Diodenlaser mit Trapezstruktur und hoher Brillanz für die Realisierung einer Frequenzkonversion auf einer mikro-optischen Bank (2013)

Die Entwicklung von Diodenlasern mit einer hohen spektralen Strahldichte ermöglicht den Aufbau von immer effizienteren und kompakten Lasersystemen in Bereichen der Materialbearbeitung als auch der Medizin und Biologie. Besonders interessant sind Diodenlaser, die im nahen infraroten Spektralbereich emittieren. Diese ermöglichen bei ausreichender spektraler Strahldichte die Erzeugung sichtbarer Laserstrahlung mittels der Frequenzverdopplung. Dadurch kann der Wellenlängenbereich von 480nm-630nm, für den bisher keine direkt emittierenden Diodenlaser ausreichender Leistung (P&gt;1W) und langer Lebensdauer verfügbar sind, adressiert werden. Ziel dieser Doktorarbeit ist die Untersuchung und Optimierung von Diodenlasern mit Trapezstruktur und hoher Brillanz für die Realisierung einer Frequenzkonversion auf einer mikro-optischen Bank. Im ersten Teil dieser Arbeit werden kompakte Trapezlaser mit integrierten Gitter(DBR-TPL) untersucht. Diese monolithischen Diodenlaser bestehen aus drei Sektionen, über deren laterale und longitudinale Geometrieparameter die Ausgangsleistung, die Strahlqualität sowie die spektrale Emissionsbreite und damit die spektrale Strahldichte (Brillanz) beeinflusst werden. Es wird der Einfluss der Variation dieser Geometrieparameter systematisch in Bezug auf die elektro-optischen und spektralen Eigenschaften der DBR-TPL untersucht. Auf Grundlage dieser Untersuchungen werden Designstrategien für die Herstellung von DBR-TPL aufgestellt. Es werden Strahlquellen bei 920nm, 976nm und 1064nm mit Strahldichten von ß1/e² &gt; 500 MWcm-2sr-1 präsentiert. DBR-TPL bei einer Wellenlänge von 976nm zeigen mit ß1/e² &gt;800MWcm-2sr-1 die bislang höchsten Strahldichten für einen einzelnen Diodenlaser. Die Laser zeigen eine Ausgangsleistung von bis zu PNIR =12W, eine gute Strahlqualität (M²1/e² =1.1 mit PCL&gt;70%) und ein schmales Emissionsspektrum von Δλ &lt; 25pm. Ein zuverlässiger Betrieb der DBR-TPL von bis zu 7000 h bei 8W wird demonstriert. Die Realisierung einer Frequenzkonversion auf einer mikro-optischen Bank im zweiten Teil dieser Arbeit beinhaltet die Untersuchung der Frequenzkonversion mit DBR-TPL, die Feststellung der limitierenden Faktoren, die Auslegung der Mikrooptiken und die Präzisionsmontage dieser Mikrosystemlichtquelle. Bei der Frequenzkonversion mit DBR-TPL können Ausgangsleistung von bis zu PSH =1.6W mit einer Strahlqualität von M2s&lt; 2 erzielt werden. Dies entspricht ungefähr einer 2,5-fachen Steigerung der Leistung, die bisher für einen Diodenlaser bei einfachem Durchgang durch einen nichtlinearen Kristall erzielt wurde. Basierend auf den Erkenntnissen zur Frequenzkonversion mit DBR-TPL wird eine Mikrosystemlichtquelle mit der Größe von (25x25x50)mm3 bei 490nm demonstriert. Eine Herausforderung beim Aufbau dieser Strahlquelle besteht in der präzisen Integration der passiven optischen Komponenten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde hierzu ein speziell entwickelter Messplatz mit einer 6-Achsen-Verstelleinheit für die Montage der Mikrosystemlichtquellen im Sub-Mikrometer-Bereich realisiert. Die entwickelte Mikrosystemlichtquelle hat eine optische Ausgangsleistung von bis zu PSH=1.1W, eine exzellente Strahlqualität M²s&lt;2 sowie eine spektrale Emissionsbreite von Δλ &lt; 25pm. Der elektro-optische Wirkungsgrad des gesamten Moduls liegt bei ca. 3%. Untersuchungen zur Kurzzeitstabilität bei 1W zeigen einen stabilen Betrieb mit nur geringen Schwankungen in der Leistung von ±2% bzw. der Wellenlänge im Bereich ±10pm.