Überblick über HochleistungsHalbleiterlaserEntwicklung Teil eins
Da sich Effizienz und Leistung ständig verbessern, werden Laserdioden (LaserdiodentreiberNeue Technologien werden weiterhin traditionelle Technologien ersetzen und dadurch die Art und Weise der Produktion verändern und die Entwicklung neuer Produkte ermöglichen. Das Verständnis der signifikanten Verbesserungen bei Hochleistungs-Halbleiterlasern ist jedoch noch begrenzt. Die Umwandlung von Elektronen in Laserlicht mittels Halbleitern wurde erstmals 1962 demonstriert, und eine Vielzahl komplementärer Fortschritte folgte, die enorme Fortschritte bei der Umwandlung von Elektronen in Hochleistungslaser ermöglichten. Diese Fortschritte haben wichtige Anwendungen unterstützt, von der optischen Datenspeicherung über optische Netzwerke bis hin zu einer Vielzahl industrieller Bereiche.
Eine Betrachtung dieser Fortschritte und ihrer kumulativen Entwicklung verdeutlicht das Potenzial für noch größere und weitreichendere Auswirkungen in vielen Wirtschaftsbereichen. Tatsächlich wird die kontinuierliche Verbesserung von Hochleistungs-Halbleiterlasern deren Anwendungsgebiet beschleunigen und einen tiefgreifenden Einfluss auf das Wirtschaftswachstum haben.
Abbildung 1: Vergleich der Luminanz und des Mooreschen Gesetzes von Hochleistungs-Halbleiterlasern
Diodengepumpte Festkörperlaser undFaserlaser
Fortschritte bei Hochleistungs-Halbleiterlasern haben auch zur Entwicklung der Downstream-Lasertechnologie geführt, bei der Halbleiterlaser typischerweise zur Anregung (Pumpen) von dotierten Kristallen (diodengepumpte Festkörperlaser) oder dotierten Fasern (Faserlaser) verwendet werden.
Obwohl Halbleiterlaser effiziente, kleine und kostengünstige Laserenergie liefern, weisen sie zwei wesentliche Einschränkungen auf: Sie speichern keine Energie und ihre Helligkeit ist begrenzt. Viele Anwendungen benötigen daher zwei Laser: einen zur Umwandlung von Elektrizität in Laserstrahlung und einen weiteren zur Verstärkung dieser Strahlung.
Diodengepumpte Festkörperlaser.
Ende der 1980er-Jahre gewann die Verwendung von Halbleiterlasern zum Pumpen von Festkörperlasern zunehmend an kommerziellem Interesse. Diodengepumpte Festkörperlaser (DPSSL) reduzieren die Größe und Komplexität von Wärmemanagementsystemen (hauptsächlich Zykluskühlern) und Verstärkungsmodulen, die traditionell Bogenlampen zum Pumpen von Festkörperlaserkristallen verwendeten, erheblich.
Die Wellenlänge des Halbleiterlasers wird so gewählt, dass sich die spektralen Absorptionseigenschaften mit denen des Verstärkungsmediums des Festkörperlasers überlappen. Dadurch lässt sich die thermische Belastung im Vergleich zum Breitband-Emissionsspektrum der Bogenlampe deutlich reduzieren. Angesichts der Beliebtheit von Neodym-dotierten Lasern mit einer Wellenlänge von 1064 nm hat sich der 808-nm-Halbleiterlaser seit über 20 Jahren zum produktivsten Produkt in der Halbleiterlaserproduktion entwickelt.
Die verbesserte Diodenpumpeffizienz der zweiten Generation wurde durch die höhere Leuchtdichte von Multimode-Halbleiterlasern und die Möglichkeit, schmale Emissionslinienbreiten mithilfe von Bulk-Bragg-Gittern (VBGS) Mitte der 2000er-Jahre zu stabilisieren, ermöglicht. Die schwache und schmale spektrale Absorption um 880 nm weckte großes Interesse an spektral stabilen Pumpdioden mit hoher Leuchtdichte. Diese leistungsstärkeren Laser ermöglichen das direkte Pumpen von Neodym auf dem oberen Laserniveau 4F3/2, wodurch Quantendefizite reduziert und somit die Extraktion des Grundmodus bei höherer mittlerer Leistung verbessert wird, die andernfalls durch thermische Linsen begrenzt wäre.
Zu Beginn des zweiten Jahrzehnts dieses Jahrhunderts erlebten wir einen signifikanten Leistungsanstieg bei 1064-nm-Lasern im Einzeltransversalmodus sowie bei deren Frequenzkonversionslasern im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich. Dank der langen oberen Energielebensdauer von Nd:YAG und Nd:YVO₄ liefern diese gütegeschalteten DPSSL-Laser hohe Pulsenergien und Spitzenleistungen und eignen sich daher ideal für die ablative Materialbearbeitung und hochpräzise Mikrobearbeitungsanwendungen.
Veröffentlichungsdatum: 06.11.2023