realisiert wie etwa neuartige Table-top-Röntgenlaser und Petawatt-Lasersysteme. Der Bedarf an maßgeschneiderten Hochleistungsdiodenlasern für diese Einsatzzwecke nimmt kontinuierlich zu. Eine erhebliche Steigerung wird insbesondere von Anwendungen wie der laserinduzierten Kernfusion erwartet, die bei der künftigen Energieerzeugung eine Rolle spielen könnte. Dann werden alleine für einen einzigen Reaktor Hochleistungsdiodenlaser in der Größenordnung der gegenwärtigen Weltjahresproduktion benötigt.

Hier finden Sie weitere Informationen zu verschiedenen Hochleistungsdiodenlasern, die am FBH entwickelt werden.

Diodenlaser mit hohem Konversionswirkungsgrad

100 µm-Breitstreifenlaser
100 µm-Breitstreifenlaser mit 65% Effizienz bei 10 Watt Ausgangsleistung
PUI-Kennlinie
Kennlinien 100 µm-BA-Laser (980 nm, Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur)

Der Konversionswirkungsgrad charakterisiert die Effizienz der Wandlung von elektrischer Energie in nutzbare Laserstrahlung. Bei Diodenlasern liegt dieser Wert derzeit zwischen 50 und 60%. Neben der Zuverlässigkeit ist er die entscheidende Kenngröße für den industriellen Einsatz von Hochleistungslasersystemen im kW-Bereich. So steigert der Einsatz von Diodenlasern in Materialbearbeitungslasern die nutzbare Lichtleistung bereits von circa 5% auf 20 bis 30%. Jede weitere Verbesserung lohnt sich, da die Leistung, die nicht in Laserlicht umgewandelt wird, als Wärme im System verbleibt und abgeführt werden muss. Steigert man beispielsweise die Effizienz von 50 auf 70%, muss nur noch halb so viel Wärme abgeleitet werden – für Lasersysteme im kW-Bereich bedeutet dies substanzielle Energieeinsparungen. Der höhere Wirkungsgrad führt außerdem zu geringeren Betriebstemperaturen im Diodenlaser selbst und erhöht damit dessen Zuverlässigkeit.

Der Konversionswirkungsgrad von Diodenlasern wird von vielen Parametern beeinflusst. Sein Optimum liegt nahe der Laserschwelle; bei den hohen Ausgangsleistungen am Arbeitspunkt sinkt er in der Regel relativ stark. Den Wirkungsgrad zu steigern ist daher eine sehr komplexe Herausforderung und beruht im Wesentlichen auf der aufwändigen Optimierung der Kristallschichten im Laser. Diese müssen nahezu hundert Prozent des Stromes in Laserlicht umwandeln, zugleich dürfen der elektrische Widerstand und die optischen Absorptionsverluste nur sehr gering sein. Dafür sind anspruchsvolle und eng vernetzte Forschungsarbeiten notwendig – von der Materialwissenschaft bis zum Design des Laserresonators.

Besondere Bedeutung kommt dabei 100 µm-Breitstreifenlasern zu, die sich als Standardstruktur für viele Lasersysteme durchgesetzt haben –­ entsprechend scharf ist der weltweite Wettbewerb beim Benchmarking dieses Lasertyps. Das FBH hat hier mit einem maximalen Konversionswirkungsgrad von über 70% bei Leistungen von 4 Watt internationale Spitzenwerte erzielt. Neuere Ergebnisse zeigen trotz eines Arbeitspunktes von über 10 Watt einen Wirkungsgrad, der bei 65% verbleibt. Dieser soll nun auf über 70% bei noch höheren Leistungen gesteigert werden.

