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Laser 2/2011
Heft Nr. 2, 25. Jahr gang, Mai/Juni 2011
L A
S
E
R
TECHNOLOGIE
F O R U M
Entwicklung und industrielle Anwendung
Titelbeitrag
8 Hochbrillante Diodenlasermodule für das
optische Pumpen von
Faserlasern
Strahlquellen
16 Laservielfalt für
eine wirtschaftliche
Anwendung
20 Mikrobearbeitung
im Fokus
Lasermaterialbearbeitung
24 Prozesssicherheit durch
Prozessoptimierung
Kongressberichte
40 UKP-Laser – die
Werkzeuge der Zukunft
44 Lasermikrobearbeitung
in Theorie und Praxis
Sonderteil Photonics
54 Klaviatur der Farben
b-Quadrat Verlags GmbH & Co. KG
58 Optische Nanoskopie
auf dem Weg zum
Routineverfahren
60 Superauflösung mit
Mikroskopsystemen
72 Neue Produkte
und Komponenten
VERLAGS GMBH&CO.KG
titelbeitrag
Hochbrillante Diodenlasermodule für
das optische Pumpen von Faserlasern
Durch die Optimierung von Halbleiterstrukturen und Optikkonzepten wurden anwendungsoptimierte,
fasergekoppelte Laserdiodenmodule entwickelt. Die zugrundeliegenden Konzeptionen und Techniken
sind geeignet für die vollautomatische Produktion.
ür die optische Anregung von Festkörperlasern haben sich in vielen
Anwendungsbereichen
MultimodeLaserdioden entweder als Einzelemitter oder als Laserdiodenarray (auch
Laserdiodenbarren) durchgesetzt. Im
Einsatz für das optische Pumpen von
Faserlasern besitzen diese beiden Laserdiodentypen jeweils Vor-und Nachteile.
Während sich der Einzelemitter durch
die Tauglichkeit zur Massenproduktion
sowie durch sein relativ gutes, thermisches Management auszeichnet, vereint
der Laserdiodenbarren die Vorteile der
optischen Brillanz, der auf die optische
Leistung bezogenen geringen Baugröße
und die Möglichkeit der Strahlformung
vieler Emitter durch die Justage weniger, monolithischer, optischer Elemente.
Durch die Entwicklung spezieller Chipstrukturen für Laserdiodenbarren, die
für den Einsatz in Pumpmodulen für
Faserlaser optimiert wurden, kann ein
Laserdiodenbarren
Der Autor
auch für die automatisierte Produktion und Faserkopplung, bei gleichzeitig
reduzierter, thermischer Beeinflussung
benachbarter Emitter, eingesetzt werden.
F
Dr. Jörg Neukum hat Physik an der
Technischen Universität Darmstadt
studiert und auf dem Gebiet der
Selten-Erd-Spektroskopie promoviert.
Nach Positionen als Produkt Manager
bei einem japanischen LaserdiodenHersteller und einigen Jahren als
Europäischer Vertriebsleiter für Coherent Semiconductor ist er seit 2004
bei der Dilas Diodenlaser GmbH für
Marketing, Vertrieb sowie für die Geschäftseinheit Dilas Industrial Laser
Systems verantwortlich.
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Kompakte Anordnung
des
auf Mini-Barren
basierenden, fasergekoppelten
Basismoduls.
epitaktisch gewachsenen Schicht beschreiben. Dieser Chip hat in der Regel
eine Breite von 10 mm und eine Resonatorlänge der Laseremitter, die mit ca.
1 mm um etwa eine Größenordnung
kleiner ist als die Arraybreite. Diese
monokristallinen Halbleiterstrukturen
werden zunächst entlang einer Ebene
senkrecht zu den Emittern gebrochen.
Die freigelegte Facette wird im Anschluss mit einer Spiegelbeschichtung
versehen.
