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SPEZIAL: METROLOGIE
OPSL - optisch gepumpte Halbleiterlaser
OPSLs: Laserlicht von UV bis zu
nahem Infrarot
OPTISCH GEPUMPTE HALBLEITERLASER ERFÜLLEN KRITISCHE ANFORDERUNGEN IN
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
Wellenlängen und Leistung nach Bedarf im gesamten sichtbaren Spektrum und darüber
hinaus – die OPSL-Technologie macht es möglich und erweist sich damit als ideale Lösung
für zahlreiche Anwendungsgebiete, von den Life Sciences bis zur Forensik.
MATTHIAS SCHULZE
ARNAUD LEPERT
er optisch gepumpte Halbleiterlaser
(Optically Pumped Semiconductor
Laser, OPSL) ist aufgrund seiner
Skalierbarkeit bei Ausgangsleistung und
Wellenlänge in mehreren wichtigen
Anwendungsbereichen für Dauerstrichbetrieb und sichtbares Laserlicht zur
bevorzugten Laserquelle geworden. Dank
dieser besonderen Flexibilität lässt sich
der OPSL exakt auf die Erfordernisse
spezifischer Anwendungen abstimmen.
Darüber hinaus bietet er eine Reihe weiterer Vorteile gegenüber älteren Technologien, zum Beispiel schnelles direktes Pulsen, geringen Platz- und Energiebedarf
und rauscharmen Betrieb. Nun wurden
OPSLs auch für den UV-Bereich fit gemacht und bieten dort echte Dauerstrichleistung für wichtige Anwendungen in den
Life Sciences. In diesem Artikel wird untersucht, wie die OPSL-Technologie diese Ei-
D
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Laser+Photonik
genschaften unterstützt und welche Rolle
sie in verschiedenen Anwendungsbereichen spielt.
Grundlagen der
OPSL-Technologie
Das Lasermedium in einem OPSL ist ein
Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator
(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,
VCSEL). Elektrisch gepumpte VCSELs wurden ursprünglich entwickelt, um die systembedingten optischen Einschränkungen
herkömmlicher Kantenemitter, die bei den
meisten Laserdioden zum Einsatz kommen, zu vermeiden. Das Besondere an einem VCSEL ist, dass der Strahl an der Oberseite des Diodenchips austritt. Durch die
größere Austrittsöffnung ergibt sich ein
Strahl von geringerer Divergenz, der auch
symmetrisch sein kann, woraus eine Vereinfachung hinsichtlich Kollimierung,
Nachfokussierung und Faserkopplung resultiert. Zudem verringert sich dadurch die
Wahrscheinlichkeit von Beschädigungen
der Ausgangsfläche bei höheren Leistungsstufen.
Elektrisch gepumpte VCSELs lassen sich
allerdings nicht so weit skalieren, dass sie
die hohe Leistung eines Kantenemitters
erbringen – es ist nicht möglich, eine
große Fläche mit Ladungsträgern zu fluten, ohne größere Elektroden zu verwenden, die ihrerseits zu viel Verlust bewirken
würden. Dieses Problem lässt sich durch
optisches Pumpen des Bauelements zur
Erzeugung von Ladungsträgern vermeiden. Dies ist das Grundprinzip des OPSL.
Spezifische Merkmale
der Resonatorkonstruktion
In Bild 1 sind die Hauptelemente eines
OPS-Lasers schematisch dargestellt. Pumplicht aus einem direkt gekoppelten Einzelemitter oder einem fasergekoppelten
Laserdiodenarray wird in die obere Fläche
des OPS-Chips abgebildet. Ein solcher
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OPSL - optisch gepumpte Halbleiterlaser
monolithischer III-V Halbleiterchip enthält Schichten von tertiären III-V Quantentöpfen (Quantum Well, QW), die sich mit
binären Schichten (AlGaAs/GaAs) abwechseln. Die binären Schichten sind für
eine effiziente Absorption von Pumpstrahlung optimiert und erzeugen dadurch
eine hohe Besetzungsinversion. Dies führt
– wenn auch durch die Oberflächenschicht
– zu einer Laseraktion, wie sie für QWStrukturen von Halbleiterlasern typisch
ist. Die entstehende Emissionswellenlänge wird durch die Stöchiometrie und
die physischen Abmessungen der QWStrukturen bestimmt und von einem Distributed Bragg Reflector (DBR) hinter beziehungsweise unter den Absorptions-/Emissionsschichten unterstützt. Der DBR
fungiert als verlustarmer Endreflektor, der
für die gewünschte OPS-Ausgangswellenlänge optimiert ist.
