Watt-level Emission bei 589 nm für biomedizinische Anwendungen
Abb. 1: P-U-I-Kennlinie eines DBR-Trapezlasers. Inset oben: Skizze des DBR-Trapezlasers Inset unten: Spektrum bei 5 A.
Abb. 2: Leistungskennlinie eines Wellenleiterkristalls. Inset oben: Strahlqualität der Frequenzverdoppelten bei 0,86 W Inset unten: Spektrum bei 0,86 W
Abb. 3: Mikromodul mit einer Emission bei 589 nm
Mikrointegrierte Module mit einer Grundfläche von wenigen Quadratzentimetern, die auf Halbleiter-Laser-Chips basieren, ermöglichen einen flexiblen, energieeffizienten sowie wartungsarmen Betrieb. Sie sind daher kostengünstig in Industrie und Forschung einsetzbar.
Da im gelben Spektralbereich keine direkt emittierenden Laserdioden mit hoher Zuverlässigkeit verfügbar sind, wird mit Hilfe eines nichtlinearen Kristalls Laserlicht aus dem nahen-infraroten (NIR)Wellenlängenbereich frequenzverdoppelt. Effiziente Laserquellen mit einer Emissionwellenlänge von mehr als 1100 nm, die sich in Mikromodule integrieren lassen, mussten jedoch erst entwickelt werden. Vor kurzem konnten neuartige Laserdioden basierend auf Quantenfilmen und mit integrierten Oberflächengittern bei 1178 nm vom FBH vorgestellt werden. Diese Laserquellen weisen eine zuverlässige, nahezu beugungsbegrenzte und schmalbandige Emission bei 1 W auf (Abb. 1), die für eine effiziente Frequenzverdopplung unabdingbar ist.
Für eine robuste Auslegung des Mikromoduls wird ein einfacher Durchgang durch den nichtlinearen Kristall angestrebt. Als Kristallmaterial wird periodisch gepoltes Lithiumniobat genutzt. So konnte bei Voruntersuchungen mit einem DBR-Trapezlaser die bisher höchste optische Ausgangsleistung von 0,86 W für einen Wellenleiterkristall bei einer Pumpleistung von 2,0 W demonstriert werden (Abb. 2). Die Umsetzung entspricht einer opto-optischen Konversionseffizienz von über 40 %. Gleichzeitig zeigt das frequenzverdoppelte Laserlicht eine schmale Linienbreite (<230 MHz) und ist nahezu beugungsbegrenzt (M² ≤ 1.1) (Insets in Abb. 2). Da der DBR-Trapezlaser über einen Heizwiderstand an der DBR-Sektion verfügt und die Quasi-Phasen-Anpassung des Kristalls mittels eines thermoelektrischen Heizers adaptiert werden kann, sind beide Bauelemente über 1 nm durchstimmbar, so dass z. B. beide Natrium-D-Linien bei 589,0 und 589,6 nm angesprochen werden können.
Erste Schritte zur Mikrointegration von Laserdiode und Wellenleiterkristall in ein Modul wurden unternommen und optische Ausgangsleistungen von über 100 mW bei einer Emission von 589 nm demonstriert (Abb. 3). Dadurch steht nun eine Laserquelle für biomedizinische Anwendungen von Therapie bis hin zu Diagnose wie auch biomedizinscher Analyse zur Verfügung.