INDILAS - Erforschung und Entwicklung von innovativen hybridintegrierten Diodenlaser-Komponenten und Systemen

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1 Schlussbericht zum BMBF-Verbundvorhaben INDILAS - Erforschung und Entwicklung von innovativen hybridintegrierten Diodenlaser-Komponenten und Systemen Laufzeit des Vorhabens: Datum: Verbundpartner eagleyard Photonics GmbH (Berlin) Ferdinand-Braun-Institut (Berlin) Lumera Laser GmbH (mit UA an PZ Kaiserslautern) Ruhr-Universität Bochum (Prof. Hofmann, PTT) Sacher Lasertechnik GmbH (Marburg) Verbundkoordinator Dr. Ralf Knappe LUMERA LASER GmbH (seit April 2013 COHERENT Kaiserslautern GmbH) Opelstr. 10, Kaiserslautern Tel Ralf.Knappe@Coherent.com 1 (16) Schlussbericht Verbundvorhaben INDILAS, Laufzeit /2013

2 1 Aufgabenstellung und Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde Das Ziel des Vorhabens war die Erforschung von neuartigen hybrid-integrierten Diodenlaser- Komponenten als Basis für innovative quasi-monolithische Oszillator-Verstärker-Systeme, die Laserimpulse mit einer Dauer von Millisekunden bis Sub-Pikosekunden und variierbarer Wiederholrate von Einzelimpulsen bis zu mehreren GHz erzeugen konnten. Die außergewöhnliche Variabilität der Laserparameter machte diese Systeme z.b. für den Einsatz in der Messtechnik, der Medizintechnik und der Lasermaterialbearbeitung besonders geeignet. Die hybrid integrierte Aufbautechnik gewährleistet eine kostengünstige Fertigung, sowie die uneingeschränkte industrielle Zuverlässigkeit. Aufgaben der Partner - Das Ferdinand-Braun-Institut realisierte Diodenlaser für Kurzpulserzeugung und Verstärkung und stellte diese für die Partner bereit. - Die eagleyard Photonics GmbH erarbeitete die quasi-monolithische Integration von Diodenlasern und Komponenten und lieferte die Baugruppen an die Partner. - Die LUMERA LASER GmbH erforschte mit diesen Baugruppen Hochleistungs- Verstärker-Systeme auf der Basis von optisch-angeregten laseraktiven Fasern oder Kristallen, sowie deren Anwendung in der Mikrobearbeitung (mit Unterstützung von der TU und dem Photonik Zentrum Kaiserslautern in Form von Unteraufträgen). - Die Sacher Lasertechnik GmbH entwickelte ein monolithisches Lasermodul für Anwendungen wie Fluoreszenzspektroskopie, optische Kohärenztomographie, Terahertz-Technologie, und Kunststoffbearbeitung. - Die Ruhr-Universität Bochum realisierte ein Labormuster für ein Hochleistungs-Kurzpuls- Diodenlasersystem und führte damit Anwendungsstudien durch. Das Projekt war Teil der Förderinitiative INLAS im Bereich der Optischen Technologien. Das BMBF unterstützt dadurch Unternehmen bei Forschung und Entwicklung von integriertoptischen Komponenten für Hochleistungs-Laserstrahlquellen mit großem Anwendungs- und Marktpotenzial. Von den Ergebnissen erwartet das BMBF die nachhaltige Stärkung der Wettbewerbsposition der laserherstellenden und laseranwendenden Industrie in Deutschland. 2 (16) Schlussbericht Verbundvorhaben INDILAS, Laufzeit /2013

3 2 Planung und Ablauf des Vorhabens Die Planung des Vorhabens bildet die intensive Zusammenarbeit zwischen den Verbundpartnern ab, deren Arbeitspakete stark aufeinander abgestimmt waren. Der zeitliche Ablauf wurde durch eine Reihe von Übergabepunkten bestimmt, in denen Komponenten, Konzepte und Systeme zwischen den Partnern ausgetauscht wurden. Alle Teilziele und Übergabepunkte wurden innerhalb des Vorhabenzeitraums mit einer dreimonatigen Verlängerung erreicht. Die Arbeitsinhalte und Ziele und deren thematische Verknüpfung sind schematisch in der Abbildung 1 dargestellt. Wie aus dieser Abbildung ersichtlich ist das Verbundprojekt gekennzeichnet durch die vertikale Integration von 3 Ebenen mit den Arbeitsschwerpunkten: o Komponenten (für Laseroszillatoren und Verstärker) o Konzepte (für (fs-)mopa Systeme und deren hybrid-integrierten Aufbau) o Realisierung von anwendungstauglichen Lasersystemen Abbildung 1: Aufgaben und Zusammenarbeit im Verbund 3 (16) Schlussbericht Verbundvorhaben INDILAS, Laufzeit /2013