Publikationen:

Spektral schmalbandige Laser

Prinzip DFB-BA-Laser
Bragg-Gitter in der Wellenleiterstruktur
Spektren
Spektren (Standard-/spektral stabilisierte Diodenlaser)

Die aktiven Zentren von Festkörper- und Faserlasern der neuesten Generation haben sehr oft schmale Absorptionslinien für die Pumpstrahlung – beispielsweise Ytterbium in Glas bei 976 nm. Zum Pumpen werden spektral schmalbandige und stabilisierte Hochleistungsdioden benötigt, ebenso wie in Lasersystemen, in denen eine hohe Strahlqualität mittels Wellenlängenmultiplex durch die optimale räumliche Überlagerung von Laserlicht verschiedener Wellenlängen erreicht wird. Für beide Lasersysteme, die insbesondere für die Materialbearbeitung wichtig sind, fehlten bisher monolithische Diodenlaser mit der entsprechenden Leistungsfähigkeit. Ihr Emissionsspektrum war für viele Anwendungen zu breit und hat sich bei Temperaturschwankungen zu stark verändert.

Forschungsarbeiten am FBH haben nun zu einem Durchbruch bei Ausgangsleistung, Effizienz und Zuverlässigkeit von stabilisierten Hochleistungsdiodenlasern geführt. Die Emissionswellenlänge der neuartigen Diodenlaser aus dem FBH wird durch periodische Gitterstrukturen stabilisiert, die epitaktisch in den Halbleiter eingebettet werden. Dieser Technologieschritt ist sehr anspruchsvoll und führte bislang zu erheblichen Einbußen bei Leistung und Zuverlässigkeit. Das FBH hat Design und Chiptechnologie so entwickelt, dass 100 µm-Breitstreifenlaser einen Wirkungsgrad von über 60% und eine spektrale Linienbreite von weniger als 1 nm bei Ausgangsleistungen bis 10 Watt erreichen. Viele tausend Stunden Betriebszeit zeigen die Zuverlässigkeit bei 7 Watt Dauerstrichbetrieb. Die Werte belegen, dass die zusätzlichen Strukturänderungen nur noch zu geringen Abstrichen in der Ausgangsleistung gegenüber den spektral breiteren Standardlasern führen. Dies macht diese Laser hoch attraktiv für die genannten Anwendungen.

Publikationen:

Vortrag:

CLEO USA 2010: "11W broad area 976nm DFB lasers with 58% efficiency", ISBN: 978-1-55752-890-2

Projekt:

SPEKTRALAS - Verbesserung der spektralen Eigenschaften von Hochleistungsdiodenlasern

Pumpquellen für Kurzpulssysteme höchster Leistung

FBH-Pumplaser
Laserchip als Pumpquelle für kompakte Röntgenlasersysteme
PUI-Kennlinie & Fernfeld
PUI-Kennlinie und laterales Fernfeld bei T=25°C und QCW-Betrieb (Pulsdauer 1ms, f=200Hz)

Ultrakurzpulslaser im Piko- und Femtosekundenbereich werden unter anderem als Pumplaser für laserbasierte Röntgenquellen und Plasma-Röntgenlaser benötigt. Diese kommen als leistungsstarke kohärente Laborquellen in der Materialanalytik zum Einsatz. Kernstück solcher kompakter Table-top-Röntgenlasersysteme ist ein Festkörperlaser, der durch Diodenlaser gepumpt wird und derzeit am Max-Born-Institut entsteht. Dafür hat das FBH 937 nm-Diodenlaser entwickelt, die in Kooperation mit Jenoptik zu hocheffizienten Pumpmodulen aufgebaut werden.

Ein einzelnes Modul soll bei einer Pulsbreite von 1 ms und einer Repetitionsrate von 200 Hz eine Pulsenergie von 2 J aus einer optischen Faser mit 1 mm Kerndurchmesser bereitstellen. Gefordert ist zudem ein elektrooptischer Gesamtwirkungsgrad von mehr als 50%. Die Halbleiterstruktur wurde daher so optimiert, dass ein Laserchip eine optische Leistung von 30 bis 40 W bei einem Konversionswirkungsgrad von 60% erreicht. Circa 70 solcher Halbleiterchips bilden ein Pumpmodul – erste  Prototypen sollen Ende 2010 zur Verfügung stehen. Laufende Forschungsarbeiten zielen auf die weitere Verbesserung der Strahlqualität, der Leistung und des Konversionswirkungsgrades der Chips. Damit hat das FBH eine grundlegende Technologie entwickelt, die Basis für industriell gefertigte und kostengünstige Pumpmodule für Hochleistungslasersysteme ist.

