FBH-Forschung: 14.07.2014

940 nm QCW Pumpmodule mit 6 kW Lichtleistung am Faserausgang

Strahlsimulation für die Kopplung zweier 28-Ebenen-Stacks in eine 1,9 mm-Faser
Abb. 1: Strahlsimulation für die Kopplung zweier 28-Ebenen-Stacks in eine 1,9 mm-Faser
Chip-Design (vertikale Achse gedehnt)
Abb. 2: Chip-Design (vertikale Achse gedehnt)
Sandwich-Montage der Chips
Abb. 3: Sandwich-Montage der Chips
Komplettes QCW-Pumpmodul mit P/I-Kennlinie
Abb. 4: Komplettes QCW-Pumpmodul mit P/I-Kennlinie

In einem gemeinsamen Projekt mit dem Max-Born-Institut hat das FBH fasergekoppelte Pumpmodule für ein CPA-Scheibenlasersystem (chirped pulse amplification) mit hoher Repetitionsrate im Joule-Bereich entwickelt.

Die Diodenlaser-Pumpmodule sind für 6 kW, 1 ms-Impulse mit 200 Hz Repetitionsrate konzipiert, die in eine 1,9 mm Faser eingekoppelt werden. Es werden zwei Laserdiodenstacks mit an den Fasereingang angepasstem Strahlparameterprodukt über einen Prismenstapel geometrisch kombiniert (Abb. 1). Jeder Stack liefert > 3 kW Lichtleistung und besteht aus 28 bei 110 W betriebenen Ebenen.

Die laterale Strahlqualität der Chips ist mit 1,2 mm Apertur an den Fasereingang angepasst. Die Resonatorlänge beträgt 6 mm. Streifenförmige flache Implantation im Emissionsbereich, tiefe Implantation und Trenngräben daneben sowie eine edasloc-Schichtstruktur (extreme, double-asymmetrical super-large optical cavity) sichern den Betrieb bei hoher Pulsanregung (Abb. 2).

Gemessene Daten der montierten Chips:

  • COD bei 250 W,
  • Konversionseffizienz 60% (@110 W),
  • vert. Fernfeldwinkel 43° (95%),
  • lat. Fernfeldwinkel 12,5° (95%, 110 W).

Abb. 3 zeigt die neuentwickelte Chipmontage. Für eine effiziente passive Kühlung wirken zwei Maßnahmen. Erstens sind zwei ausdehnungsangepasste CuW-Blöcke beidseitig an den Chip gelötet. Zweitens wird die Verlustwärme nach beiden Seiten vom Chip weg, zu zwei an die CuW-Blöcke gelöteten DCB-Kühlern geleitet (rote Pfeile). Zwei Al2O3-Abstandsplatten neben dem Chip schützen ihn vor äußerer Druckeinwirkung. Alle Lötverbindungen in diesem robusten CuW/Chip/CuW-Sandwich bestehen aus AuSn.

Die Adlershofer Firma C2GO inprocess solutions GmbH lötet die Sandwiches zu Stacks zusammen, montiert die DCB-Kühler und stellt die kompletten Pumpmodulgehäuse her. 

Ein Modul mit Laserkabel (Faser) ist in Abb. 4 zusammen mit der Lichtleistungs-Strom-Kennlinie zu sehen. Es demonstriert die einfache und robuste, speziell für QCW-Pumpmodule entwickelte Konstruktion, die gerade getestet wird.

Publikationen:

R. Platz, B. Eppich, P. Crump, W. Pittroff, S. Knigge, A. Maaßdorf, G. Erbert "940nm Broad Area Diode Lasers Optimized for High Pulse-Power Fiber Coupled Applications" IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 26, no. 6, pp. 625-628 (2014).

W. Pittroff, B. Eppich, G. Erbert, R. Platz, D. Tyralla, G. Tränkle, "Simple design for fiber coupled 9xx nm kW-QCW pump module with high duty cycle based on customized chips and lateral heat removal” Contribution to SPIE Photonics West 2014, Paper8965-40