Der Auskoppelspiegel eines OPSL ist
ein externer dielektrischer Spiegel, der es
erlaubt, den Laserresonator und somit die
Merkmale des Ausgangsstrahls nach Belieben maßzuschneidern. Dies vereinfacht
beispielsweise die Positionierung von
optischen Komponenten innerhalb des
Resonators für eine effiziente Umwandlung des vom VCSEL erzeugten nahinfraroten Lichts in sichtbares oder UV-Licht.
Auf verschiedene Aspekte der Resonatorkonstruktion lohnt es sich, näher einzugehen, da diese die volle Nutzung
xxx
Ausgangsoptik
SHG-Kristall
Pumpdiode
Kupplungsoptik
VCSEl Chip
Quantum
Wells
DBR
© Laser+Photonik
1 Diese schematische Darstellung zeigt die
Grundprinzipien der OPSL-Technologie
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gangsleistung führt. Wird jedoch ein
multi-modiger Laser verdoppelt, kommt es
zu vielen separaten Interaktionen durch
Verdopplung und Frequenzmischung zwischen den Moden, wobei die Wirkungsgrade vom Quadrat der Momentanleistung
in den einzelnen Moden abhängen. Das
Nettoergebnis ist ein ausgeprägtes Amplitudenrauschen in der verdoppelten Leistung. Bei einer Frequenzverdreifachung
ist der Effekt noch deutlicher zu beobachten.
2 Die Pumpgeometrie und der Resonator machen einen extrem kleinen Laserkopf möglich. Bei diesem Prototyp im Laborstadium ist der Laserstrahl zur Verdeutlichung rot hervorgehoben
Ebenso bedeutsam ist die Tatsache, dass
der gesamte OPSL-Laserkopf nach unten
skaliert und auf einem kleinen Block montiert werden kann. Dies resultiert in einem
Größenvorteil (Bild 2) für OEM-Anwendungen und einer hohen kurz- und langfristigen Stabilität.
Frequenzverdopplung
und -verdreifachung
Dichroische
Beschichtung
Endspiegel
bestimmter OPSL-spezifischer Vorteile
ermöglichen. Die Pumpstrahlung tritt in
einem Winkel von etwa 30 Grad in den
OPS-Chip ein und ist somit nichtkollinear.
Sie füllt das Modenvolumen und bewirkt
nur eine sehr geringe Pumpelliptizität,
ohne dass der OPS-Intraresonatorstrahl
durch die Relaisoptik des Pumpstrahls beschnitten wird. Zusätzlich ermöglicht
diese Geometrie die Anordnung von zwei
oder sogar drei Pumpquellen im Azimutwinkel für die Hochleistungserzeugung.
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Resonatorinterne Verdopplungen und Verdreifachungen werden bei anderen Festkörperlasern seit Langem zum Umformen
der nahinfraroten Grundwellenlängen in
sichtbares (532 nm) oder UV-Licht
(355 nm) genutzt. Die Oberwellenerzeugung (second oder third harmonic generation, SHG/THG) führt jedoch oftmals zu
green noise (so genannt, weil erstmals bei
Lasern bei 532 nm beobachtet). Dieser Effekt tritt auf, weil die erzeugten Wellen
vieler Dauerstrichlaser jeweils mehrere
Longitudinalmoden umfassen. Die Leistung verteilt sich auf die verschiedenen
Moden dynamisch und etwas chaotisch,
was bei der Laser-Grundwellenlänge zu einem gewissen (oft tolerierbaren) Maß an
Amplitudenrauschen in der Gesamtaus-
Bei einem OPSL wird dieses mit der Frequenzumformung verknüpfte Rauschen
systembedingt praktisch ausgeschaltet.
