Effiziente Hochleistungs-Diodenlaser

Wissenschaftler des Ferdinand-Braun-Instituts verdoppeln die Leistung von DFB-Lasern und erschließen damit neue Anwendungsmöglichkeiten in leistungsstarken Systemen.

Wissenschaftler des Ferdinand-Braun-Instituts (FBH) haben leistungsstarke, hocheffiziente Distributed Feedback (DFB)-Laser mit einer Wellenlänge von 976 Nanometern entwickelt. Die optische Leistung konnte dabei mit 11 Watt aus einem 90 Mikrometer breiten Streifen gegenüber den leistungsstärksten bisher verfügbaren DFB-Lasern mehr als verdoppelt werden. Entscheidend ist, dass die Laser zugleich eine hohe Konversionseffizienz besitzen: Der Anteil an elektrischer Energie, der in Licht umgewandelt wird, beträgt bis zu 58 Prozent. "Durch die Kombination von hoher Leistung und hoher Effizienz erschließen sich für die DFB-Laser neue Anwendungsgebiete, wie das Pumpen von Faser- und Festkörperlasern oder die Materialbearbeitung", sagt Paul Crump vom FBH. "Kommerziell verfügbare DFB-Diodenlaser, die als Pumplaser eingesetzt werden, erreichen bislang nur kleine Leistungen von bis zu 4 Watt."

DFB-Laser unterscheiden sich von einfachen Diodenlasern dadurch, dass in ihrem Wellenleiter ein Gitter integriert ist, das den Brechungsindex periodisch moduliert. Breitet sich Licht in einem solchen Wellenleiter aus, entsteht durch wellenlängenabhängige Rückkopplung eine scharfe Spektrallinie. Die Hochleistungs-DFB-Laser besitzen deshalb ein schmales Spektrum mit einer Breite von weniger als einem Nanometer, dessen Wellenlänge sich nur wenig mit der Temperatur verändert. Herkömmliche Diodenlaser dagegen haben ein breites Spektrum, welches sich nur aufwändig mit Hilfe eines externen Gitters auf einen schmalen Spektralbereich stabilisieren lässt. DFB-Diodenlaser, bei denen hohe Leistungen normalerweise schwer zu erreichen sind, sind deshalb eine preiswerte und weniger störanfällige Alternative für anspruchsvolle Anwendungen.

Der entscheidende Fortschritt gelang den Wissenschaftlern durch ein optimiertes Design der Halbleiterschichtstrukturen und einen verbesserten Prozess zur Herstellung des integrierten Gitters. Der Einbau eines solchen Gitters führt normalerweise zu deutlich erhöhten Verlusten und höheren elektrischen Betriebsspannungen des Diodenlasers. Beide Effekte, welche die Leistung und Konversionseffizienz verringern, konnten auf ein Minimum reduziert werden. Bei der Entwicklung legten die Wissenschaftler auch Wert auf einen geringen Divergenzwinkel der Laserstrahlung (<28° Halbwertsbreite), damit das Laserlicht möglichst verlustarm in optische Systeme oder Glasfasern eingekoppelt werden kann.

Durch Optimierung von Design und Herstellungsmethoden, haben die FBH-Wissenschaftler eine neue Klasse von leistungsstarken, effizienten Laserdioden mit geringer Spektralbreite entwickelt. Dadurch wird ein Engpass im Bereich der Lasersysteme beseitigt - hohe optische Leistung wird jetzt gleichzeitig mit einem geringen Divergenzwinkel und schmalen Spektrum generiert. Externe optische Elemente werden dazu nicht benötigt, weshalb Kosteneinsparungen und Systemverbesserungen in der Anwendung zu erwarten sind.

Forschungsverbund Berlin e.V.

AL