QCW-Laserbarren mit erhöhter Leistung (2 kW) und hervorragender Konversionseffizienz (77%) bei 203 K
Abb. 1: 1 cm Laserbarren auf CCP-Mount mit massivem n-Kontakt
Abb. 2: Leistungskennlinie (schwarz) und Effizienz (rot) für Design 1 bei 203 K
Abb. 3: Leistungskennlinie (schwarz) und Effizienz (rot) für Design 2 bei 203 K (durchgezogen) und Design 3 (gestrichelt)
Für gepulste Festkörper-Lasersysteme werden Quasi-Continuous-Wave (QCW)-Diodenlaser-Barren mit höchster Konversionseffizienz und Leistung als optische Pumpquellen benötigt. Im Rahmen des CryoLaser-Projekts konnten Wissenschaftler des FBH im Jahr 2015 sowohl die Ausgangsleistung als auch die Konversionseffizienz substanziell verbessern. Sie stellten ihre Ergebnisse auf den Konferenzen CLEO US in San Jose, USA [1], der ASSL in Berlin [2] und HEC-DPSSL in Prag, Tschechien [3], vor. Die Fortschritte wurden durch eine optimierte epitaktische Vertikalstruktur der Diodenlaser und einen verbesserten Diodenlaser-Aufbau erreicht, wobei die besten Resultate durch Anpassung der Designs auf den Betrieb bei 203 K erzielt wurden. Die niedrige Betriebstemperatur käme für den Betrieb in Hochenergie-Festkörperlaser-Systemen infrage, in denen die zu pumpenden Kristalle auf 175 K gekühlt werden. Die Diodenlaser könnten dazu in ein gemeinsames Kühlsystem integriert werden.
Im ersten Schritt wurden neuartige Epitaxie-Schichtdesigns mit einem stark reduzierten elektrischen Serienwiderstand entwickelt, wodurch hohe Effizienzen auch bei hohen Leistungen beibehalten werden können. Die Schichten wurden hinsichtlich Dicke und Komposition optimiert – drei verschiedene Designs wurden dazu auf verschiedene Betriebsbedingungen angepasst. Das erste Design zielte auf eine maximale optische Ausgangsleistung Pout bei 203 K, das zweite auf eine maximale Konversionseffizienz ηE bei 203 K und das dritte auf maximale ηE bei Raumtemperatur. Die Designs wurden zu Diodenlaser-Barren mit 4 mm Resonatorlänge und einem Füllfaktor von 69% prozessiert; die Facetten wurden passiviert und dielektrisch beschichtet.
Da höchste Effizienzen nur durch einen verbesserten Barrenaufbau zu erreichen sind, wurde eine Konstruktion mit sehr geringem elektrischen Serienwiderstand entworfen (Abb. 1). Dieser neue Aufbau besitzt mit 50 µW einen deutlich reduzierten Serienwiderstand gegenüber konventionellen Versionen (> 200 µW), sodass hohe Effizienzen noch jenseits von 1000 A erhalten werden. Laserbarren mit den drei Epitaxiedesigns wurden mit der neuen Konfiguration aufgebaut und getestet (Abb. 2 und 3).
Laserbarren mit den Designs, die auf hohe Leistungen optimiert wurden, lieferten dabei optische Ausgangsleistungen von 2000 W pro Barren unter QCW-Bedingungen (200 µs, 10 Hz) bei 203 K [1], siehe Abb. 2 – die Leistung war durch den verfügbaren Strom begrenzt. Das auf hohe Konversionseffizienz ausgelegte Design ermöglichte Laserbarren mit einer Spitzenkonversionseffizienz von ηE = 77% bei 400 W und ηE = 70% bei 1000 W [2,3] unter QCW-Bedingungen (1,2 ms, 10 Hz), wie in Abb. 3 gezeigt. Die Laserbarren mit dem Design, das auf höchste Effizienz bei Raumtemperatur ausgerichtet ist, erreichte eine ηE = 62% bei 1000 W [2,3] bei 288 K. Dies sind die höchsten bislang bekannten Ausgangsleistungen und Effizienzen bei einzelnen QCW-Laserbarren.
Publikationen:
[1] C. Frevert, P. Crump, F. Bugge, S. Knigge, A. Ginolas, G. Erbert, “Low-temperature Optimized 940 nm Diode Laser Bars with 1.98 kW Peak Power at 203 K”, Paper SM3F.8, Proc. CLEO, San Jose, USA (2015).
[2] A. Pietrzak, M.W. Woelz, R. Huelsewede, M. Zorn, O. Hirsekorn, J. Meusel, A. Kindsvater, M. Schröder, V. Bluemel, J. Sebastian, C. Frevert, F. Bugge, S. Knigge, A. Ginolas, G. Erbert, P. Crump, "Progress In The Development Of Kilowatt-class Diode Laser Bars For Pump Applications", ASSL ATh2A.7 (2015).
[3] C. Frevert, F. Bugge, S. Knigge, A. Ginolas, G. Erbert, P. Crump "Progress in development of kW-class diode laser bars for pump applications within the Cryolaser project", HEC-DPSSL conference, Stirin (2015) - nicht online.