FBH präsentiert leistungsstarke Halbleiter-Lichtquellen auf der Photonics West 2024
Diodenlaser und UV-LEDs für vielfältige Anwendungen: von Materialbearbeitung, LiDAR, Sensorik und Medizin bis hin zu Quantentechnologien
Auf der Photonics West 2024 in San Francisco (USA) stellt das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) neu- und weiterentwickelte Diodenlaser und UV-Leuchtdioden (LEDs) vor. Das FBH präsentiert sich sowohl auf der Messe (27. Januar bis 1. Februar 2024) als auch auf den begleitenden Konferenzen (30. Januar bis 1. Februar 2024) mit mehr als 20 wissenschaftlichen Vorträgen. An Stand 4205-43 im German Pavilion zeigt das Institut sein komplettes Leistungsspektrum – vom Design über die Chipentwicklung bis hin zu Modulen und Prototypen. Neben etablierten Diodenlaser-basierten Lichtquellen stellt das FBH Fortschritte bei Hochleistungs-Diodenlasern vor und präsentiert exemplarisch ein LED-basiertes Bestrahlungssystem. Dieses kann insbesondere mit selbst entwickelten Fern-UVC-LEDs ausgestattet werden. Wellenlängen um 233 nm eignen sich etwa für die Desinfektion von Oberflächen. Die LEDs können sogar direkt auf der Haut eingesetzt werden, um Bakterien oder Viren unschädlich zu machen. Mit 226 nm Fern-UVC-LEDs wiederum lässt sich die Konzentration von Stickstoffoxid messen.
Zu den Neuentwicklungen und Exponaten zählen:
Hochleistungs-Diodenlaser mit breiter Apertur und hohem Wirkungsgrad für die Materialbearbeitung
Um die Kosten pro Bauelement zu senken und die Leistung zu skalieren, werden Einzelemitter immer häufiger mit größeren lateralen Streifenbreiten von über 100 µm hergestellt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Ferdinand-Braun-Instituts haben erst kürzlich Galliumarsenid-basierte 915 nm Breitstreifenlaser mit einer 1.200 µm breiten Apertur realisiert, die exzellente Ausgangsleistungen bei zugleich hoher Effizienz bieten. Im quasi-kontinuierlichen Betrieb (QCW) liefern sie 93 Watt Ausgangsleistung pro Emitter mit 70 % Wirkungsgrad. Im kontinuierlichen Betrieb (CW) erzielten diese Laser Bestwerte mit einer Peak-Leistung von 62 Watt und 62 % Wirkungsgrad. Die Streifenbreite des Bauelements kann im Bereich von 100 µm bis 1.500 µm variiert werden. Auf diese Weise lassen sich – ganz auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten – der maximale Wirkungsgrad bei niedrigeren oder höheren Ausgangsleistungen gezielt einstellen. Zudem wurde die Fernfelddivergenz mithilfe der am FBH neu entwickelten BRIS-Technologie (Buried Regrown Implant Structure) verbessert, wodurch sich das Laserlicht effizient in Glasfasern einkoppeln lässt. Die so hergestellten Diodenlaser eigenen sich ideal für den Einsatz in der effizienten, direkten Materialbearbeitung.
Von Diodenlasern bis hin zu kompakten fasergekoppelten Modulen
Am FBH entwickelte Lasermodule mit und ohne Faserausgang wandeln Licht aus dem infraroten Spektralbereich mittels Frequenzverdoppelung in sichtbares Licht um. Sie sind zentrale Komponenten für vielfältige lebenswissenschaftliche Anwendungen, wie etwa in Medizin, Bioanalytik oder für Fluoreszenzmessungen. In einem Butterfly-Gehäuse mit einer Grundfläche von maximal 76 mm x 44 mm werden Diodenlaser, nichtlineare Kristalle und weitere Komponenten integriert und können so bestehende Lasersysteme weiter miniaturisieren. Mehrere Hundert Milliwatt CW-Ausgangsleistung lassen sich so sehr effizient über polarisationserhaltende Singlemode-Fasern bereitstellen. Bei einer Wellenlänge von 532 nm erreichen die Module beispielsweise mehr als 200 Milliwatt Ausgangsleistung. Diese Emission lässt sich bei nahezu jeder Wellenlänge im Bereich zwischen 460 nm und 592 nm realisieren.
Die Diodenlaser für diese und weitere Anwendungen stellt das FBH im Wellenlängenbereich zwischen 620 nm und 1180 nm her und entwickelt diese stetig weiter. So wurde beispielsweise die Epitaxiestruktur von DBR-Trapezlasern bei 1180 nm optimiert – insbesondere im Hinblick auf die hohen Verspannungen in den Quantentrögen. Die insgesamt 6 mm langen Diodenlaser liefern nun eine optische Ausgangsleistung von mehr als 9 Watt. Sie zeichnen sich durch eine schmale spektrale Breite und eine hervorragende Strahlqualität aus – mit einer nachgewiesenen Betriebsdauer von mehr als 3.000 Stunden bei einer optischen Leistung von 7 Watt ohne Ausfälle.
Neuartige Diodenlaser hat das FBH auch für die Laserkühlung, beispielsweise von Beryllium-Ionen oder Kalziumfluorid, entwickelt. Sie emittieren Laserlicht mit einer schmalen spektralen Linienbreite bei Zentralwellenlängen um 626 nm oder 628 nm mit nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität. Fast jede Wellenlänge im Bereich zwischen 618 nm und 633 nm kann realisiert werden inklusive der Laserwellenlängen für Anwendungen in der Quantentechnologie. Die Diodenlaser sind montiert in TO-Gehäuse und auf C-Mounts erhältlich – und werden auch als Module mit Faserausgang angeboten.
226 nm Fern-UVC-LEDs für die Gassensorik
UV-LEDs mit Wellenlängen unter 240 nm sind ideale Lichtquellen für die Desinfektion von Oberflächen ebenso wie für Anwendungen in der Sensorik. Hierbei ist Stickoxid mit seiner ausgeprägten Absorptionslinie bei 226 nm besonders interessant. Als giftiges Gas muss es in Abgassystemen von Kraftwerken und Verbrennungsmotoren überwacht werden. Bislang werden dafür sperrige und teure Lichtquellen verwendet, die auf Gasentladungslampen und optischen Filtern basieren. Eine deutlich kompaktere Alternative eröffnen Leuchtdioden. Am FBH wurden entsprechende LEDs entwickelt, die auf den Erkenntnissen von zuvor optimierten 233 nm LEDs aufbauen. Inzwischen sind 226 nm UVC-LEDs verfügbar, die eine Emissionsleistung von 1,2 Milliwatt und eine Betriebsspannung von 9,6 Volt bei 200 Milliampere erreichen.
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