Zu Beginn der Nutzung von Hochleistungslaserdioden wurde die extrahierbare optische Leistung wesentlich
durch die Zerstörschwelle (COMD =
catastrophic optical mirror damage) der
optischen Spiegelbeschichtung auf der
Facette bestimmt, weshalb eine Leistungsskalierung durch breitere Emitter
und eine erhöhte Anzahl an Emittern erreicht wurde. Dies bedingt sowohl eine
größere optische Divergenz in der Chipebene, aufgrund der breiteren Emitter,
Optimierte
Chipgeometrie
Klassisch lässt sich
ein Laserdiodenbarren als eine Anordnung (Array) lithografisch definierter
Laseremitter
auf
einer sehr dünnen,
Schematischer Aufbau der Grundplatte des fasergekoppelten Basismoduls. Alle Abb.: Dilas
Laser 2-2011
titelbeitrag
als auch eine gewisse thermische Beeinflussung benachbarter Emitter (thermal
crosstalk) und geht mit dem Verlust der
Strahlformung einzelner Emitter einher.
Durch die Weiterentwicklung im Bereich der optischen Facettenbeschichtung lassen sich heutzutage sehr viel
robustere Spiegel herstellen, sodass
für die Leistungsskalierung auf eine
Vergrößerung der Resonatorlänge
bei gleichzeitiger Verschmälerung der
Emitterbreite (Verringerung der Divergenz) und Vergrößerung des Emitterabstands (Verringerung des thermischen
crosstalk)
zurückgegriffen
werden
kann. Ein solcher Laserdiodenbarren
hat eine nahezu quadratische Grundfläche, somit also eine Resonatorlänge, die
in etwa der Arraybreite entspricht, bei
einer Emitteranzahl, die nur ca. 25 %
Emitterbreite gleichzeitig verbesserte
Divergenz kommt einer Faserkopplung
weiter entgegen.
Automatische Hartlot-Montageverfahren sind bereits für Standardbarren im
Einsatz und werden auch für die oben
beschriebenen Mini-Barren eingesetzt.
Durch die geringere Barrenbreite des
Mini-Barren ist auch die Ebenheit des
montierten Barrens – auch Durchbiegung oder Barren-Smile genannt – geringer als bei einem 10 mm breiten Laserdiodenbarren. Durch diese Ebenheit
wird auch die nachfolgende optische
Justage von FAC-Linse (für die Kollimation der Divergenz senkrecht zur Montageebene) und SAC-Linsenarray (für
die Kollimation der einzelnen Emitter in
der Montageebene) erleichtert und ist
entsprechend automatisiert worden.
Aufgrund des hohen Aspektverhältnisses, welches bei der Kopplung eines einzelnen Emitters (~ 100 µm Breite bei ~ 1
µm Höhe) immer zu einer Unterfüllung
der Apertur der optischen Faser führt,
lässt sich durch eine geeignete Strahlformung und optische Stapelung einer ganzen Anzahl von Emittern die Apertur
der optischen Faser optimal ausnutzen.
Um dies zu erreichen, werden mehrere,
wärmeleitungsgekühlte Mini-Barren in
einer zweidimensionalen Anordnung
auf eine von unten gekühlte Grundplatte aufgebracht, und zwar zusammen
mit den für die Strahlformung notwendigen Mikro-Optiken. Die Montage der
wärmeleitungsgekühlten Mini-Barren
erfolgt automatisiert, ebenso wie die
aktive Justage der Mikro-Optiken.
Diese mit Mini-Barren und Mikro-Opti-
Familie der auf Mini-Barren basierenden, fasergekoppelten Dilas Laserdiodenmodule.
Das fasergekoppelte Basismodul
Ausgefahrene Kennlinie und elektro-optische
Effizienz des fasergekoppelten 976-nm-Basismoduls, welches mit 135 W aus einer 200 μm,
NA0.2 spezifiziert ist.
im Vergleich zum Standardbarren ausmacht. Somit steht bei einem solchen
Laserdiodenbarren ungefähr das gleiche
aktive Volumen zur Verfügung, wie bei
einem Standardbarren, womit sich in
etwa auch die gleiche optische Leistung
extrahieren lässt. Solche Barren werden
in der Literatur als Mini-Barren, Superbarren, oder auch „T-bar“ (tailored-bar
= angepasster Barren) bezeichnet.
