Diodenlaserbarren mit 2 kW Ausgangsleistung für Hochleistungs-Laseranwendungen

Aktuelle Entwicklungen aus dem Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) zielen auf extrem leistungsfähige Diodenlaser für künftige Hochleistungs-Laseranwendungen. Zurzeit arbeiten Forscherteams weltweit an einer neuen Generation derartiger Laser – für die Grundlagenforschung, für neuartige Anwendungen in der Medizin und nicht zuletzt für die laserinduzierte Fusion.

Derartige Lasersysteme benötigen nicht nur extrem leistungsfähige, sondern auch in großer Stückzahl kostengünstig herstellbare Diodenlaser. Grundbausteine hierfür sind Diodenlaser-Barren im Wellenlängenbereich von 930 bis 970 nm.

Sie pumpen Ytterbium-dotierte Kristalle in Großlaseranlagen, die wiederum optische Spitzenpulse im Petawatt-Klassenbereich mit Pikosekunden-Pulsbreiten erzeugen. Ein einzelner Laserbarren in diesem Pumpquellen erreicht eine typische Ausgangsleistung zwischen 300 und 500 Watt.

Um die Leistungsfähigkeit der Diodenlaser weiter zu steigern, optimiert das FBH im Leibniz-Projekt CryoLaser sowohl deren Design wie auch die zur Fertigung nötige Technologie. Nur mit einer höheren Leistungsdichte lassen sich die Kosten pro Photon senken – weniger Material wird benötigt.

Zugleich muss der Wirkungsgrad erheblich verbessert werden, um die Effizienz des Gesamtsystems zu steigern. CryoLaser nutzt innovative Designs, die für den Laserbetrieb bei tiefen Temperaturen um -70°C (203 K) optimiert sind. In diesem Temperaturbereich steigt die Leistungsfähigkeit von Diodenlasern deutlich.

Aktuelle Ergebnisse aus CryoLaser präsentierte das FBH-Team rund um Paul Crump kürzlich in einem eingeladenen Seminar und einem Vortrag bei der CLEO in San Jose, USA. Dank eines weiterentwickelten vertikalen Designs und eines verbesserten Aufbaus liefern die 940 nm Laserbarren bei Temperaturen von -70°C (203 K) weltweite Bestwerte: 2 kW Spitzenleistung pro Barren bei einem maximal verfügbaren Strom von 2 kA, einer Pulsbreite von 200 µs und einer Frequenz von 10 Hz.

Das entspricht einer Pulsenergie von 0,4 Joule. Für solche Leistungen waren bislang mindestens vier aufeinander gestapelte Einzelbarren notwendig. Bei hohen Leistungen von 1 kW laserten die Barren mit 65% Konversionseffizienz und erreichten selbst bei 2 kW noch 56%.

Mit diesen Werten haben die Baren das Potenzial, in künftigen Hochleistungs-Laseranlagen genutzt zu werden. Derzeit arbeitet das FBH-Team weiter an der Verbesserung der elektro-optischen Konversionseffizienz.

Das FBH deckt in diesem Forschungsprojekt die komplette Wertschöpfungskette ab, vom Design bis zu ersten Prototypen. Die fertigen Diodenlaser-basierten Pumpquellen werden anschließend gemeinsam mit den weltweit führenden Gruppen in diesem Bereich für den potenziellen Einsatz in Hochleistungs-Lasersystemen getestet.

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Publikationen:
C. Frevert, P. Crump, F. Bugge, S. Knigge, A. Ginolas, and G. Erbert “Low-temperature Optimized 940 nm Diode Laser Bars with 1.98 kW Peak Power at 203 K,” Paper SM3F.8, Proc. CLEO, San Jose, USA (2015).
P. Crump, C. Frevert, G. Erbert, and G. Tränkle “High Power Diode Lasers for Pumping High Energy Solid State Lasers” Paper SM3M.1 (Tutorial), Proc. CLEO, San Jose, USA (2015).
P. Crump, C. Frevert, A. Ginolas, S. Knigge, A. Maaßdorf, J. Lotz, W. Fassbender, J. Neukum, J. Körner, T. Töpfer, A. Pranovich, M. Divoky, A. Lucianetti, T. Mocek, K. Ertel, M. De Vido, G. Erbert and G. Tränkle, “Joule-Class 940-nm Diode Laser Bars for Millisecond Pulse Applications” IEEE Photon. Technol. Lett. Accepted for publication (2015), (Joint assessment of previous iterations of high power bars from Cryloaser)

Technical conference and trade show CLEO (10.-15.05.2015) in San Jose, USA
http://www.cleoconference.org

Kontakt
Petra Immerz, M.A.
Referentin Kommunikation & Public Relations

Ferdinand-Braun-Institut
Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik
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12489 Berlin
Tel. 030.6392-2626
Fax 030.6392-2602
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Hintergrundinformationen – das FBH
Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) ist eines der weltweit führenden Institute für anwendungsorientierte und industrienahe Forschung in der Mikrowellentechnik und Optoelektronik. Es erforscht elektronische und optische Komponenten, Module und Systeme auf der Basis von Verbindungshalbleitern. Diese sind Schlüsselbausteine für Innovationen in den gesellschaftlichen Bedarfsfeldern Kommunikation, Energie, Gesundheit und Mobilität. Leistungsstarke und hochbrillante Diodenlaser, UV-Leuchtdioden und hybride Lasersysteme entwickelt das Institut vom sichtbaren bis zum ultravioletten Spektralbereich. Die Anwendungsfelder reichen von der Medizintechnik, Präzisionsmesstechnik und Sensorik bis hin zur optischen Satellitenkommunikation. In der Mikrowellentechnik realisiert das FBH hocheffiziente, multifunktionale Verstärker und Schaltungen, unter anderem für energieeffiziente Mobilfunksysteme und Komponenten zur Erhöhung der Kfz-Fahrsicherheit. Kompakte atmosphärische Mikrowellenplasmaquellen mit Niederspannungsversorgung entwickelt es für medizinische Anwendungen, etwa zur Behandlung von Hauterkrankungen. Die enge Zusammenarbeit des FBH mit Industriepartnern und Forschungseinrichtungen garantiert die schnelle Umsetzung der Ergebnisse in praktische Anwendungen. Das Institut beschäftigt 290 Mitarbeiter und hat einen Etat von 23 Millionen Euro. Es gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. und ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

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http://www.cleoconference.org – Technical conference and trade show CLEO
http://www.fbh-berlin.de/geschaeftsbereiche/diodenlaser/breitstreifen-barren/cry… – Informationen zu CryoLaser & CLEO