Brillante Strahlkombination

Anwendungen mit hoher Brillanz, wie etwa die Laser-Materialbearbeitung, nutzen Diodenlaser meist als Pumpquellen. Um diese auch direkt einzusetzen, entwickeln und optimieren wir Verfahren zur Strahlkombination wie ‚Dense Wavelength Division Multiplexing’ (DWDM), Polarisationskopplung oder ‚Coherent Beam Combining‘ (CBC). Diese Verfahren könnten Diodenlasern auch bei der direkten Anwendung zum Marktdurchbruch verhelfen - wir haben hierbei deutliche Fortschritte erzielt.

Einzelnes Stackelement eines 3,5 kW-Stacks

QCW-Diodenlaserbarren für den Kilowatt-Bereich auf passiver Wärmesenke

Effiziente Strahlbündelung

Schemazeichnung, die das Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) illustriert — Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)

Schemazeichnung, die das Coherent Beam Combining (CBC) illustriert — Coherent Beam Combining (CBC)

In Kooperation mit Partnern in Forschung und Industrie wurden unterschiedliche Verfahren zur Strahlkombinierung erforscht. Die entwickelten Lichtquellen sind dabei in der Lage das Licht einzelner Emitter außergewöhnlich effizient zu kombinieren.

Grundlegend stehen drei unterschiedliche Verfahren zur Kombination leistungsstarker Laserdioden-Strahlung zur Verfügung. Sie ermöglichen die Kopplung mithilfe der Merkmale Emissionswellenlänge, Emissionspolarisation und Kohärenz der Einzelemitter.

Das sogenannte „Dense Wavelength Division Multiplexing“ (DWDM) bietet dabei die Möglichkeit, Grundmode-Laserbarren sowie individuell aufgebaute Laser (z.B. DBR-Trapezlaser) spektral zu koppeln. Mithilfe von optischen Gittern oder speziellen dichroitisch beschichteten Filtern lassen sich unterschiedliche Aufbaumöglichkeiten realisieren. Breitstreifenlaser und Barren, deren Emission extern spektral stabilisiert und kombiniert wird, werden in kommerziell erhältlichen Systemen bereits eingesetzt. Durch optimierte Bauelemente lässt sich deren Effizienz jedoch weiter verbessern.

Um die Leistung von mehreren spektral schmalbandigen Lichtquellen zu skalieren, kann Coherent Beam Combining (CBC) eingesetzt werden. Hierbei wird die relative Phase mehrerer Laser zueinander gesteuert. Dafür eigenen sich neuartige Verstärker, deren optische Leistung mittels CBC zu einem nahezu beugungsbegrenztem Strahl zusammengeführt werden.

Die aufgeführten Verfahren fanden im Rahmen unterschiedlicher Projekte in verschiedenen Modulklassen Anwendung. Dabei wurde der Bereich von Modulen zum Pumpen von Festkörperlasern bis hin zur Mikromodulen für die direkte Materialbearbeitung abgedeckt.

NIR-Bereich:

Single-Pass-Trapezverstärker mit hoher Strahlqualität für effizientes Coherent Beam Combining
Laserbarren mit schmalem vertikalem Fernfeld für geringe Verluste, smile-unempfindliche externe spektrale Stabilisierung
effiziente Hochleistungs-Laserbarren aus Einzelmodenemittern, die im Dichte-Wellenlängen-Multiplexing (dense wavelength multiplexing, DWM) eingesetzt werden
gitterstabilisierte Minibarren mit hoher Brillanz für Anwendungen mit spektraler Strahlbündelung
Mikromodul mit Polarisationskopplung: P >12 W; M² < 2
Mikromodul mit spektraler und Polarisationskopplung: P > 30 W; M² < 3

Ausgewählte Publikationen

Phase Noise Reduction in Semiconductor Optical Amplifiers using Low-Index Quantum Barrier Structures

Conf. on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2022), San Jose, USA, May 15-20, ISBN 978-1-957171-05-0, p. SM3G.3, doi:10.1364/CLEO_SI.2022.SM3G.3 (2022).

Externally Wavelength-Stabilized Single Mode Lasers with 65% Conversion Efficiency and 50 pm Spectral Width at 1 W Output

Conf. on Lasers and Electro-Optics/Europe and European Quantum Electronics Conf. (CLEO/Europe-EQEC 2021), Munich, Germany, Jun. 21-25, virtual event, ISBN: 978-1-6654-1876-8, cb-p-2 (2021).

Single-pass tapered semiconductor optical amplifiers and modules for efficient coherent beam combining

Proc. of SPIE, vol. 11705, Novel In-Plane Semiconductor Lasers XX, Photonics West, Online Only, Mar 6-11, 117050M (2021).

Highly Efficient High-Brightness 970nm Ridge Waveguide Lasers

IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 32, no. 7, pp. 406-409 (2020).

Progress in GaAs-based Semiconductor Sources For High Brightness Beam-Combined Applications

Photonics Device Workshop 2020, Virtual Event, Nov. 20 (2020).

Low-index quantum-barrier single-pass tapered semiconductor optical amplifiers for efficient coherent beam combining

Semicond. Sci. Technol., vol. 35, no. 06, pp. 065018, doi:10.1088/1361-6641/ab804e (2020).

Efficient Narrow Stripe Ridge Waveguide Lasers for Single-Spatial Mode Operation up to 2.5 W

Conf. on Lasers and Electro-Optics/Europe and European Quantum Electronics Conf. (CLEO/Europe-EQEC 2019), Munich, Germany, Jun. 23-27, ISBN: 978-1-7281-0469-0, cb-5.3 (2019).

Coherent beam combining of high power quasi continuous wave tapered amplifiers

Opt. Express, vol. 27, no. 20, pp. 27891-27901 (2019).

Coherent combining of high brightness tapered amplifiers for efficient non-linear conversion

Opt. Express, vol. 27, no. 2, pp. 928-937 (2019).

Coherent combining of high brightness tapered lasers in Master Oscillator Power Amplifier configuration

Proc. SPIE 10514, High-Power Diode Laser Technology XVI, Photonics West, San Francisco, USA, Jan 27 - Feb 01, 105140T (2018).

High-Efficiency Broad-Ridge Waveguide Lasers

IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 30, no. 6, pp. 545-548 (2018).

High-power operation of coherently coupled tapered laser diodes in an external cavity

Proc. SPIE 9733, Photonics West, San Francisco, USA, Feb. 13-18, 97330I (2016).

25-W Monolithic Spectrally Stabilized 975-nm Minibars for Dense Spectral Beam Combining

IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 27, no. 15, pp. 1675-1678 (2015).

High brightness narrow-stripe broad-area lasers with 7 W optical output at 910, 935 & 970 nm for coarse spectral beam combining

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, paper CB_5_4 (2015).

Typische Daten