Technologieforum Laser Photonik

Fortschritte bei Dioden­lasern und UV-LEDs

Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) verfügt über langjährige Erfahrungen bei der Entwicklung, Herstellung und Qualifizierung von Lasern und optischen Verstärkern für anspruchsvolle Anwendungen im Weltraum, auf Satelliten und für den Einsatz in Quantentechnologien. Das Institut gab nun im Rahmen der Photonics Days Jena einen Einblick in die Fortschritte einiger Entwicklungen.

Zuverlässige 1064-nm-Laserdioden für Space und Quantentechnologien

Aktuell fertigt das Institut mehr als 50 Lasermodule, unter anderem mit 1064 nm Emissionswellenlänge, für die Grundlagenforschung an ultrakalten Atomen auf der Internationalen Raumstation ISS. Diese Module werden mit Halbleiterchips ausgestattet, die das Licht aus einem 1064-nm-Laser mit niedriger Ausgangsleistung auf hohe Leistungsdichten bis zu 60 MW/cm2 verstärken. Die Facetten des optischen Verstärkers sind durch die hohe Lichtleistung extrem belastet und müssen daher besonders gut geschützt werden, damit das Modul reibungslos funktioniert. Dank einer verbesserten Facettenpassivierung im Ultrahochvakuum konnten die Wissenschaftler nun die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Verstärker signifikant steigern. Dies belegen sie mit beschleunigten Alterungstests über 5000 Stunden bei überhöhter Belastung. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Verstärkerchips im normalen Betrieb während der Missionsdauer ausfallen, soll somit äußerst gering sein. Der optische Verstärker wird zusammen mit dem 1064-nm-Laser und weiteren Komponenten in das Modul auf der Technologieplattform des FBH integriert, die bereits mehrfach für derartige Anwendungen eingesetzt wurde.

Rekordwerte bei Diodenlasern – optimiert für hohe Ausgangsleistungen

Das FBH stellt auch seine Fortschritte bei Pumplasern mit hoher Wiederholrate vor – für den gepulsten und bis in den CW-Betrieb –, die in zukünftigen Festkörperlasersystemen der Hochenergieklasse eingesetzt werden sollen. Die Spitzenausgangsleistung seiner Diodenlaserbarren im quasi-kontinuierlichen Betrieb bei zugleich exzellenter Effizienz konnte das Institut dabei nach eigenen Angaben bis zum Vierfachen steigern. Dadurch sinken die Kosten in Euro pro Watt – eine zentrale Kenngröße für die Industrie. Die optimierten Diodenlaser baut das FBH zu Stackmodulen auf, mit Verbesserungen im Bereich des Packaging und der Optiken. So konnte eine fasergekoppelte gepulste Pumplaserquelle mit 1 kW Ausgangsleistung bei 780 nm Wellenlänge in einer 1 mm Kernfaser (bislang 1,9 mm) demonstriert werden. Das passiv gekühlte Modul konnte das Tastverhältnis von 20 % auf bis zu 50 % steigern (10 ms, bei 10 bis 50 Hz).

Zudem wurde laut FBH erstmalig der CW-Betrieb von 780-nm-Stackmodulen erfolgreich demonstriert. Beim Übergang vom gepulsten Betrieb (Tastverhältnis: 10 %) zum CW-Betrieb erhöhte sich die optische Pulsleistung um das Achtfache und erreichte 750 W bei 50 A. Die Strahlqualität blieb dabei vollständig erhalten. Der thermische Widerstand stieg dank der mikrokanalfreien Kühlung nur um das Dreifache an.

Schwenkbares UV-LED-System zur Bestrahlung von Haut für medizinische Tests an der Charité. Bild: FBH / P. Immerz

UVC-LEDs im Einsatz gegen multiresistente Krankheitserreger und Viren

Das FBH zeigte zudem ein UV-LED-basiertes Bestrahlungssystem, mit dem künftig multiresistente Krankheitserreger wie MRSA und Coronaviren wie SARS-CoV-2 direkt am Menschen hautverträglich inaktiviert werden sollen. Die Systeme sind mit jeweils 120 Leuchtdioden ausgestattet, die bei einer Wellenlänge von 233 nm emittieren und gemeinsam mit der TU Berlin entwickelt wurden. Erst kürzlich konnte das FBH eigenen Angaben zufolge die Effizienz seiner ultrakurzwelligen UVC-LEDs deutlich optimieren und die kompakten Bauelemente in ein schwenkbares Bestrahlungssystem integrieren. Es wird nun an der Charité erstmals direkt am Menschen getestet.

Dank einer optimierten Halbleiterepitaxie und Chip-Prozesstechnologie sollen sich diese Leuchtdioden der neuesten Generation laut FBH mit doppelt so hohen Strömen wie bisher betreiben lassen – sie liefern mehr als 3 mW Ausgangsleistung bei 200 mA. Für eine effiziente Wärmeableitung sorgen optimierte LED-Gehäuse mit Aluminiumreflektoren und plankonvexen Linsen für einen Abstrahlwinkel von nur 60 °. Dies wiederum erhöht die Transmission durch den integrierten Spektralfilter. Dieses UVC-Licht ist frei von hautschädigenden Wellenlängen oberhalb von 240 nm und besitzt eine Stärke von 0,4 mW/cm2 – das nahezu Zehnfache dessen, was Vorgängersysteme erreicht haben sollen.

Die Photonics Days Jena fanden am 5. und 6. Oktober 2022 in Berlin Adlershof statt. Sie sollen Expert aus den Bereichen Photonik, Optik, Mikrosystemtechnik und Quantentechnologie vernetzen. Wissenschaftler des FBHs sind als Chairs der Sessions ‚Berlin Laser Tech Symposium‘ und ‚Berlin Quantum Optics Symposium‘ eingebunden. Die Fortschritte wurden in einem Beitrag sowie am Messestand gezeigt.

Quelle: www.fbh-berlin.de

Bild: FBH / schurian.com



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