FBH-Forschung: 26.05.2014

750 mW Zwei-Wellenlängen-Diodenlaserlichtquelle bei 785 nm für die Raman-Spektroskopie

Diodenlaser mit einer Emission bei 785 nm sind als Anregungslichtquellen für die Raman-Spektroskopie etabliert. Ihre geringe Größe und Leistungsaufnahme erlaubt die Anwendung in portablen Sensorsystemen. Allerdings werden die äußerst schwachen Raman-Signale häufig von Hintergrundlicht oder Fluoreszenz überdeckt. Die Methode der Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy (SERDS) bietet jedoch die Möglichkeit, die Raman-Linien von Störsignalen zu trennen. Benötigt werden dafür Lichtquellen, die auf zwei eng benachbarten Wellenlängen emittieren. Hierzu wurden am FBH monolithische Lichtquellen, Y-DBR-Diodenlaser, entwickelt, die zwei Emissionslinien um 785 nm mit einer geringen Linienbreite erzeugen und Ausgangsleistungen bis zu 140 mW bereitstellen. Für SERDS wurde diese Lichtquelle bereits erfolgreich getestet. Bei besonders schwachen Raman-Signalen und bei kurzen Messzeiten unter einer Sekunde sind jedoch höhere Anregungsleistungen notwendig.

Mit einem neu entwickelten optischen Halbleiterverstärker kann die Leistung der beiden Emissionslinien deutlich erhöht werden, ohne dass sich die spektralen Eigenschaften der Laserstrahlung ändern. Der genannte Y-DBR-Diodenlaser dient in diesem Konzept als Master-Oszillator (MO). Als Verstärker (power amplifier, PA) wird eine 6 mm lange ridge-waveguide-Diode mit einer Stegbreite von 4 µm benutzt.

Abb. 1 zeigt ein Schema der entwickelte Laserlichtquelle. Die im MO generierten Wellenlängen bei 784,55 nm und 785,13 nm werden über Linsen (L1, L2, L3) in den PA eingekoppelt. Ein optischer Isolator verhindert eine optische Rückkopplung in den MO. Hinter dem Verstärker wird die Strahlung kollimiert (L4). Bei einer Eingangsleistung von 17 mW wird die optische Leistung je emittierter Laserlinie auf über 750 mW verstärkt (Abb. 2), was einem Verstärkungsfaktor von ~45 entspricht. Die optischen Spektren nach dem Verstärker sind in Abb. 3 gezeigt. Ein stabiler Einmodenbetrieb der verstärkten Spektrallinien mit einem Wellenlängenabstand von 0,62 nm (10,1 cm-1) und einer Linienbreite < 10 pm (limitiert durch die Auflösung des Spektrometers) wird erreicht. Die Seitenmodenunterdrückung zwischen Laserlinien und spontaner Emission ist > 50 dB. Über den gesamten Verstärkungsbereich erfolgt keine Modenverschiebung, sodass die Leistung kontinuierlich verändert werden kann ohne die Lage der Spektrallinien zu ändern. Für Raman-spektroskopische Untersuchungen ermöglicht dies eine freie Wahl der Anregungsleistung je nach Art der Probe und erübrigt eine erneute spektrale Kalibrierung des Messsystems. Somit ist diese Lichtquelle sehr gut geeignet für Anwendungen in der Raman-Spektroskopie und SERDS.

Publikationen:

M. Maiwald, A. Klehr, B. Sumpf, G. Erbert, G. Tränkle, "Dual-Wavelength Master Oscillator Power Amplifier Diode-Laser System at 785 nm", Photonics Technology Letters, IEEE Volume:26 ,  Issue: 11  pp 1120-1123 (2014).

M. Maiwald, B. Eppich, J. Fricke, A. Ginolas, F. Bugge, B. Sumpf, G. Erbert,
G. Tränkle, "Dual-wavelength Y-branch DBR diode laser at 785 nm for Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy", Applied Spectroscopy, status: accepted

J. Fricke, A. Klehr, O. Brox, W. John, A. Ginolas, P. Ressel, L. Weixelbaum, G. Erbert, "Y-branch coupled DFB-lasers based on high-order Bragg gratings for wavelength stabilization", Semicond. Sci. Technol., 28, 035009 (2013).