Aufgrund der sehr kurzen Lebensdauer des
angeregten Zustands kann ein OPSL keine
Verstärkung speichern. Dies ist die tiefere
Ursache der Grundmodenschwingungen,
die ihrerseits zu dem Amplitudenrauschen
bei der Frequenzumformung führen. Zudem verwendet ein OPSL einen doppelbrechenden Filter (birefringent filter, BRF)
mit schmalem Transmissionsbereich zur
Einengung der Ausgangswellen (durch
Einschränkung auf drei bis zehn stabile
Longitudinalmoden), sodass die optimale
Umformungswellenlänge aufrechterhalten
wird. Bei diesem Ansatz wird die Ausgangsmodenstruktur vollständig vom
Laserresonator dominiert und kann bei
richtiger Konstruktion sehr stabil sein.
Insgesamt wird die dynamische Leistungsschwankung zwischen diesen Moden praktisch ausgeschaltet (SHG green noise
< 0,03 Prozent, bis zu 10 MHz rms), und
dies ohne die Komplexität und die hohen
Kosten eines einmodigen, frequenzstabilisierten Resonators.
In zwei Anwendungsbereichen werden
die Vorteile dieser rauscharmen Ober- V
Laser+Photonik
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SPEZIAL: METROLOGIE
OPSL - optisch gepumpte Halbleiterlaser
lenlänge von exakt 577 nm kommen nun
in breitem Umfang zum Einsatz und versprechen bessere Behandlungsergebnisse
für die Patienten.
Leistungsskalierung
3 Diese Simulation zeigt die Beeinträchtigung des Sehvermögens bei Personen mit der feuchten
Form von altersbedingter Makuladegeneration
Wellenlängenskalierung
Aus Sicht des Endnutzers besteht der
wichtigste Vorteil der OPSL-Technologie in
der Möglichkeit, Wellenlängen in einem
weiten Bereich beliebig anzupassen. So
lassen sich beispielsweise InGaAsbasierte QWs konstruieren, die Wellenlängen von 700 bis 1200 nm erzeugen [1, 2].
Durch Frequenzverdopplung lässt sich mit
dieser Technik auch der größte Teil des
sichtbaren Spektrums (350 bis 600 nm)
generieren. Die Wellenlängenskalierung
ermöglicht einen Paradigmenwechsel in
der Anwendungsentwicklung: OPSLs werden nun auf die Anwendung abgestimmt,
nicht umgekehrt.
Ein gutes Beispiel hierfür ist die Photokoagulation zur Behandlung der feuchten
Form der ›Makuladegeneration‹ (Bild 3).
Die Schlüssel zum Erfolg sind dabei Gewebeselektivität und räumliche Eingrenzung,
um eine möglichst wirksame Koagulation
erzielen zu können und gleichAbsorption von Oxyhämoglobin
zeitig die thermische Gesamtbelastung des Auges auf ein
Minimum zu reduzieren. Hierzu
wird die Laserwellenlänge auf
das Absorptionsmaximum von
Oxyhämoglobin bei 577 nm
eingestellt. Früher mussten
Photokoagulatoren entweder
mit einem 532 nm Laser auf
532
577
ein anderes, schwächeres Ab500
525
550
575 nm
600
sorptionsmaximum ausgerichWavelength
tet werden, oder es wurde ein
© Laser+Photonik
Nd:YAG-Laser mit geringer
4 Genesis-557 wurde zur Verbesserung der Behandlung mitLeistung bei 561 nm eingetels Laserkoagulation bei bestimmten Formen der Makuladesetzt (Bild 4). Multiwattgeneration entwickelt. Die Ausgangswellenlänge von 577 nm
entspricht dem Absorptionsmaximum von Oxyhämoglobin
OPSLs mit einer AusgangswelAbsorbance
wellenumformung deutlich. Bei grünen
Wellenlängen sind kompakte ultrafast
Ti:Saphir-Oszillatoren erhältlich, bei denen als Pumplaser kein DPSS-Laser, sondern ein 532 nm OPSL verwendet wird.