Der große Abstand der Emitter erlaubt
weiterhin die Nutzung einfach herstellbarer SAC-Linsenarrays (SAC = SlowAxis Collimator) für die Kollimation
aller Emitter. Die durch die geringere
Laser 2-2011
Um bei einem Faserlaser mit möglichst
wenigen Kopplungspunkten für die
Pumpstrahlung auszukommen, sollten
die eingesetzten Pumpmodule eine möglichst hohe optische Leistung besitzen.
Das Ziel bestand zunächst darin, ein
auf Mini-Barren und zusätzlich vereinfachtem – und dadurch automatisierbarem – Optikkonzept basierendes Modul
zu entwickeln, welches als Äquivalent
zu einem existierenden, aus Standardbarren aufgebautem 976-nm-Pumpmodul dient, das 135 W optische Leistung
aus einer 200 µm Faser (NA0.2) ohne
Mantelmoden (cladding-free) erzeugt.
Selbstverständlich gilt auch hierbei die
Erhöhung der optischen Leistung als
weiteres Ziel, um bei bestehenden Material- und Fertigungskosten die Kosten
pro Watt weiter zu senken.
Ausgefahrene Kennlinie und elektro-optische
Effizienz eines auf vier Basismodulen aufgebauten, integrierten fasergekoppelten Moduls bei
976 nm (200 μm, NA0.2).
ken bestückte Grundplatte lässt sich im
Prinzip mit einer automatisch bestückbaren Platine vergleichen. Ein wichtiger
Unterschied liegt im vorliegenden Fall
jedoch darin, dass eine aktive Justage
der Mikro-Optiken unter Berücksichtigung der für die Faserkopplung notwendigen Randbedingungen vorzunehmen ist.
Die Automatisierung gewährleistet zusammen mit der aktiven mikro-optischen Justage eine sehr hohe Reproduzierbarkeit der Strahleigenschaften des
überlagerten und kollimierten Strahls,
und damit auch der Faserkopplung.
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titelbeitrag
auf den Einsatz als Faserlaser-Pumpmodule hin entwickelt sind, sind optische
Sensoren zur Leistungsüberwachung
sowie Temperatursensoren ebenso enthalten wie Schutzfilter gegen die Faserlaser-Wellenlänge.
Unabhängig von den hierbei erzielten
bzw. von den prinzipiell erzielbaren
optischen Ausgangsleistungen werden
sich die final spezifizierten optischen
Ausgangsleistungen immer an den vom
Markt erwarteten Lebensdauern orientieren.
Robuste
Konzeption
Durch die angesprochene hohe Konsistenz der Module ist es nicht notwendig,
den kollimierten Strahl für die Faserkopplung auf eine fest angebrachte Faser zu fokussieren. Stattdessen können
die Module mit einer abnehmbaren Faser ausgestattet werden, was wiederum
den Aufbau eines Faserlasers erleichtert.
Das fasergekoppelte Basismodul ist mit
135 W mantelmodenfreier Pumpleistung aus einer Faser mit 200 µm Kerndurchmesser (NA0.2) und mit wassergekühltem SMA Modestrip-Stecker spezifiziert. Diese elektro-optischen Parameter werden bei einem Betriebsstrom von
< 30 A und einer Versorgungsspannung
von < 12 V erreicht. Damit wird dieses
Modul praktisch im Maximum der Effizienz betrieben.
Die Robustheit des beschriebenen Konzepts ist bereits der Kennlinie zu entnehmen, welche auch bei weit höheren als
den spezifizierten Betriebsströmen noch
kein thermisches Überrollen zeigt. Wie
schon erwähnt, wird mittelfristig an
einer Leistungssteigerung des Basismoduls und der enthaltenen Mini-Barren
gearbeitet, um bei einer Wellenlänge
von 976 nm bis zu 200 W aus 200 µm,
NA0.2 zu spezifizieren.
