Diodenlaser

thermoelektrisch gekühlter Diodenlaser für Industrieanwendung (u. a. Kunststoff-Schweißen), Faserkopplung (schwarzes Kabel unten), optische Leistung 45 Watt (1 Barren) bei einer Wellenlänge von 808 nm, Abmessungen 140 x 200 x 260 mm, Betrieb an 24 Volt

Eingeschalteter, temperatur- und Wellenlängenregulierbarer Diodenlaser (~405nm) im Ricci-Hänsch-Design^[1] (Littrow-Konfiguration)

Unter einem Diodenlaser versteht man einen aus einer oder mehreren Laserdioden bestehenden, mit elektrischem Strom gepumpten Halbleiterlaser.

Bauweisen und Verwendung

Einzelemitter

In einfachster Form besteht ein Diodenlaser aus nur einer Laserdiode, ggf. mit Kollimations- und Fokussieroptik (zum Beispiel in Laserpointern, für die optische Datenübertragung oder in CD- und DVD-Abtastern bzw. -brennern).

Solche Laser werden mit Leistungen bis einige Watt gefertigt, sind auf eine Wärmesenke montiert erhältlich und enthalten oft bereits eine Strahlkollimation oder sogar eine Faserkopplung (engl.: pigtailed).

Einzelemitter-Diodenlaser besitzen oft Besonderheiten, die bei den weiter unten beschriebenen Multiemitter-Diodenlasern nicht angewendet werden.

Besondere Bauformen von Einzelemitter-Lasern (siehe auch Laserdiode):

• Diodenlaser mit externem Resonator (External Cavity Diode Laser, kurz ECDL, siehe weiter unten)
• Distributed Feedback Laser (DFB-Laser): Laserdiode mit externem Bragg-Reflektor
• Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL): vertikal abstrahlende Laserdiode

Barren

Da einzelne Laserdioden nur bis zu Leistungen von einigen Watt gefertigt werden können und stark divergierende Laserstrahlung abgeben, werden oft mehrere Laserdioden elektrisch und optisch zusammengefasst: Man verwendet Barren (engl. bar), die auf einem streifenförmigen Chip mehrere Einzelemitter nebeneinander enthalten. Diese werden elektrisch parallel auf einer Wärmesenke montiert.

Solche auch als submount bezeichneten Diodenlaser haben folgende typische Parameter:

• Betriebsstrom: 30...100 Ampere cw, ca. 150 Ampere gepulst
• Schwellenstrom: 3,5...15 Ampere
• optische Ausgangsleistung: bis 80 Watt cw (typ. Wellenlängen von 808 bis 980 nm)
• Spannung: ca. 2 Volt

Die 10…20 Einzelemitter eines solchen Barrens emittieren jeweils einen Laserstrahl, der in einer Richtung ca. 40° (fast axis) und in der anderen Richtung ca. 12° (slow axis) Abstrahlwinkel hat. Die fast axis weist die höchstmögliche (beugungsbegrenzt), die slow axis hingegen eine relativ schlechte Strahlqualität auf. Um diese Einzelstrahlen zusammenzufassen, werden sie nach der Kollimation der fast axis (mittels mikrooptischer Zylinderlinse) geometrisch mittels einer weiteren Mikrooptik gedreht und nebeneinander angeordnet und anschließend wird die sogenannte slow-axis-Kollimation durchgeführt.

Ein so erzeugter „Laserstrahl“ besteht somit eigentlich aus mehreren einzelnen Laserstrahlen und hat eine wesentlich schlechtere Strahlqualität als diejenige anderer Laser gleicher Leistung.

Hersteller bieten sowohl submounts als auch hermetisch verschlossene Laser, teilweise bereits mit fest montiertem Lichtleitkabel (engl.: pigtailed) oder Steckverbinder (zum Beispiel eine F-SMA-Buchse).

Anwendung solcher Laser: Metall- und Kunststoff-Schweißen, selektives Härten, Weich- und Hartlöten, Auftragsschweißen, Pumpen von Festkörperlasern, insbesondere Faserlasern.

Stacks

Man kann weiterhin mehrere solcher Barren zu Stapeln (engl. stacks) zusammenfassen, wobei die Barren elektrisch in Reihe geschaltet sind und die Einzelstrahlen wiederum optisch kombiniert werden. Mit solchen Stacks lassen sich optische Leistungen von 0,5...1kW erzeugen. Die hierbei eingesetzten Submounts müssen aufgrund der hohen Packungs- und Leistungsflussdichte mit sog. Mikrokanal-Wärmesenken mit Wasser gekühlt werden.
Die optische Leistung solcher Stacks wird zum Beispiel zum Pumpen von Festkörperlasern verwendet.