4 3 Wissenschaftlicher und tech. Stand, an den angeknüpft wurde Zum Start des Vorhabens im Jahr 2009 wurde der Bereich der Ultrakurzpulslaser eindeutig von Festkörperlasern (FKL) dominiert. Diodengepumpte FKL mit Pulsdauern im Pikosekunden (ps)-bereich begannen gerade, in industrielle Prozesse Einzug zu halten. Laser mit kürzeren Pulsdauern (fs) waren hauptsächlich wissenschaftlich erprobt. Diese fs-laser besaßen als FKL nahezu alle optischen Eigenschaften, die in der modernen Femtosekundentechnologie benötigt werden. Als all-solid-state -Systeme benutzen sie beispielsweise breitbandig verstärkende Laserkristalle wie Titan in Saphir (Ti:Sa), Cr-dotierte Fluoride (Cr:LiSAF), oder Ytterbium in Wolframaten (Yb:KGW). Die Konzepte, auf denen diese Strahlquellen basieren, waren jedoch nur bedingt geeignet, um auch die technischen Anforderungen für den industriellen Einsatz zu erfüllen. Neben Lasern aus den genannten Kristallen wurden zu dieser Zeit bereits auch leistungsfähige fs-faserlaser realisiert. Unter Verwendung von Yb:dotierten Fasern erzeugten diese Laser Pulse mit Dauern von typisch fs und mittleren Leistungen im Bereich von 100 mw. Die genannten diodengepumpten fs-festkörperlaser und Faserlaser waren nur in eingeschränkter Weise verwendbar, wenn die betreffende Anwendung sehr kompakte Strahlquellen mit besonders geringer Leistungsaufnahme und niedrigen Herstellungs- und Betriebskosten erforderte. Halbleiter-Diodenlaser sind im Gegensatz dazu die kompaktesten und effizientesten Festkörperlaser. Die im Verbund geplanten Arbeiten hatten daher das Ziel die vorteilhaften Eigenschaften dieser Laser für die Realisierung von Hochleistungshalbleiterlasern zu nutzen, die direkt in einem beugungsbegrenzten Strahl fs-lichtimpulse mit Impulsdauern von fs erzeugen. Die F. u. E.-Arbeiten, die im Rahmen dieses industriellen Verbundprojekts durchgeführt wurden, bauten dabei auf eine konsequente Fortsetzung von Arbeiten auf, die von den Verbundpartnern FBH, RUB und TU-KL im Rahmen des Forscherverbundes Femto-Diode durchgeführt wurden. Weiterhin haben die Diodenlaser den immensen Vorteil, dass mit ihnen nur durch Modifikation der elektrischen Ansteuerung auch lange Pulse mit einstellbarer Dauer von einigen 100ps bis zu vielen ns erzeugt werden können. In diesem Bereich der ns-laser standen Hybridsysteme mit diodenbasiertem Master-Oszillator und Faser-Power-Amplifier (sog. DL-MOFPA), teilweise sogar mit Kristall-Endverstärkern und Frequenzkonversion, zu Beginn des Vorhabens im Fokus der internationalen Forschungsarbeiten. Technologisch führende Laserfirmen und Forschungs-institute haben 2008 auf Konferenzen über erste Laborergebnisse berichtet, und das erhebliche Potenzial dieser Laser aufgezeigt. [1,2]. Ebenfalls untersucht wurden Systeme mit DPSS-Microchip Oszillatoren [3,4], die jedoch nicht die Möglichkeit zur Kontrolle von Pulsdauer und Wiederholrate bieten. [1] Tandem photonic amplifier employing a pulsed master oscillator fiber power amplifier with programmable temporal pulse shape capability, Brian W. Baird, et al. (ESI, INO), Proceedings of SPIE Vol [2] Hybrid fiber MOPA-bulk amplifier system for frequency conversion, Andrei N. Staro-doumov, et al. (Coherent, Inc.) Proceedings of SPIE Vol [3] Power scaling of fiber based amplifiers seeded by microchip lasers Jean-Philippe Feve (JDSU), Proceedings of SPIE Vol [4] 1.33 MW peak power, 60ps, 50-kHz repetition-rate pulsed microchip laser fiber amplifier system, D. Nodop, J. Limpert, A. Tünnermann, FSU Jena, Proc. of SPIE Vol (16) Schlussbericht Verbundvorhaben INDILAS, Laufzeit /2013

