Presterende micromodules en innovatieve rastertechnologie bij rode diode lasers

Puls-Lasersystem_PLS_1000

Rood-emitterende_Diodelaser

2-Wellenlängen_Diodenlaser

Het FBH presenteert op de vakbeurs Laser World of Photonics verschillende geminiaturiseerde laserstraalbronnen en diode-lasers voor het rode spectrale gebied, die gebruik maken van een nieuwe roostertechnologie voor golflengte-selectie.

Met compacte, hybride geïntegreerde diode-laser modules ontsluit het Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) diverse toepassingen. De flexibele “Alleskönner” kunnen worden geoptimaliseerd afhankelijk van de eisen, van materiaalanalyse, sensoriek of displaytechnologie tot materiaalbewerking.

Op maat gemaakte, flexibele picoseconde-lichtpulsbron PLS 1000

Met de PLS 1000 introduceert het FBH een zeer efficiënte, pulserende laserstraalbron die gebaseerd is op zelf ontwikkelde optische en elektronische halfgeleidercomponenten. Het lasersysteem levert ultrakorte lichtpulsen kleiner dan 10 picoseconden en biedt vrij instelbare opeenvolgingsfrequenties van Hertz tot in het megahertzbereik. De pulspeakvermogen ligt boven de 20 watt. Dankzij deze eigenschappen is het compacte lasersysteem ideaal voor toepassingen in materiaalbewerking – vooral in combinatie met vezerversterkers –, voor biomedisch onderzoek op basis van fluorescentiespectroscopie en voor mobiele LIDAR-systemen voor de nabije omgeving. Het nieuwe systeem is uitgerust met halfgeleidercomponenten voor de golflengte 1064 nanometer (nm), maar kan flexibel worden overgezet op andere golflengten. Het bestaat uit een golflengte-gekoppelde laser met een herhalingsfrequentie van ongeveer 4 gigahertz, een innovatief pulspicker-concept en een versterker. Een elektronische aansturing, die gebruik maakt van door het FBH ontwikkelde galliumnitrid-transistoren, maakt het systeem nog sneller. Dit garandeert een stabiele en gebruiksvriendelijke werking. De PLS 1000 kan zowel handmatig als computergestuurd worden bediend en selecteert flexibel van enkelpuls tot meerdere opeenvolgende pulsen (burst mode).

Nieuwe roostertechnologie bij rood-emitterende diode-lasers

Spectraal gestabiliseerde diode-lasers in het golflengtegebied 630 nm tot 680 nm zijn van groot belang voor materiaalanalyse en lengte-metrologie. Gaslasers zoals helium-neon (HeNe) en kryptonlasers zijn al jarenlang beschikbaar en hebben in het rode spectrale gebied al veel meetmethoden geïntroduceerd. Recent ontwikkelde diode-lasers in dit spectrale gebied kunnen dergelijke gaslasers vervangen en maken een compacter meetapparatuur mogelijk. De straling van deze monolithische diode-lasers met geïntegreerd rooster voor golflengtestabilisatie kan flexibel worden ingesteld op specifieke golflengten en eenvoudig worden gemoduleerd qua vermogen en golflengte. Bovendien worden duidelijke verbeteringen verwacht bij gevestigde meetmethoden, en worden nieuwe mogelijk. De cruciale technologische stap was het integreren van oppervlakte-Bragg-reflectoren in rood-emitterende diode-lasers. De bij het FBH al gevestigde methode voor het infrarode spectrale gebied gebruikt oppervlakte-roosters van hogere orde en is gebaseerd op standaard i-line stepper lithografie en conventief reactief ion-etsen bij lage temperaturen. Hierdoor beschikt het FBH over een flexibele proceslijn voor de realisatie van spectraal gestabiliseerde rood-emitterende diode-lasers, die ook geschikt is voor de productie van grote aantallen.

Toepassingen van deze roostertechnologie richten zich onder andere op het vervangen van helium-neon-lasers door diode-lasers in laser-metrologie. Er zijn lijndiktes onder 1 MHz bij een optisch uitgangsvermogen van 14 mW gedemonstreerd – dit komt overeen met een coherentielengte van meer dan 100 meter, wat voor veel toepassingen al voldoende is.

Ook spectroscopische toepassingen in de sensoriek profiteren van de roostertechnologie, waaraan het FBH al meerdere jaren werkt. Met Raman-spectroscopie kunnen veel stoffen nauwkeurig worden geanalyseerd. Wanneer een monster wordt bestraald met monochromatisch laserlicht, wordt dit afhankelijk van de stof verschillend teruggekaatst. Deze spectraal verschoven signalen zijn voor elk molecuul zo uniek als een vingerafdruk. De Raman-signalen worden echter vaak overschaduwd door een veel sterker fluorescerend signaal. Hier biedt de Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopie (SERDS) een uitweg. Wanneer het monster wordt aangezet met licht op twee dicht bij elkaar liggende golflengten, verandert de spectrale ligging van de Raman-lijnen – het fluorescerende signaal varieert nauwelijks. Een eenvoudige subtractie van beide Raman- spectra scheidt de Raman-signalen van het storende licht. Deze functionaliteit kan met de nieuwe roostertechnologie nu in één laserchip worden geïmplementeerd. De golflengten liggen rond 671 nm en zijn slechts 0,5 nm van elkaar verwijderd. Toepassingen van SERDS bevinden zich waar veel storend licht, zoals fluoresceren, optreedt. Dit betreft vooral biologische monsters zoals vlees, fruit, bladeren of ook medische diagnostiek aan de huid.

Beursstand op de „Laser World of Photonics“

Deze en andere ontwikkelingen presenteert het Ferdinand-Braun-Institut op de wereldwijde toonaangevende beurs Laser World of Photonics, hal C1 stand 312, van 13 tot 16 mei 2013 in München, evenals op de bijbehorende vakconferentie CLEO Europe.