Multikilowatt-Diodenlaser

Zur weiteren Leistungssteigerung nutzt man die lineare Polarisation und verschiedene Wellenlängen mehrerer Stapel aus: Mittels dichroitischer und polarisationsabhängiger Spiegel kann die Strahlung mehrerer Stapel (zum Beispiel vier Stapel mit zwei verschiedenen Wellenlängen, jeweils orthogonal zueinander montiert) theoretisch ohne Qualitäts- und Leistungsverlust ineinander gespiegelt werden. Man erhält Laserstrahlquellen mit mehreren Kilowatt optischer Leistung bei vergleichsweise sehr hohem Wirkungsgrad (20...30 %).

Solche hohen Leistungen werden zur Materialbearbeitung (Metallschweißen, Härten, Umschmelzen, Pulverauftrag) verwendet.

Siehe: Hochleistungs-Diodenlaser

Diodenlaser mit externem Resonator

Die Linienbreite des Lichts einer Laserdiode liegt ohne weitere Maßnahmen im Bereich einiger MHz. Mit optischer Rückkopplung kann dies stark vermindert werden. Wenn selektiv eine bestimmte Lichtfrequenz bevorzugt zurückgekoppelt wird, kann auf diese Weise die Wellenlänge festgelegt werden. Einen um solche frequenzselektiven Elemente ergänzter Aufbau nennt man Diodenlaser mit externem Resonator. Der englische Fachbegriff ist "External Cavity Diode Laser", abgekürzt ECDL.

Wegen der geringen Linienbreite und guter Verstimmbarkeit werden ECDL bevorzugt in der Spektroskopie eingesetzt.

Littrow-Aufbau

Prinzipskizze der Littrow-Konfiguration

Der austretende Strahl wird kollimiert und trifft auf ein Beugungsgitter mit hoher Strichzahl. In der Littrow-Anordnung wird die erste Beugungsordnung in die Diode zurückreflektiert, während die nullte Beugungsordnung als Nutzstrahl ausgekoppelt wird. Die rückwärtige Facette bildet nun zusammen mit dem Gitter den Resonator. Durch Drehung des Gitters, z. B. mit Hilfe eines Piezo-Aktors kann die Wellenlänge des Lasers verstimmt werden.

Littmann-Aufbau

In der Littman-Anordnung wird die erste Beugungsordnung nicht in die Diode zurückreflektiert, sondern trifft auf einen Spiegel der das Licht über das Gitter zurück in die Diode reflektiert. Der Laser wird verstimmt, indem der Spiegel gedreht wird. Der Vorteil dieser etwas komplexeren Anordnung ist, dass ein Schwenk des ausgekoppelten Strahles bei Verstimmung des Lasers vermieden wird.

Vor- und Nachteile

Vorteile von Diodenlasern:

• Sehr kompakte Bauweise
• einfaches Pumpen mittels elektrischem Strom
• vergleichsweise hoher elektrisch/optischer Wirkungsgrad von 25 bis über 50 %
• gegenüber lampengepumpten Lasern lange Wartungsintervalle
• Einkopplung und Transport der Strahlung in Lichtleitkabeln möglich
• Sehr hohe Lebensdauer mit teilweise > 30.000 Stunden und geringe Leistungsdegradation <<1 %/1000h bei Betrieb mit Nennstrom

Nachteile von Diodenlasern:

• gegenüber anderen Lasern schlechtere Strahlqualität (insbesondere bei hohen Leistungen), daher kaum geeignet zum Schneiden und nur bedingt geeignet zum Tiefschweißen von Metallen
• starke Strahldivergenz, falls dies nicht durch geeignete Optik korrigiert wird
• Kosten: Laserdioden, deren Montage auf einer Wärmesenke und die Justage der Mikrooptiken sind nach wie vor ein hoher Kostenfaktor eines Diodenlasersystems

Einzelnachweise

1. ↑ L. Ricci, M. Weidemiüller, T. Esslinger, A. Hemmerich, C. Zimmermann, V. Vuletic, W. König, T.W. Hänsch: A compact grating-stabilized diode laser system for atomic physics. In: Optics Communications. Nr. 117, 1995, S. 541-549 (online).