20 Feb Diodenlaser und UV-LEDs: Leistungsstarke Halbleiter-Lichtquellen
Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) hat neu- und weiterentwickelte Diodenlaser und UV-Leuchtdioden (LEDs) vorgestellt, darunter Fortschritte bei Hochleistungs-Diodenlaser sowie ein LED-basiertes Bestrahlungssystem. Dieses kann insbesondere mit selbst entwickelten Fern-UVC-LEDs ausgestattet werden. Wellenlängen um 233 nm eignen sich etwa für die Desinfektion von Oberflächen. Die LEDs können sogar direkt auf der Haut eingesetzt werden, um Bakterien oder Viren unschädlich zu machen. Mit 226 nm Fern-UVC-LEDs wiederum lässt sich die Konzentration von Stickstoffoxid messen.
Breite Apertur und hoher Wirkungsgrad für die Materialbearbeitung
Um die Kosten pro Bauelement zu senken und die Leistung zu skalieren, werden Einzelemitter immer häufiger mit größeren lateralen Streifenbreiten von über 100 µm hergestellt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Ferdinand-Braun-Instituts haben kürzlich Galliumarsenid-basierte 915-nm-Breitstreifenlaser mit einer 1200 µm breiten Apertur realisiert, die exzellente Ausgangsleistungen bei zugleich hoher Effizienz bieten sollen. Im quasi-kontinuierlichen Betrieb (QCW) liefern sie 93 W Ausgangsleistung pro Emitter mit 70 % Wirkungsgrad. Im kontinuierlichen Betrieb (CW) erzielten diese Laser eine Peak-Leistung von 62 W und 62 % Wirkungsgrad. Die Streifenbreite von 100 µm bis 1500 µm variiert werden. Auf diese Weise lässt sich – ganz auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten – der maximale Wirkungsgrad bei niedrigeren oder höheren Ausgangsleistungen gezielt einstellen. Zudem wurde die Fernfelddivergenz mithilfe der BRIS-Technologie (Buried Regrown Implant Structure) des FBH verbessert, wodurch sich das Laserlicht effizient in Glasfasern einkoppeln lässt. Die so hergestellten Diodenlaser eigenen sich ideal für den Einsatz in der effizienten, direkten Materialbearbeitung.
Stack aus Hochleistungs-Diodenlasern für den direkten Einsatz in der industriellen Materialbearbeitung . Bild: FBH/P. Immerz
Von Diodenlasern zu kompakten fasergekoppelten Modulen
Am FBH entwickelte Lasermodule mit und ohne Faserausgang wandeln Licht aus dem infraroten Spektralbereich mittels Frequenzverdoppelung in sichtbares Licht um. Sie sind zentrale Komponenten für vielfältige lebenswissenschaftliche Anwendungen, etwa in Medizin, Bioanalytik oder für Fluoreszenzmessungen. In einem Butterfly-Gehäuse mit einer Grundfläche von maximal 76 mm x 44 mm werden Diodenlaser, nichtlineare Kristalle und weitere Komponenten integriert und können so bestehende Lasersysteme weiter miniaturisieren. Mehrere Hundert Milliwatt CW-Ausgangsleistung lassen sich so sehr effizient über polarisationserhaltende Singlemode-Fasern bereitstellen. Bei einer Wellenlänge von 532 nm erreichen die Module beispielsweise mehr als 200 mW Ausgangsleistung. Diese Emission lässt sich bei nahezu jeder Wellenlänge zwischen 460 nm und 592 nm realisieren.
Neuartige Diodenlaser hat das FBH auch für die Laserkühlung, beispielsweise von Berylliumionen oder Kalziumfluorid, entwickelt. Sie emittieren Laserlicht mit einer schmalen spektralen Linienbreite bei Zentralwellenlängen um 626 nm oder 628 nm mit nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität. Fast jede Wellenlänge zwischen 618 nm und 633 nm kann realisiert werden, inklusive der Laserwellenlängen für Anwendungen in der Quantentechnologie. Die Diodenlaser sind montiert in TO-Gehäuse und auf C-Mounts erhältlich – und werden auch als Module mit Faserausgang angeboten.
226-nm-Fern-UVC-LEDs für die Gassensorik
UV-LEDs mit Wellenlängen unter 240 nm sind ideale Lichtquellen für die Desinfektion von Oberflächen ebenso wie für Anwendungen in der Sensorik. Hierbei ist Stickoxid mit seiner ausgeprägten Absorptionslinie bei 226 nm besonders interessant. Als giftiges Gas muss es in Abgassystemen von Kraftwerken und Verbrennungsmotoren überwacht werden. Bislang werden dafür sperrige und teure Lichtquellen verwendet, die auf Gasentladungslampen und optischen Filtern basieren. Eine deutlich kompaktere Alternative eröffnen Leuchtdioden. Am FBH wurden entsprechende LEDs entwickelt, die auf den Erkenntnissen von zuvor optimierten 233 nm LEDs aufbauen. Inzwischen sind 226 nm UVC-LEDs verfügbar, die eine Emissionsleistung von 1,2 Milliwatt und eine Betriebsspannung von 9,6 Volt bei 200 Milliampere erreichen.
226-nm-Fern-UVC-LED für die Gassensorik . Bild: FBH/B. Schurian
Die Diodenlaser für oben genannte Anwendungen stellt das FBH im Wellenlängenbereich zwischen 620 nm und 1180 nm her und entwickelt sie stetig weiter. So wurde die Epitaxiestruktur von DBR-Trapezlasern bei 1180 nm optimiert – insbesondere im Hinblick auf die hohen Verspannungen in den Quantentrögen. Die insgesamt 6 mm langen Diodenlaser liefern nun eine optische Ausgangsleistung von mehr als 9 W. Sie zeichnen sich durch eine schmale spektrale Breite und ihre Strahlqualität aus – mit einer nachgewiesenen Betriebsdauer von mehr als 3000 Stunden bei einer optischen Leistung von 7 W ohne Ausfälle.
Quelle: www.fbh-berlin.de
Bild: B. Schurian/FBH