Diese kostengünstigen Oszillatoren sind
bei ultraschnellen Anwendungen beliebt,
die nicht die extreme Rauscharmut erfordern, die sich mit einer einmodigen
532 nm Hochleistungspumpquelle erzielen lässt. Ein typisches Anwendungsgebiet
ist das seeding von Kurzpulsverstärker/OPA-Systemen zur Erzeugung von abstimmbaren Hochenergiepulsen im Bereich von unter 35fs.
Im UV-Bereich erfordern Anwendungen
wie etwa die Durchflusszytometrie eine
kosteneffiziente, rauscharme Dauerstrichquelle für eine präzise Zell- beziehungsweise Embryo-Sortierung. Einige Hersteller verwenden für diesen Zweck bereits
modengekoppelte quasi-cw-Laser auf
DPSS-Basis, doch die hohe Spitzenleistung dieser Laser kann Schäden an der
DNA bewirken. Deshalb wurden OPSLs mit
Frequenzverdreifachung für diese Anwendung optimiert, womit sich echte 355 nm
cw-Strahlen erzeugen lassen. Diese Laser
bieten genau die Kombination aus
Rauscharmut und Einfachheit, die diese
Anwendung erfordert.
Dank der speziellen Bauweise des OPSLResonators lässt sich die Ausgangsleistung durch eine Erhöhung der Anzahl
und/oder der Leistung der Pumpdioden
steigern. Doch bereits zu einem frühen
Zeitpunkt erkannte man bei Coherent,
dass sich die thermische Belastung des
VCSEL als praktisches Hindernis bei der
Skalierung auf die Multiwatt-Leistungsstufe erweisen könnte. Für dieses Problem
wurden zwei Lösungsansätze gefunden.
Zum einen werden bei diesen Lasern ein
erweitertes Modenvolumen und eine neuartige Resonatorkonstruktion mit Strahlumlenkung verwendet. Da die Temperaturzunahme von der Leistungsdichte bestimmt wird, besteht eine Lösung offenbar
darin, die Leistung auf dem Chip über eine
größere Fläche zu verteilen. Doch eine
einfache Erhöhung des Modenvolumens
ohne eine Erhöhung der Resonatorbrennweite versetzt den Laser in einen instabilen Betriebszustand mit mehreren Transversalmoden. Eine drastische Erhöhung
der Resonatorbrennweite würde den Laser
jedoch unnötig vergrößern und die opto-
pmb
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5 Eine Kepler-Teleskop-Konstruktion mit Strahlumlenkung
ermöglicht die Verwendung
eines kurzen Resonators mit
großem Modenvolumen innerhalb des Lasermediums. Links:
Funktionsschema, zur Vereinfachung mit Linsen dargestellt;
rechts: die tatsächliche Anordnung in einem OPSL mit konkaven Resonatorspiegeln in einem
Resonator mit Strahlumlenkung
xxx
w1
Coherent, Inc.
Santa Clara, CA 95054, USA
Tel. +1 408 764 4000
Fax +1 408 764 4800
www.coherent.com
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f1
f
f2
SHG
crystal
w2
∂w1
=0
∂f
M = f1/f2
End
mirror
f2
OPS
d1
Lasermedium
mechanische Stabilität verringern. Deshalb wird bei diesen Lasern ein kompakter
Resonator mit Strahlumlenkung und Kepler-Teleskopoptik zur Entkopplung von
Modendurchmesser und Resonatorlänge
verwendet (Bild 5). Dieser Aufbau unterstützt gleichzeitig einen großen Strahldurchmesser im OPSL-Chip, allerdings mit
einem exakt dimensionierten schmaleren
Bereich nahe dem Auskoppelspiegel.