5 4 Erzielte Ergebnisse In diesem Vorhaben wurden laserfunktionelle Strukturen direkt in die Halbleitermaterialien eingebracht, so dass komplexe Systeme wie Mehrsektions-Diodenlaser, Trapezverstärker oder monolithische Modulatoren auf kleinstem Raum entstanden. Diese wurden als Bausteine mit integrierten Komponenten wie laseraktiven Fasern und Kristallen kombiniert, um sehr kompakte und kostengünstige Laserstrahlquellen für ultrakurze Pulse zu verwirklichen. Das Konzept des erforschten Ultrakurzpulssystems zeigt schematisch die folgende Abbildung 2. Abbildung 2: Schema des hybridintegrierten Laser-Moduls und der nachgeschalteten Hochleistungs-Laserverstärker 4.1 Teilprojekt I: Ferdinand-Braun-Institut (FBH): InGaAs Diodenlaserkomponenten für Ultrakurzpuls-Diodenlaser, schnelle Modulatoren und Hochleistungsverstärker In diesem Teilprojekt erforschte das FBH die Halbleiterkomponenten, die für die Arbeiten der Verbundpartner benötigt werden. Für die passive Modenkopplung wurden Oszillatorstrukturen untersucht und bereitgestellt, die aus zwei, drei, vier oder vielen Sektionen aufgebaut waren. Durch separate Ansteuerung der Sektionen konnte eine Vielzahl von Lasereigenschaften realisiert und erforscht werden. Neben diesen Diodenlasern, die für Resonatoren mit externer Rückkopplung geeignet sind, wurden auch 1 m lange Diodenlaser für Folgefrequenzen von ca. 4,3GHz zur Untersuchung der Modenkopplung ohne externen Resonator realisiert. Abbildung 3 gibt eine Übersicht der erforschten Diodenlaser Parallel wurden Halbleiter-Komponenten erforscht und realisiert, die eine Modulation der Oszillatorimpulse von der Einzelimpuls-Auswahl bis zu Wiederholraten von 50MHz ermöglichten. Integraler Bestandteil dieser Modulatoren war die erforderliche schnelle elektrische Ansteuerung. Dazu wurden HF-Schalttransistoren realisiert, die z.b. für Pulspicker- Anwendungen eine Torbreite ~200ps bei maximalen Strömen von 0,5A erreichten (Gateweite von 1x8x125 µm). Die Schalttransistoren für Verstärker mit einer Gateweite von 5x8x500 µm erreichten bei einer Impulsbreite <2ns Stromstärken bis max. 20A. Die ebenfalls am FBH erforschten Diodenlaser-Verstärker wurden in Trapezgeometrie mit räumlichem Eingangsmodenfilter ausgeführt. Eine besondere Zielstellung für den Verstärker war es, den aktiven Bereich für die Impulsverstärkung zu optimieren. 5 (16) Schlussbericht Verbundvorhaben INDILAS, Laufzeit /2013

6 Abbildung 3: Übersicht der vom FBH realisierten Laserbauelemente zur Modenkopplung Aus den am FBH realisierten Laserbauelementen zur Modenkopplung wurden im Lauf des Vorhabens 215 konfektionierte Laser aufgebaut und an die Projektpartner ausgeliefert. Weiterhin wurde die Kombination von Laserbauelementen, Elektronik und Verstärker sehr erfolgreich untersucht. Abbildung 4 zeigt die hybride Integration von Oszillator, Pulspicker, Mikrooptiken und HF-Elektronik auf einer Mikrobank. Mit diesem Modul wurden Pulsbreiten <10ps mit einer Energie von 600pJ vom Einzelschuss bis zu Folgefrequenzen von 50 MHz erreicht. Im Vorhaben erfolgte eine Lieferung von 11 Modulen an die Projektpartner. Abbildung 4: hybride Integration von Oszillator, Pulspicker, Mikrooptiken und HF-Elektronik auf einer Mikrobank 6 (16) Schlussbericht Verbundvorhaben INDILAS, Laufzeit /2013