Was sind Hochleistungsdiodenlaser?

FBH-Laser
Diodenlaser aus dem FBH für Hochleistungsanwendungen

Hochleistungsdiodenlaser bestehen aus kristallinen Schichten von Verbindungshalbleitern der III. und V. Hauptgruppe. Für den gegenwärtig wichtigsten Wellenlängenbereich im nahen Infrarot (0,8 -1,1 µm) werden diese auf Galliumarsenid (GaAs)-Substraten mittels Epitaxie in hoher Perfektion abgeschieden. Die Kristallschichten bilden eine pn-Diode, die bei Stromfluss Licht erzeugt; Kristallfacetten formen den optischen Resonator. Der optische Gewinn wird in nur wenige Nanometer dünnen Schichten erzielt, sogenannten Quantenfilmen, in denen Ladungsträger strahlend rekombinieren. Auf diese Weise entstehen in der Halbleiterfabrikation parallel tausende Laser. Diese Chips werden auf Wärmesenken montiert, in die die elektrische Stromzufuhr integriert ist.

Standardtyp: 100 µm-Breitstreifen-Diodenlaser

Prinzip Faserkopplung
Hochleistungsdiodenlaser mit Standardgeometrie erzeugen hochbrillante Laserstrahlung

Hochleistungsdiodenlaser versorgen moderne, leistungsstarke Industrielasersysteme mit der benötigten optischen Energie. Einzelemitter mit 100 µm Streifenbreite (Ausgangsapertur) im Wellenlängenbereich zwischen 900 und 1000 nm haben sich dabei weltweit zum Standardtyp entwickelt. Als Grundbausteine von Diodenlasermodulen werden sie sowohl zum Pumpen von Faserlasern genutzt als auch in direkten Anwendungen eingesetzt. Das macht diese 100 µm-Einzelemitter auf dem Markt für Hochleistungslaser zu einem kommerziell erfolgreichen Massenprodukt mit steigender Nachfrage. Daraus resultiert ein scharfer Wettbewerb bei den entscheidenden Kenngrößen: Leistung, Effizienz, Brillanz und Kosten pro Watt Ausgangsleistung.

Das FBH erreicht aktuell bei 100 µm-Breitstreifen-Diodenlasern die folgenden internationalen Spitzenwerte:

  • bis 20 Watt zuverlässige Ausgangsleistung
  • 10 Watt zuverlässige Ausgangsleistung mit 65% Effizienz
  • 7 Watt zuverlässige Ausgangsleistung mit 60% Effizienz bei geringer spektraler Breite < 1 nm durch integriertes Gitter

Diodenlaser-Stacks: Gepulste Systeme im Kilowattbereich

Diodenlaser-Stack
Diodenlaser-Stack für Leistungen im kW-Bereich
Faserkopplung Stack

Für Hochleistungslasersysteme hat das FBH spezielle Diodenlaser-Stacks entwickelt, die eine Faserkopplung mit einfachen optischen Mitteln ermöglichen. Diese Stacks sind in Reihe geschaltet und ermöglichen QCW-Lichtleistungen im kW-Bereich. Die Laserchips haben eine maßgeschneiderte "Super Large Optical Cavity", die die Facettenbelastung reduziert und die vertikale Divergenz des Laserlichts verringert. Dank der kleinen lateralen Apertur von nur 1,6 mm sind die Diodenlaser-Stacks für die Faserkopplung besonders gut geeignet.

Chipdaten im montierten Zustand:

  • Spektrale Breite @ 100 W, 1 ms (95% optische Leistung): 7 nm
  • Konversionseffizienz @ 100 W: 55%
  • Maximale optische Impulsleistung (20 Hz, 1 ms): 200 W
  • Vertikaler Fernfeldwinkel (95% optische Leistung): 24°

Publikation:

"Conductively Cooled 1 kW-QCW Diode Laser Stacks Enabling Simple Fiber Coupling"