Die kompakte Bauform des Basismoduls (130 x 65 x 39 [mm]), zusammen
mit dem niedrigen Gewicht von < 1 kg,
erlaubt auch die dichte Anordnung solcher Module. Dadurch wird es mit z. B.
zwölf Basismodulen möglich, eine Gesamtpumpleistung von 12 x 135 W =
1.620 W zu erzeugen, welche ausreicht,
um einen 1 kW Faserlaser aufzubauen.
Pumpmodule, die diese Technologie
nutzen, werden auch in den Produktreihen unserer Muttergesellschaft, der
Rofin-Gruppe, eingesetzt, z. B. in den
Lasern der FL-Serie.
Hochintegrierte
fasergekoppelte Module
Durch räumliche Überlagerung und
durch Polarisations-Multiplexing ist
eine weitere Skalierung der Leistung
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Integriertes fasergekoppeltes Modul (600 W, 200
μm, NA0.2) als Standardmodul, ohne und mit
VBG.
möglich, sodass bei einer Wellenlänge
(derzeit 976 nm) eine ganze Serie von
fasergekoppelten Modulen verfügbar
wird.
Mit bis zu vier voll bestückten und gekoppelten Basisplatten lässt sich mit
einem Modul bereits heute eine Leistung von > 600 W in eine 200 µm-Faser
(NA0.2) erzielen. Natürlich sind bei
solchen Leistungen normale SMA Fasern nicht einsetzbar, sodass hier derzeit
Hochleistungsfasern mit Wasserkühlung zum Einsatz kommen. Auch die
räumlichen Dimensionen eines solchen
Moduls sind mit derzeit 285 x 250 x
100 [mm] noch immer sehr kompakt.
Da alle beschriebenen Module speziell
Danksagung
Die in diesem Artikel aufgezeigten Ergebnisse beruhen auf der Arbeit vieler Kollegen der Dilas Diodenlaser GmbH sowie
deren Partnerfirmen. Ohne die Kreativität,
Ideen und Anstrengungen dieser Kollegen
wären das beschriebene Konzept und dessen Umsetzung nicht möglich gewesen. An
dieser Stelle möchte sich der Autor sehr
herzlich für die Unterstützung bei der Erstellung des Artikels bedanken. Ein Teil der
Arbeit wurde im Rahmen des Förderprogramms »Optische Technologien« durch
das Bundesministerium für Bildung und
Forschung unterstützt (Themenfeld »Integriert-optische Komponenten für Hochleistungs-Laserstrahlquellen – INLAS«).
Einengung der
spektralen Linienbreite
Durch den Einsatz von virtuellen BraggGittern (VBG) lässt sich auch mit den
oben beschriebenen Laserdiodenmodulen eine Verringerung der spektralen Linienbreite erreichen. Auch solche
Bragg-Gitter sind im Prinzip automatisch justierbar. Die spektralen Linienbreiten solcher Module mit VBG sind
typischerweise < 1 nm bei 90 % Leistungsinhalt.
Zusammenfassung
Mit dem vorgestellten Konzept wird
die erste Generation von anwendungsoptimierten Faserlaser-Pumpmodulen,
basierend auf wärmeleitungsgekühlten
Mini-Barren, mit weitgehend automatisierten Produktionsverfahren gefertigt.
Mit dem auf der Lasermesse 2011 in
München offiziell vorgestellten, fasergekoppelten Laserdioden-Basismodul
(135 W, 200 µm, NA0.2) ist das erste
Modul einer Serie leistungsskalierbarer
Module verfügbar. Module mit höheren Ausgangsleistungen, bis hin zu 600
W, wurden bereits demonstriert und
werden nach weiteren Optimierungen
ebenfalls verfügbar.
Das benutzte Konzept ist auch offen für
den Einsatz optischer Zusatzelemente
wie virtueller Bragg-Gitter (VBG) zur
Einengung der spektralen Linienbreite
und zur Wellenlängenstabilisierung.
KONTAKT
Dilas Diodenlaser GmbH
www.dilas.com
Laser 2-2011