7 4.2 Teilprojekt II: TU und Photonik-Zentrum Kaiserslautern (im UA der Lumera Laser GmbH): Konzipierung und Realisierung eines ps/fs-masteroszillator-verstärker-systems (MOPA) bei der Wellenlänge 1064 nm Das Ziel dieser Arbeiten war die Erforschung eines ps/fs-mopa-systems, das die Anforderungen zur Anwendung in Ultrakurzpulsstrahlquellen der Lumera Laser GmbH erfüllt. Zu diesen Anwendungen gehören bevorzugt die Präzisions-Mikromaterialbearbeitung von Metallen, Halbleitern und Keramiken sowie die Medizintechnik. Zur Erprobung wurde zum frühestmöglichen Zeitpunkt von der TU Kaiserslautern ein Labormuster zur Verfügung gestellt, das nach dem damaligen Stand der Technik einen elektrooptischen Modulator aus Lithiumniobat verwendete. Im Photonik-Zentrum wurde dieses System durch einen vom FBH im Vorhaben entwickelten Halbleiter-Modulator erheblich verbessert und zusätzlich mit Faservorverstärkern ausgestattet. In dieser universellen Konfiguration wurde das System vom PZKL als Funktionsmuster zur Erfüllung des Halbzeitmeilensteins aufgebaut und zum Jahresbeginn 2011 an die Lumera Laser GmbH ausgeliefert. Es wurde als Impulsquelle für die Verstärkeruntersuchungen in Teilprojekt V verwendet. Dieses System ist in Abbildung 5 dargestellt und vereint drei Betriebsarten: ns-impulsen wurden durch Modulation eines cwstrahls erzeugt, ps-impulse mit über ps Dauer durch Gainswitching und Impulsdauern <10ps durch Modenkopplung. Der Faserverstärker erlaubt mittlere Leistungen bis zu 200mW bei Wiederholraten von 0,1MHz bis 1GHz. Die maximal erzeugte Impulsenergie ist 1µJ. Abbildung 5: Laboraufbau der variablen Diodenlaser Impulsquelle, mit der Laserpulse von wenigen ps bis ns erzeugt werden können Um mit Hilfe von CPA deutlich kürzere Impulse aus den in Teilprojekt V untersuchten Verstärkern erzeugen zu können, wurden im PZKL auch fs-diodenlaser erforscht. Eine optimale Kombination für ein 1-GHz-MOPA-System ist in Abbildung 6 dargestellt. Die beste Kombination besteht aus TQW-Oszillator, TQW-Vorverstärker und DQW-Trapez-verstärker (TA). Diese Kombination erzeugte eine mittlere Leistung von bis zu 0,9W nach dem TA mit sehr wenig ASE. Spektrum und Phase der Strahlung wurde mit der Methode des Frequency Resolved Optical Gating (FROG) gemessen. Die kürzeste Impulsdauer betrug 342fs (bei 0,67W) nach Kompression mit einem Gitterpaar. Die Pulsrekonstruktion zeigte eine leichte Asymmetrie und Nebenmaxima im Abstand von +/500fs, die aus nicht-kompensierten Phasenanteilen dritter und vierter Ordnung stammen. Bei konstanter Phase wären symmetrische Pulse mit einer Dauer von nur 226fs möglich. 7 (16) Schlussbericht Verbundvorhaben INDILAS, Laufzeit /2013

8 Oszillator: TQW, 800 µm / 100 µm Igain = 172 ma Uabs = 7,0 V Vorverstärker: TQW, 1000 mm I = 200 ma Pin = 2,18 mw Pout = 20,0 mw Trapezverstärker: DQW RW: 2000 µm, 300 ma Trapez: 4000 µm, 6 A Pin = 15 mw Pout = 657 mw Absorber- Spannung (DC) Zweisektionsdiode Bias T HF DC Gain-Sektion externer Resonator optischer Isolator Bias T HF Modulator TA-Strom (DC) DC optischer Isolator Gitterkompressor komprimierter Puls norm. spektrale Intensität 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Wellenlänge [nm] OSZ PA TA KOMP norm. spektrale zeitl. Intensität Phase [rad] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Messung Phase=0 0, ,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Zeit [ps] FWHM = 342 fs FWHM = 226 fs zeitliche Phase [rad] Abbildung 6: Prinzipskizze der Diodenlaser-fs-Impulsquelle(oben). FROG Messung von Spektrum und Phase (links) sowie Rekonstruktion des komprimierten Pulses (rechts). 4.3 Teilprojekt III: Universität Bochum: Konzipierung und Realisierung eines fs-mopa-systems bei der Wellenlänge 850 nm Der Lehrstuhl Photonik und Terahertztechnologie erforschte ein Labormuster als Basis für ein robustes und kompaktes Hochleistungs-Kurzpulsdiodenlasersystem (Footprint 300mm x 300mm), das mit einer zentralen Wellenlänge von 850nm zukünftig komplexere Titan-Saphir- Laser in wichtigen Anwendungsfeldern ersetzen könnte. Die Arbeiten wurden in enger Kooperation mit der Firma Sacher Lasertechnik, dem Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik und der Firma Eagleyard Photonics durchgeführt. Das erforschte System bestand wie in Abbildung 7 dargestellt aus drei Komponenten: einem hybrid modengekoppelten Diodenlaser als Oszillator, einem getaperten Halbleiterverstärker zur Verstärkung der Ausgangsleistung sowie einem Pulskompressor zur Chirpkompensation der generierten Pulse. Mit diesem in System wurde eine Pulsenergie >2nJ bei einer Repetitionsrate von 300kHz bis 600MHz erreicht. Die Pulsdauer war <200fs, das resultiert in einer Spitzenleistung >5kW. Mit diesem Versuchsaufbau wurden Anwendungsstudien zur Zweiphotonenmikroskopie, zur optischen Kohärenztomographie, und zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung durchgeführt. In Abbildung 8 ist auf dem linken Bild der kompakte Versuchsaufbau mit einem konventionellen Ti:Saphir-Femtosekundenlaser im Hintergrund dargestellt. 8 (16) Schlussbericht Verbundvorhaben INDILAS, Laufzeit /2013

