Ferdinand-Braun-Institut presenteert nieuwe laserinnovaties op Photonics West 2025

Miniaturisierter Master-Oszillator-Leistungsverstärker (MOPA) mit zwischengeschaltetem optischem Isolator, montiert auf CCP3-Kühlkörper. (Bild: FBH/P. Immerz) / Master oscillator power amplifier (MOPA) with interposed optical isolator mounted on CCP3 heat sink. ©FBH/P. Immerz

Hoge-krachtige diode laser-submodule - Twee van dergelijke stapelmodules zijn geïntegreerd in de Samba-laserkop, met een continue-uitgangsvermogen van 1 kW, gebruikt voor additieve productie. (Afbeelding: FBH/P. Immerz) / High-power diode laser submodule - Two of such stack modules are integrated into the Samba laser head, yielding 1 kW CW output power, used for additive manufacturing. ©FBH/P. Immerz

Het Berliner instituut ontwikkelt op maat gemaakte diode lasers voor gebruik in industrie, geneeskunde en kwantumtechnologieën – van chip tot prototype. Op Photonics West 2025 in San Francisco (VS) presenteert het Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) nieuw- en verder ontwikkelde diode lasers – op de vakbeurs in de German Pavilion en tijdens de bijbehorende conferenties.

Op Photonics West 2025 in San Francisco (VS) presenteert het Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) nieuw- en verder ontwikkelde diode lasers. Het FBH presenteert zich zowel op de beurs (28 tot 30 januari 2025) als op de bijbehorende conferenties (25 tot 30 januari 2025) met 18 wetenschappelijke lezingen. Aan stand 4205-18 in de German Pavilion toont het instituut zijn volledige scala aan prestaties – van ontwerp via chipontwikkeling tot modules en prototypes. Naast verder ontwikkelde halfgeleider-gebaseerde lichtbronnen introduceert het FBH innovatieve kwantumlichtmodules en het krachtige directe diode lasersysteem 'Samba'.

In een uitgenodigd lezing rapporteert een FBH-team over raman-spectroscopische onderzoeken met zijn 785 nanometer (nm) twee-golflengte diode lasers. Onderzocht werden gekleurde en ongekleurde textielmaterialen en zwarte kunststoffen met behulp van de Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy (SERDS). De methode toont haar potentieel voor de recyclingindustrie. De onderzochte materialen konden met SERDS eenduidig worden geïdentificeerd – een stap richting efficiënte sortering en recycling.

Tot de exposities behoren:

Krachtige monolithisch gittergestabiliseerde diode lasers voor industriële productie en laserfusion

Door verbeteringen op chipniveau en in opbouw- en verbindingstechnieken heeft het FBH aanzienlijke vooruitgang geboekt met zijn diode lasers. Uitgangsvermogen en efficiëntie van industrieel toepasbare, monolithisch gittergestabiliseerde diode lasers konden worden verhoogd en nieuwe golflengten voor het eerst worden geleverd. Onder andere behaalde het instituut in samenwerking met de industriële partner Trumpf recordwaarden voor diode lasers rond 880 nm. Deze bereikten maximale continue uitgangsvermogens van 26 watt met een spectrale breedte van slechts 1 nm uit gittergestabiliseerde (DBR) 885 nm enkele emitters met een strookbreedte van 200 micrometer. Ze worden binnenkort gebruikt als laserblokken van de volgende generatie in industriële lasers voor het pompen van Nd:YAG vaste-stof lasers. Deze diode lasers vormen ook de basis voor toekomstige pulserende toepassingen die extreme hoogvermogens vereisen. Daartoe behoren onder andere pomplasers voor energieproductie door laserfusion, waarbij gittergestabiliseerde lasers in het bereik van 870 - 885 nm een belangrijke rol spelen.

