1 cm breite Laserbarren erreichen Spitzenleistung von 1,7 kW bei 220 K
Abb. 1: 1 cm Barren auf CCP-Mount mit n-seitiger Cu-Folie
Abb. 2: Leistungskennlinie (schwarz) und Effizienz (rot) für T = 300 K (gestrichelt) und T = 220 K (durchgezogen)
Zurzeit werden weltweit Großlaseranlagen für die laserinduzierte Kernfusion und Grundlagenforschung (wie z.B. Röntgenspektroskopie) geplant. Die eingesetzten Yb:YAG Festköperlaser (HILASE und ELI) werden mit Diodenlasern gepumpt und benötigen enorm große Pumpleistungen bei 940 nm. Um die Kosten für die erhebliche Anzahl Diodenlaser zu senken, die größtenteils durch das Halbleitermaterial entstehen, sind hohe Leistungsdichten (Leistung pro Bauelement) gefordert. Diese Leistungsdichten gehen jedoch auch einher mit einer starken Wärmeentwicklung, die sich wiederum negativ auf die Leistung auswirkt. Durch eine hohe elektro-optische Konversionseffizienz ƞE kann der Wärmeeintrag reduziert werden. Die derzeit besten veröffentlichten Leistungen von Laserbarren, d.h. Bauelementen mit hoher Leistungsdichte, betragen 1 kW bei ƞE < 60%. Das FBH-Projekt CryoLaser macht sich die bei tieferen Temperaturen verbesserten Halbleitereigenschaften zunutze, um Diodenlaser mit höchsten Leistungen und Effizienzen zu entwickeln. Speziell werden Leistungen von 1,6 kW bei Effizienzen ƞE > 80% bei 200 K aus einem 1 cm breiten Barren angestrebt.
Bei tiefen Temperaturen von 220 K verbessert sich die Leistungskennlinie der Laser: der Schwellenstrom sinkt, die differentielle Steigungseffizienz ist größer und thermisches Überrollen ist unterdrückt. Jedoch wird die Effizienz durch einen höheren Serienwiderstand limitiert. In einer ersten Iteration wurde eine vorhandene, Raumtemperatur-optimierte Vertikalstruktur bei 975 nm in 1 cm Barren mit einer hohen Belegungsdichte von 72% prozessiert. Dioden mit 6 mm Länge wurden p-unten auf einen CCP-Mount gelötet und n-seitig mit einer Cu-Folie kontaktiert. Die große Länge und die hohe Belegungsdichte sorgen für einen geringeren Serienwiderstand. Die aufgebauten Laserbarren erreichten im QCW-Betrieb (1,2 ms, 10 Hz) bei 300 K eine Spitzenleistung von 1,5 kW. Durch Vergleich mit einem Einzelemitter mit derselben Struktur lässt sich der zusätzliche Aufbauwiderstand bestimmen und die Effizienz der Halbleiterstruktur beträgt ƞE (1,5 kW) = 50%. Bei einer Temperatur von 220 K emittiert der Laser eine Spitzenleistung von 1,7 kW mit einer Effizienz von ƞE (1,5 kW) = 54% (ohne Aufbauwiderstand). Diese Leistung ist die höchste je gemessene Leistung aus einem 1 cm Barren.
Um neben den hohen Leistungen nun auch die hohen Effizienzen zu erreichen, zielen derzeitige Forschungsschwerpunkte auf eine Verringerung des Serienwiderstands bei gleichbleibend guter Leistungskennlinie.
Publikationen:
H. Li, F. Reinhardt, I. Chyr, X. Jin, K. Kuppuswamy, T. Towe, D. Brown, O. Romero, D. Liu, R. Miller, T. Nguyen, T. Crum, T. Truchan, E. Wolak, J. Mott, J. Harrison: "High-Efficiency, High-Power Diode Laser Chips, Bars, and Stacks", Proc. of SPIE Vol. 6876, 68760G, (2008)
C. Frevert , P. Crump, H. Wenzel, S. Knigge, F. Bugge, G. Erbert: "Efficiency optimization of high power diode lasers at low temperatures", CLEO®/Europe-IQEC), Munich, Germany, poster CB-P.28-MON (2013).
P. Crump , C. Frevert, H. Wenzel, F. Bugge, S. Knigge, G. Erbert, G. Tränkle: "Cryolaser: innovative cryogenic diode laser bars optimized for emerging ultra-high power laser applications", CLEO, San Jose, USA, p. JW1J.2 (2013).
FBH-Forschung: 06.08.2013