9 Abbildung 7: Laboraufbau des kompaktes Hochleistungs-Kurzpulsdiodenlasersystem der Uni Bochum mit einer Wellenlänge von 850nm und Pulsdauer <200fs. Die Laserstrahlung aus diesem Aufbau hatte ein Pulsdauer von <300fs mit einer spektralen Breite von 5,5nm. Damit wurden kurze THz-Impulse mit den Daten in den rechts abgebildeten Diagrammen erzeugt. Die erzielten Ergebnisse wurden u.a. in den Zeitschriften Optics Express und Electronics Letters veröffentlicht. Abbildung 8: Kompakte fs-strahlquelle (links), sowie zeitliche und spektrale Messungen der damit erzeugten Laser- und THz-Strahlung (rechts) 4.4 Teilprojekt IV: Eagleyard Photonics: HLV Halbleiter Laser Verstärker im fasergekoppelten Package mit gepulster Ansteuerung Die Firma Eagleyard Photonics erarbeitete im Rahmen des Vorhabens die quasi monolithische Integration von Halbleiterlasern und Komponenten. Dabei wurden erstmalig getaperte Laserdioden in ein hermetisch dichtes Package eingebracht. Mehrere Iterationen mit steigender Komplexität der Module führten zu einem kompakten Basismodul mit variabel erweiterbarer Funktionalität. Es ermöglichte eine Impedanz angepasste Ansteuerung von bis zu 3 Lasersegmenten im CW und/oder Pulsbetrieb. Das Modul bestand aus einer Cu- Grundplatte mit einer Größe von 70x50mm², auf der eine Mehrlagen-Leiterplatte mit Hochstrom-Steckkontakt, HF-Steckkontakt und Strom-Monitor, sowie ein abgeschlossenes Gehäuse mit Laserfenster oder Faserdurchführung untergebracht waren. Das Gehäuse 9 (16) Schlussbericht Verbundvorhaben INDILAS, Laufzeit /2013

10 enthielt Raum für integrierte elektronische Bauelemente, verschiedene Mehrsegment-Laser auf strukturiertem Submount, und eine Mikro-optische Bank für Linsenmontage und Faserkopplung, so wie in Abbildung 9 dargestellt. Abbildung 9: Laboraufbau der variablen Diodenlaser Impulsquelle, mit der Laserpulse von wenigen ps bis ns erzeugt werden können In diesem Modul wurde ein beidseitig fasergekoppelter Tapered mit Pulsansteuerung realisiert. Die Pulse aus dem Diodenlaseroszillator wurden über eine Einkoppelfaser (SM-PM) mit FC/APC-Stecker eingebracht. Die Ausgangsleistung aus dem Mehrsegment-Halbleiter-Verstärker auf strukturiertem Submount mit Hilfe von Mikrolinsen zur Strahlformung und Faserkopplung in die SM-PM-Auskoppelfaser eingebracht, die in cleaved end oder mit FC/APC-Stecker ausgeführt werden kann. Mit diesem Modul wurde bei einer mittleren Seedleistung von 40mW eine Spitzenleistung aus der Faser von 1,75W erreicht. Die Pulsdauer betrug 32ns bei einer Wiederholrate von 500kHz und einem Pumpstrom von 19A. 4.5 Teilprojekt V: Lumera Laser GmbH: Integration des quasi-monolithischen Lasermoduls mit anwendungstauglichen Hochleistungs-Laserverstärkern In diesem Teilvorhaben wurden Diodenlaser-Impulsquellen sowie Faserlaser- und Festkörperlaser-Verstärker untersucht, die einen extrem großen Parameterbereich abdecken. Die Pulsenergie der Laser reicht über neun Größenordnungen von 1pJ bis 100µJ, im Bereich langer Impulse mit Festkörperlasern sogar bis >5mJ. Die Repetitionsrate variiert über sechs Größenordnungen von 10kHz bis 4GHz. Als dritte Dimension kommt die Impulsdauer dazu, die von <400fs bis >500ns variiert wurde. Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Wellenlänge, die vom Infrarot bis ins Ultraviolett reicht (insbesondere wurden Systeme bei 1342nm, 1064nm, 532nm, und 355nm untersucht), sowie die zeitliche Struktur der Impulse, die von Einzelpuls mit formbaren Flanken bis zur Impulsgruppe ( Burst ) reicht. Die Variationen der Systeme sind in Abbildung 10 dargestellt. Die in den verschiedenen Grüntönen eingezeichneten Felder repräsentieren einige in diesem Teilvorhaben erforschte Systeme, die gepulste Diodenlaser als Impulsquellen ( seeder ) verwenden. Die beiden gelben Felder zeigen die Bereiche, die durch zusätzliche Verstärkung in sog. Rod-Type Fasern erreicht wurde. Das blaue Feld ist ein Bereich, der am besten von modengekoppelten Festkörperlasern abgedeckt wird, da diese dort die beste Effizienz erreichen. Alle drei 10 (16) Schlussbericht Verbundvorhaben INDILAS, Laufzeit /2013