Het hart van het eveneens gepresenteerde 'Samba'-lasersysteem bestaat uit diode laser modules die hoge uitgangsvermogens bij 780 nm uitzenden. Twee van deze modules, opgebouwd uit gestapelde enkele emitters met elk een opening van 1,2 millimeter (mm) – zogenaamde stacks – worden geïntegreerd in de compacte 'Samba'-laserkop. Hiermee kan het vermogen worden opgeschaald tot één kilowatt continue uitgangsvermogen, dat in een nauwkeurige laserstraal met slechts 1 mm diameter op het werkstuk wordt gericht. Dit directe diode lasersysteem wordt door industriële partners op een robotarm geïnstalleerd en gebruikt voor efficiënte additieve fabricage van aluminium in de industriële laser-draadbewerking. Vanwege de hogere absorptie bij 780 nm zijn de hiervoor ontwikkelde FBH-diode lasers bij de verwerking tot vier keer efficiënter dan conventioneel gebruikte lasers rond 1030 nm. Het proces wordt in de eerste stap gedemonstreerd met een laser-draadcoatingproces, waarbij zijwanden van hogesnelheidstreinen met aanzienlijk verminderd gewicht worden vervaardigd. Dankzij de compacte afmetingen kunnen hiermee ook complexe onderdelen worden gemaakt. Het nieuwe systeem komt zonder optische vezel en is daardoor minder gevoelig voor fouten. De golflengte kan bovendien worden aangepast aan de gewenste materiaalabsorptie.

Kwantumlichtmodules – Analyse, sensoriek en beeldvorming met verstrengde fotonen

Het FBH ontwikkelt kwantumlichtmodules die gebaseerd zijn op verstrengde fotonparen en veelzijdig inzetbaar zijn. Op de beurs presenteert het instituut een van haar miniaturiseerde sensorsystemen. De module is een kernonderdeel van een mobiel systeem waarmee microplastics voor het eerst ter plaatse in wateren kunnen worden geanalyseerd. De metingen vinden uitsluitend plaats in het nabij-infrarode (NIR) bereik. Er zijn geen detectors of stralingsbronnen in het midden-infrarode (MIR) nodig. Hierdoor kunnen de kosten worden verlaagd, omdat detectors en camera's in het NIR-gebied goedkoper zijn dan in het MIR-gebied. Met het systeem kunnen speciale kunststoffen ook in zeer lage concentraties en maten worden gedetecteerd.

Voor haar kwantumlichtmodules integreert het FBH innovatieve laserdiodes met andere elementen op de kleinste ruimte. Een intensieve laserstraal raakt daarin een niet-lineair optisch kristal. Dit zorgt ervoor dat de fotonen van de laserstraal in verstrengde fotonparen worden omgezet – waarbij beide fotonen elk een andere golflengte hebben. Het foton met de MIR-golflengte wordt naar een monster geleid en terug naar het sensorsysteem. Het foton met de NIR-golflengte blijft in het systeem. Na de uitwisseling van informatie tussen de twee fotonen worden alleen de NIR-fotonen geanalyseerd. Deze methode is geschikt voor toepassingen in geneeskunde, meetkunde, microscopie en milieuanalyse.

Master-oscillator-versterkers met uitstekende optische eigenschappen

Onderzoekers van het FBH hebben een geminiaturiseerde master-oscillator-versterker (MOPA) ontwikkeld die een hoog optisch vermogen van meer dan acht watt in continue werking levert, met een geringe spectrale breedte (< 100 MHz) en hoge stralingskwaliteit (M² < 2). Deze kan in diverse toepassingen worden ingezet, van geneeskunde en meetkunde tot kwantumfysica. Dankzij de kleine afmetingen van slechts 25 x 25 mm² maakt hij compacte en mobiele apparaten mogelijk. Om de MOPA te beschermen tegen optische terugkoppeling, is hij uitgerust met een geminiaturiseerde optische isolator. De MO wordt spectraal gestabiliseerd door een interne verdeelde Bragg-reflector (DBR), voor de PA is een trapeziumversterker gekozen. De compacte CCP3-houder kan eenvoudig worden geïntegreerd in meetopstellingen en -systemen. Optioneel kan de MOPA ook in een gesloten Butterfly-behuizing worden ingebouwd. De golflengten zijn flexibel instelbaar binnen het bereik van 620 tot 1180 nm.