7 W Piko- und Nanosekunden Rippenwellenleiter-Laserquelle bei 670 nm
Abb. 1: ns-Lasertreiber, der für hohe Ströme optimiert wurde, mit integrierter Rippenwellenleiter-Laserdiode
Abb. 2: Streak-Kameramessung der Nahfeld-Intensität bei einer Treiberspannung von 30 V
Abb. 3: Optische Pulsleistung (rot), optische Impulsbreite (grün), Pulsenergie (blau) in Abhängigkeit von der Treiberspannung
Immer mehr Applikationen benötigen Pulslaser-Systeme, die optische Impulse im Bereich von 0,5 ns bis 5 ns Impulsbreite und Leistungen bis in den Watt-Bereich liefern. Zu den Anwendungen zählen etwa LIDAR-Systeme (Light Detection and Ranging), optische Erkennungs-Systeme für autonomes Fahren, 3-D-Objekterkennung, Laserstrahlabtastung sowie Fluoreszenzspektroskopie und Materialbearbeitung.
Eine einfache, kostengünstige und effiziente Methode, um optische Impulse mit einer Breite bis 0,5 ns und einer hoher Ausgangsleistung zu erzeugen, ist das Gewinnschalten (An- und Abschalten des Stromes durch die Laserdioden). Die Herausforderung bei kurzen, intensitätsstabilen Laserpulsen besteht darin, den ersten Anschaltimpuls zu unterdrücken. Zur Erzeugung kurzer optischer Impulse bis in den höheren Watt-Bereich müssen kurze elektrische Stromimpulse mit Impulsspitzenströmen von > 10 A realisiert werden.
Am FBH wurde ein neuartiger Lasertreiber mit GaN-Endstufentransistoren entwickelt, mit dem Stromimpulse mit einer minimalen Impulsbreite von 0,5 ns und Pulsströme bis 30 A erzeugt werden können. Dabei wurde die Impedanz der Quelle minimiert. Abb. 1 zeigt den realisierten Lasertreiber mit integrierter Rippenwellenleiter (RW)-Laserdiode. Der Treiber besteht aus zwei Schaltungen, die jeweils Strompulse mit 1 ns und 15 A erzeugen können – beide können separat oder gemeinsam angesteuert werden (bis maximal 30 A Pulsstrom bei Parallelschaltung).
Der eingesetzten Rippenwellenleiter-Laser emittiert bei einer Wellenlänge von 670 nm und wurde mittels Metall-Organischer-Gasphasen-Epitaxie (MOVPE) auf n-GaAs gewachsen. Die aktive Zone besteht aus einem GaInP-Doppelquantumwell (DQW). Der vertikale Strahlungswinkel hat eine Halbwertsbreite (FWHM) von 30°. Die Laserlänge beträgt 3 mm und die verwendete Stegbreite (Nahfeldbreite) liegt bei 15 µm. Der Laser wurde mit der aktiven Seite auf ein AlN Substrat gelötet und anschließend auf einen Al-Halter montiert. Um die Induktivitäten zu minimieren, wurden zur Kontaktierung viele Bonddrähte verwendet.
Abb. 2 zeigt das mit einer Streak-Kamera gemessene zeitliche Verhalten der erzeugten optischen Lichtintensität bei einer Treiberspannung von 30 V (~30 A). Die Länge der optischen Impulse beträgt etwa 1 ns mit Anstiegs- und Abfallzeiten von 0,1 ns bzw. 0,3 ns. Man erkennt eine homogene Impulsleistung während des gesamten Impulses ohne Intensitätsschwankungen.
Abb. 3 zeigt die optische Pulsleistung (rote Kurve), die gemessenen optische Impulsbreite (grüne Kurve) und die Pulsenergie (blaue Kurve) in Abhängigkeit von der Treiberspannung. Eine Pulsleistung von 7,2 W wurde erreicht. Mit einem Energiemesser wurde eine Pulsenergie von 7,7 nJ gemessen. Die erzeugten optischen Impulse verbreiterten sich mit zunehmender Treiberspannung von 670 ps auf 1 ns.
Ein herausragendes Merkmal dieser Laserquelle ist, dass kurze Pulse mit ps- und ns-Pulsbreite, hoher Leistung und homogenem Intensitätsprofil erzeugt werden können.
Publikationen
A. Klehr, T. Prziwarka, A. Liero, T. Hoffmann, H.-J. Wünsche, H. Wenzel, and G. Erbert "Nanosecond high-current pulsed operation of ridge-waveguide lasers", Conf. on Lasers and Electro-Optics/Europe and European Quantum Electronics Conf. (CLEO/Europe-EQEC 2015), Jun. 21-25, Munich, Germany, ISBN: 978-1-4673-7475-0, cb-p.19-mon (2015).
A. Klehr, T. Prziwarka, A. Liero, Th. Hoffmann, T. N. Vu, O. Brox, J. Fricke, F. Bugge, P. Ressel, A. Ginolas, H. Wenzel, H.-J. Wünsche, S. Schwertfeger, G. Erbert, and G. Tränkle, "High power picosecond and nanosecond diode laser sources in the wavelength range 650 nm to 1100 nm", Proc. of 2015 High Power Diode Lasers and Systems Conference (HPD) and Photonex 2015, Coventry, UK, Oct.14-15, ISBN 978-1-4673-9177-1, pp. 3-4 (2015).
A. Klehr, T. Prziwarka, A. Liero, Th. Hoffmann, J. Pohl, J. Fricke, H.-J. Wünsche, H. Wenzel, W. Heinrich, and G. Erbert, "Generation of 7 W nanosecond pulses with 670 nm ridge-waveguide lasers", Proc. SPIE 9767, Photonics West, San Francisco, USA, Feb. 13-18, 976705 (2016).
A. Liero, A. Klehr, T. Hoffmann, T. Prziwarka, and W. Heinrich, "GaN Laser Driver Switching 30 A in the Sub- Nanosecond Range", EuMC London to be presented in Oct. 2016.