11 Bereiche werden durch die Frequenzkonversion in den ultravioletten Spektralbereich für technische Anwendungen im höchsten Maße interessant. Abbildung 10: Klassifizierung der untersuchten Lasersysteme nach Impulsenergie und Repetitionsrate. Die Darstellung deckt einen Bereich von 9 x 6 Größenordnungen ab Beispielsweise wurden Rod-Type Faserverstärker (RTF) mit Längen von 55cm und 80cm und einem Modenfelddurchmesser von 85µm erforscht, mit dem Ziel, durch unterschiedliche Diodenlaser-Oszillatoren als Impulsquellen einen möglichst weiten Parameterbereich mit Ultrakurzpuls-Strahlquellen für Mikrobearbeitung und Messtechnik zu erschließen. Ein modengekoppelter Diodenlaser mit Trapez-Vorverstärker (TA) lieferte Pulse mit einer Dauer von 8ps bei einer Wiederholrate von 1GHz (Leistung 405mW aus SM-Faser) und wurde in einer 55cm langen RTF auf eine max. Leistung von 12W verstärkt. Diodenlaser mit Gainswitching und zweistufigen Faservorverstärker erzeugten Pulse mit einer Dauer von 80 bis 300ps bei einer Wiederholrate von 10MHz (Seedleistung 130mW) und wurden in einer 80cm langen RTF auf eine max. Leistung von 12W verstärkt. Durch kontinuierlich betriebene Diodenlaser mit externem Modulator konnte der gleiche Leistungsbereich (9-13W) mit einstellbaren Pulsdauern von 400ps bis 10ns bei einstellbaren Wiederholraten von 1-10MHz erreicht werden. In Versuchen zur Skalierung der Ausgangsleistung wurde mit einem modengekoppelten Festkörperlaser als Seeder eine verstärkte Ausgang-leistung von 34W mit einer Seedleistung von 4,5W erreicht. Abbildung 11 zeigt die Strahlparameter (unten) bei 34W Ausgangsleistung aus der 80cm langen Rod Type Fiber (rechts im Querschnitt). Das räumliche Profil der verstärkten Strahlung war sehr stabil und hatte eine gute Qualität mit M² < 1,15 und guten Werten für Astigmatismus (0,09) und Asymmetrie (1,01). Zum Vergleich der Verstärkereigenschaften wurden Diodenlaser auch in einem regenerativen Festkörperlaser-Verstärker (RGA aus Nd:YVO 4 ) verstärkt, dabei wurden bei vergleichbarer Pumpleistung deutlich höhere Ausgangsleistungen und größere Impulsenergien erreicht. Der Diodenlaser lieferte Impulse mit einer Dauer von 65ps und einer Energie von 10pJ. Im RGA wurde die mittlere Leistung von 30µW auf > 46W verstärkt. Die max. Pulsenergie betrug bis zu 180µJ. Der regenerative Verstärker erzeugt eine hohe Leistung über einen großen Frequenzbereich (150 bis 830kHz). 11 (16) Schlussbericht Verbundvorhaben INDILAS, Laufzeit /2013