Der zweite erfolgreiche Lösungsansatz
für das Problem der thermischen Belastung besteht in einem hochwirksamen
Kühlsystem zur direkten Senkung der
Temperatur im OPSL-Chip im Allgemeinen
und innerhalb der QWs im Besonderen.
Dieses Kühlsystem basiert auf einer proprietären Technik zur Montage des Chips
auf seinem Kühlkörper. Neben einer Steigerung der aus dem jeweiligen Bauelement extrahierbaren Leistung bewirkt
dieses Kühlsystem auch eine Verlängerung
der Laserlebensdauer. Zusammengenommen sorgen diese Verbesserungen dafür,
dass Coherent die leistungsfähigsten
OPSL-Laser anbieten kann, die heute auf
dem Markt erhältlich sind. Hierzu zählen
ein 8 W Laser mit 532 nm für forensische
sowie
preisgünstige
Anwendungen
KONTAKT
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f1
L‘ = effektive Resonatorlänge
© Laser+Photonik
577 nm Laser mit Multiwatt-Leistungen
für Lasershows.
Direkte Modulation
Die ›null‹ Lebensdauer des angeregten Zustands stellt einen weiteren Vorteil der
OPSL-Technologie dar: Sie ermöglicht eine
direkte Ausgangsmodulation – durch Modulieren des Ansteuerungsstroms an die
Pumpdiode(n) – mit Repetitionsraten von
bis zu 100 kHz. Dies vereinfacht und verbilligt die Integration bei Anwendungen,
die eine schnelle Modulation erfordern.
Ein externer Modulator wird dabei nicht
mehr benötigt. Unter Verwendung dieser
Technik werden beispielsweise im Bereich
der Photokoagulation weitere mögliche
Verbesserungen der Behandlungsverfahren erforscht. Speziell durch das micropulsing lässt sich eine extrem präzise Dosierungssteuerung erzielen. Auf diese Weise
lässt sich durch Laserbehandlung möglicherweise eine Wundheilungsreaktion
auslösen, ohne dass es zu einer wirklichen
Verletzung kommt. In der Anfangsphase
der Forschung für die Photokoagulation
ähnelt dieses micropulsing stark der kosmetischen ›Fraxel‹-Behandlung mit gepulsten Lasern, mit der neue Kollagenablagerungen unter der Haut angeregt werden,
ohne die Haut selbst zu schädigen.
gen von Dauerstrich-, sichtbarem und
ultraviolettem Laserlicht, da sie gegenüber allen anderen Lasertypen mehrere
Vorteile aufweisen. Insbesondere bieten OPSLs erstmals die Möglichkeit, den
Laserstrahl präzise auf die Erfordernisse der jeweiligen Anwendung abzustimmen. Die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von OPSLs erstrecken
sich bereits heute auf Gebiete wie
Durchflusszytometrie, konfokale Mikroskopie, Pharmaforschung, Diagnostik
durch bildgebende Verfahren, DNA-Sequenzierung, Augenheilkunde, Partikelvisualisierung, Laser-Pumping, Lasershows und das Schreiben auf Film.
LITERATUR
A.C. Tropper, S. Hoogland: “Extended cavity surfaceemitting semiconductor lasers”, Progress in Quantum
Electronics, Vol 30, Jan 2006, S 1-43
U. Keller, A.C. Tropper: “Passively modelocked surfaceemitting semiconductor lasers”, Physics Reports,
Vol 429, Jun 2006, S 67-120
AUTOREN
MATTHIAS SCHULZE arbeitet bei Coherent seit 1995 und
war als Prodktmanager und im Bereich Marketing & Customer Support tätig. Er ist zurzeit Director of Marketing,
OEM Components and Instrumentation.
ARNAUD LEPERT arbeitet bei Coherent seit 2006 als Director of Business Management. Er ist für das High Power Optically Pumped Semiconductor Lasers Program so-
Fazit: Vielfältige
Anwendungsmöglichkeiten
wie die Entwicklung und Vermarktung der Genesis Produktreihe verantwörtlich.
OPSLs bilden einen schnell wachsenden
Marktanteil bei zahlreichen Anwendun-
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