Halbleiterlaser von Osram erzielt im Labor Brillanz-Rekordwerte

Zehn Prozent Leistungssteigerung bei Pumpmodulen für die Materialbearbeitung

Osram Opto Semiconductors hat im Labor eine Breitstreifen-Laserdiode mit bis zu 4,8 W/(mm*mrad) lateraler Brillanz realisiert. Je brillanter ein Laser ist, desto effizienter koppelt sein Licht in optische Fasern ein. Damit steigt die Leistung von Modulen zum Pumpen von Faserlasern für die Materialbearbeitung. Die Fortschritte sind ein Ergebnis des Projekts „Integrierte mikrooptische und mikrothermische Elemente für Diodenlaser hoher Brillanz“ (IMOTHEB), das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und nun erfolgreich abgeschlossen wurde.

Brillanz ist ein Maß für die Kombination aus optischer Leistung und Strahlqualität. Brillante Laserquellen erzeugen einen schmalen Lichtstrahl mit extrem geringer Strahldivergenz und hoher Leistungsdichte. Diese Eigenschaft ist maßgeblich für die Effizienz von fasergekoppelten Lasersystemen. Je brillanter der Laser, desto mehr Licht kann in eine optische Faser eingekoppelt werden.

Verbessertes Chipdesign

Im Labor konnte nun eine laterale Brillanz von bis zu 4,8 Watt pro Millimeter und tausendstel Bogenwinkel (W/(mm*mrad)) erzielt werden, das ist einer der höchsten bekannten Werte für Breitstreifen-Laserdioden. Grundlage dieses Erfolgs sind Optimierungen im Chipdesign, vor allem die Integration mikrothermischer und mikrooptischer Elemente für die Strahlformung auf dem Chip. Die Verbesserungen wurden im Rahmen des von Osram koordinierten Forschungsprojekts IMOTHEB durchgeführt. Es ging unter anderem darum, Laserchips so weiter zu entwickeln, dass sie bei gleichbleibender Strahlqualität mehr optische Leistung liefern. Das Max-Born-Institut hat als Projektpartner mit umfangreichen methodischen und analytischen Arbeiten die Chipentwicklung erheblich unterstützt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden nun nach und nach in die Produktentwicklung einfließen.

Pumpmodul erzielt zehn Prozent mehr Leistung
Eine wichtige Anwendung von fasergekoppelten Lasern ist das Pumpen – also das Einbringen optischer Energie – von Hochleistungslasern für die Materialbearbeitung. Besonders Faserlaser gewinnen beispielsweise für das Schneiden und Schweißen von Blechen im Automobilbau zunehmend an Bedeutung. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Kosten. IMOTHEB hatte deshalb zum Ziel, die Systemkosten für solche Pumpmodule zu senken. Der Projektpartner DILAS Diodenlaser erforschte dafür Konzepte für die automatisierte Montage von Diodenlasern. Ein weiterer Schlüssel liegt in der Brillanz der Laserquellen. Dafür konnte bei DILAS an einem Demonstrationsmodul gezeigt werden, dass die von Osram verbesserten Chips die Leistung des Moduls um zehn Prozent steigerten. „Weil der Chip brillanter ist, koppelt mehr Licht in die Faser ein“, erklärt Dr. Alexander Bachmann, Projektkoordinator bei Osram Opto Semiconductors. „Damit erzeugt das gleiche Modul mehr Leistung als mit den heute für diese Anwendung eingesetzten Hochleistungslaserdioden.“

Das Forschungsprojekt IMOTHEB hatte zum Ziel, die Leistungsfähigkeit von Lasersystemen zu steigern und deren Produktionskosten zu senken. Das Projekt (FKZ 13N12312) startete im Oktober 2012 und wurde im Rahmen der Förderinitiative „Integrierte Mikrophotonik“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt. Osram Opto Semiconductors koordinierte das Vorhaben, weitere Partner waren DILAS Diodenlaser und das Max-Born-Institut.