12 Abbildung 11: Strahlparameter bei 34 W Leistung aus einem 80cm Rod Type Fiber-Verstärker Diese Arbeiten wurden weitergeführt mit einer cw-dfb-diode als Impulsquelle, aus deren kontinuierlichen Strahlung mit einem schnellen Halbleiter-Modulator Impulse mit einer einstellbaren Dauer von ps ausgeschnitten wurden. Diese Pulse wurden in einem TA-Vorverstärker und dem RGA zu einer mittleren Leistung von 47W bei kHz verstärkt. Eine ausführliche Darstellung der Ergebnisse ist in den beiden angefügten Veröffentlichungen von Florian Harth et al. zu finden. Durch Frequenzverdopplung dieses Lasers wurde 532nm-Laserstrahlung mit einer Energie von 200µJ bei einer Frequenz von 100kHz und abstimmbarer Pulsdauer von ps demonstriert. In einem weiteren Arbeitspaket wurde UV-Strahlung mit hoher mittlerer Leistung erzeugt. Als ideale Strahlquelle wurde nach Vergleich der bisher erzielten Ergebnisse dafür ein ps- Festkörperlaser ausgewählt. Der ps-laser ist ein MOPA-System mit hybrid modengekoppeltem Oszillator (SAM und pklm) und Verstärker, das bei einer Pumpleistung von 2x 888nm eine Ausgangsleistung von 66W erzeugt. Die Impulsdauer ist 15ps bei einer Wiederholrate von 80MHz. (Weitere Einzelheiten in der beigefügten Veröffentlichung von C. Schäfer, et al. In Optics Letters). Im ersten Schritt wurde durch Frequenzverdopplung (SHG) in einem 20mm langen LBO Kristall (NCPM theta=90, phi=0 ) eine Ausgangsleistung von Pout = 37.5W bei 532nm mit einer Konversionseffizienz von 57% erreicht. Die grüne Laserstrahlung hatte eine ausgezeichnete Strahlqualität mit M²=1.02. Die Frequenzverdreifachung (THG) zur Erzeugung hoher Leistung bei einer Wellenlänge von 355nm erfolgte mit einem 16mm langen LBO Kristall (CPM Typ II) unter Verwendung eines 10mm langen BBO Kompensators, der die physikalischen Störgrößen Walk-off und Gruppengeschwindigkeitsdispersion in den LBO Kristallen ausgleicht. Im LBO THG-Kristall wurde eine UV-Ausgangsleistung von 22W erreicht. Der UV Laser hatte eine sehr gute Strahlqualität mit M²=1.16 (Abbildung 12). Mit dieser Leistung wurden die Ziele des Vorhabens mit sehr gutem Erfolg erreicht. 355nm 1064nm 10mm BBO Kompensator 20mm LBO NCPM 532nm 16mm LBO CPM 2f 2f 80MHz MOPA E=0.82μJ, pulsewidth 15ps Abbildung 12: Prinzip (links) und Strahlqualität (rechts) beim Experiment zur Frequenzkonversion von ps Impulsen zur Erzeugung von UV-Strahlung (355nm). 12 (16) Schlussbericht Verbundvorhaben INDILAS, Laufzeit /2013

13 Zur Bewertung von Diodenlaser basierten Systemen im Vergleich zu Festkörperlasern wurden die besonderen Vorteile erforscht, die eine Anregung mit 888nm für Nd:YVO 4 -Laser mit Emission bei den Wellenlängen 1,06µm und 1,34µm bieten. Dazu wurden Laser mit kontinuierlichem Betrieb (cw), Güteschaltung (q-switch) und Modenkopplung demonstriert, sowie deren Frequenzkonversion erforscht. Die Ergebnisse werden im Folgenden kurz zusammengefasst. Eine ausführliche Beschreibung ist in den zwei angefügten Veröffentlichungen von F. Lenhardt, et al. zu finden. Ein cw-laser erreichte eine Rekordausgangsleistung von 24W bei sehr guter Strahlqualität und konnte mittels externer Frequenzverdopplung in einem MgO:ppLN Kristall eine Ausgangsleistung von fast 10W bei 671nm erzeugen. Ein Laser mit kurzem Resonator und AOM-Güteschaltung erzeugte eine Leistung von >20W (1342nm) über einen Puls-Repetitionsraten Bereich von PRR = kHz. Die Pulsdauer betrug ns. Frequenzkonversion zu roter Strahlung (671nm) erfolgte in einem 15mm Bismutborat-Kristall (BiBO, Z-cut) für einen PRR Bereich von 10 30kHz. Die maximale Leistung betrug > 12W, die max. Pulsenergie fast 1mJ. Weiterhin wurde gemeinsam mit dem PZKL die Modenkopplung der Laser mit kaskadiertem Chi²-Prozess ( parametrische Kerr-Linse pklm) erforscht. Leistung und Impulsdauer des Lasers waren über eine variable Auskopplung (Viertelwellenplatte und Polarisator TFP) einstellbar zwischen 2W und 6W. Die kürzesten Pulse wurden mit einer Dauer von 4ps gemessen, die spektrale Bandbreite dieser Pulse betrug 107GHz. 4.6 Teilprojekt VI Sacher Lasertechnik GmbH: Entwicklung und Optimierung von MOPA Systemen für wissenschaftlich-technische Anwendungen Das Ziel der Sacher Lasertechnik GmbH war die Demonstration eines monolithischen Moduls mit Laserdiode und externem Resonator im Wellenlängenbereich von 850nm. Direkte Kooperationspartner von Sacher Lasertechnik GmbH waren das Ferdinand-Braun- Institut für Höchstfrequenztechnik, die Ruhr-Universität Bochum sowie die Firma Eagleyard Photonics GmbH. Die geplanten Anwendungen dieses Lasers liegen insbesondere in der Bearbeitung von weichen und biologischen Materialien (Entfernung von Tätowierungen, Schleimhautablation), sowie der Bearbeitung von Kunststoffen. Die Besonderheit des Systems bestand in der Synchronisation von Laserdioden-Oszillator und Trapez-Verstärker über eine gemeinsame System-Clock. Dadurch konnten die Strompulse für den Verstärker zeitgleich mit den fs-lichtimpulsen des hybridmodengekoppelten Master-Laser-Oszillators erzeugt werden, so dass der Trapezverstärker gleichzeitig als Pulspicker funktionierte. Das Schema des Lasers ist in Abbildung 13 dargestellt. Es konnten fs-impulse mit einer einstellbaren Wiederholrate von 0,5 100MHz erzeugt werden. Der Trapez-Verstärker wurde mit Strompulsen bis 35A und 6ns angesteuert und erzeugte Spitzenleistungen bis zu 6W. 13 (16) Schlussbericht Verbundvorhaben INDILAS, Laufzeit /2013

