Rot gesehen

  • 08. May 2013

Leistungsfähige Mikromodule und neuartige Gittertechnologie bei roten Diodenlasern.

Mit kompakten, hybrid-integrierten Diodenlasermodulen erschließt das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) vielfältige Anwendungen. Auf der Fachmesse Laser World of Photonics präsentiert das FBH verschiedene miniaturisierte Laserstrahlquellen sowie Diodenlaser für den roten Spektralbereich, die eine neuartige Gittertechnologie zur Wellenlängenselektion nutzen.

Pulslasersystem

Abb.: Pulslasersystem PLS 1000 (links Steuergerät, rechts Optikkomponente mit Pikosekunden-Lichtquelle). Das Lasersystem liefert ultrakurze Lichtimpulse kleiner 10 ps und bietet frei wählbare Folgefrequenzen vom Hertz- bis in den Megahertz-Bereich. (Bild: FBH, P. Immerz)

Mit der PLS 1000 stellt das FBH eine sehr effiziente, gepulste Laserstrahlquelle vor, die auf selbst entwickelten optischen und elektronischen Halbleiterkomponenten basiert. Das Lasersystem liefert ultrakurze Lichtimpulse kleiner als zehn Pikosekunden und bietet frei wählbare Folgefrequenzen vom Hertz- bis in den Megahertz-Bereich. Die Pulsspitzenleistung liegt bei über zwanzig Watt. Dank dieser Eigenschaften eignet sich das kompakte Lasersystem ideal für Anwendungen in der Materialbearbeitung – vor allem in Verbindung mit Faserverstärkern –, für biomedizinische Untersuchungen auf Basis der Fluoreszenzspektroskopie und für mobile LIDAR-Systeme für den Nahbereich. Das neuartige System ist mit Halbleiterkomponenten für die Wellenlänge 1064 Nanometer bestückt, lässt sich jedoch flexibel auf andere Wellenlängen übertragen. Es besteht aus einem modengekoppelten Laser mit einer Wiederholrate von etwa vier Gigahertz, einem innovativen Pulspicker-Konzept sowie einem Verstärker. Eine elektronische Ansteuerung, die am FBH entwickelte Galliumnitrid-Transistoren nutzt, macht das System noch schneller. Dies sichert den stabilen und nutzerfreundlichen Betrieb. Die PLS 1000 lässt sich sowohl manuell wie auch computergesteuert betreiben und selektiert flexibel vom Einzelpuls bis zu mehreren aufeinander folgenden Pulsen (burst mode).

roter Diodenlaser

Abb.: Diodenlaser, der im roten Spektralbereich emittiert. Die Strahlung dieser monolithischen Diodenlaser mit integriertem Gitter zur Wellenlängenstabilisierung lässt sich flexibel auf bestimmte Wellenlängen einstellen und kann einfach hinsichtlich Leistung und Wellenlänge moduliert werden. (Bild: FBH / schurian.com)

Spektral stabilisierte Diodenlaser im Wellenlängenbereich 630 nm bis 680 nm sind für die Materialanalytik und Längenmesstechnik von großem Interesse. Gaslaser wie Helium-Neon- und Krypton-Laser sind langjährig verfügbar und haben im roten Spektralbereich bereits viele Messverfahren etabliert. Neu entwickelte Diodenlaser in diesem Spektralbereich können derartige Gaslaser ersetzen und ermöglichen ein kompakteres Messequipment. Die Strahlung dieser monolithischen Diodenlaser mit integriertem Gitter zur Wellenlängenstabilisierung lässt sich flexibel auf bestimmte Wellenlängen einstellen und einfach hinsichtlich Leistung und Wellenlänge modulieren. 

Der entscheidende technologische Schritt war es, Oberflächen-Bragg-Reflektoren in rot-emittierende Diodenlaser zu integrieren. Das im FBH bereits für den nah-infraroten Spektralbereich etablierte Verfahren verwendet Oberflächengitter höherer Ordnung und basiert auf der Standard-i-Line-Stepperlithografie und herkömmlichem reaktivem Ionenätzen bei niedrigen Temperaturen. Damit verfügt das FBH über einen flexiblen Prozess für die Realisierung spektral stabilisierter rot-emittierender Diodenlaser, der sich auch für die Fertigung hoher Stückzahlen eignet.

Anwendungen dieser Gittertechnologie zielen unter anderem auf den Ersatz von HeNe-Lasern durch Diodenlaser in der Lasermetrologie. Es ließen sich Linienbreiten unter 1 MHz bei 14 mW optischer Ausgangsleistung demonstrieren – dies entspricht einer Kohärenzlänge von mehr als hundert Metern, die bereits für viele Anwendungen ausreichend ist.

Von der Gittertechnologie profitieren auch spektroskopische Applikationen in der Sensorik, an denen das FBH seit mehreren Jahren arbeitet. Mittels Raman-Spektroskopie lassen sich viele Substanzen präzise analysieren. Bestrahlt man eine Probe mit monochromatischem Laserlicht, so wird dieses je nach Substanz unterschiedlich zurückgestreut. Die Raman-Signale werden jedoch häufig von einem um mehrere Größenordnungen stärkeren Fluoreszenzsignal überdeckt. Hier liefert die Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy (SERDS) einen Ausweg. Regt man die Probe mit Licht auf zwei dicht beieinanderliegenden Wellenlängen an, so verändert sich die spektrale Lage der Raman-Linien – das Fluoreszenzsignal variiert dagegen kaum. Eine einfache Subtraktion beider Raman-Spektren trennt die Raman-Signale vom Störlicht. Diese Funktionalität lässt sich mit der neuartigen Gittertechnologie nun in einem einzigen Laserchip implementieren. Die Wellenlängen liegen um 671 nm und sind nur 0,5 nm voneinander getrennt. Anwendungen von SERDS liegen dort, wo viel Störlicht auftritt. Dies betrifft insbesondere biologische Proben wie Fleisch, Früchte, Blätter oder auch die medizinische Diagnostik an Haut.

FBH / AH

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