14 Abbildung 13: Schema des synchronisierten Moduls aus Laserdioden-Oszillator und Trapez- Verstärker, das von der Sacher Lasertechnik GmbH erforscht wurde. 5 Ergebnisse und deren Verwertbarkeit Die Erzeugung ultrakurzer Laserpulse mit Diodenlasern wurde in diesem Vorhaben sehr umfassend und erfolgreich erforscht. Die Hybride Integration der Systeme gewährleistet einen geringeren materiellen Aufwand und eine hohe Stabilität der Laser. Die geringe Leistung der Diodenlaser-Impulsquellen stellt höhere Anforderungen an die Verstärkersysteme, die jedoch durch Kombinationen von Dioden-, Faser- und Kristalltechnologie durchaus erfüllbar sind. Trotz erheblicher technischer Schwierigkeiten und Unzulänglichkeiten von zugelieferten Komponenten wurden alle Vorhabenziele mit sehr gutem Erfolg erreicht. Durch den hoch engagierten Einsatz der Mitarbeiter und die kooperative Zusammenarbeit der Partner konnten Verspätungen klein gehalten werden und Probleme, die in der Planung des Vorhabens noch nicht erkennbar waren, sehr zufriedenstellend gelöst werden. Im Ergebnis haben die F. u. E.-Arbeiten, die im Rahmen dieses Vorhabens durchgeführt wurden, die Grundlage für eine neue Generation von gepulsten Hochleistungs-Laser- Strahlquellen demonstriert, die für eine Vielzahl von wirtschaftlich bedeutenden Anwendungsgebieten besondere Vorteile bieten. Insbesondere wurden die Bereiche und Kombinationen identifiziert, mit denen wir als Unternehmen in der UKP Technologie zukünftig konkurrenzfähig sein können. Das FBH und die Fa. Eagleyard sind weltweit führende Hersteller, die internationale Laserfirmen mit speziellen Diodenlaser-Komponenten für mehrere Mio. Euro pro Jahr beliefern. Diodenlaser, die kurze und ultrakurze Pulse erzeugen, stellen davon einen signifikanten Anteil, der mit den im Vorhaben erforschten Technologien in den nächsten Jahren deutlich steigen wird und ein Volumen von >2Mio. pro Jahr einnehmen kann. Die von der Ruhr-Universität Bochum und der Sacher Lasertechnik GmbH erforschten kompakten fs-laser konkurrieren mit kompakten Ti:Saphir-Lasern in der Messtechnik und Diagnostik (z.b. Fluoreszenzmikroskopie). Diese Ti:Saphir-Laser haben ein jährliches Marktvolumen von >100Mio.. Gelingt es den fs-diodenlasern nur 10% dieses Marktes in den nächsten zwei bis drei Jahren zu gewinnen, wird das einen Jahresumsatz >10Mio. generieren. 14 (16) Schlussbericht Verbundvorhaben INDILAS, Laufzeit /2013

15 In den von der LUMERA LASER GmbH und dem Photonik-Zentrum Kaiserslautern erforschten Lasern für die Mikromaterialbearbeitung werden dioden- und faserbasierte UKP- Schlüsselkomponenten als Frontend in den nächsten Jahren eine große Rolle spielen. Eine der wichtigsten UKP-Laser-Baureihen, die derzeit in Kaiserslautern etabliert wird, verwendet solche Elemente, die innerhalb des COHERENT Unternehmensverbundes erzeugt werden. Diese sollen erheblich zur Kostensenkung und Zuverlässigkeit dieser Systeme beitragen. Mit dieser UKP Baureihe wird in den Jahren ab 2014 ein Umsatz von 5 bis 7 Mio. EUR pro Jahr erwartet. 6 Fortschritte auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen Während es im Bereich der UKP Faserlaser und Verstärker erhebliche Aktivitäten sowohl in der Wissenschaft, als auch in der Realisierung kommerzieller Systeme gibt, genießen die in diesem Vorhaben erforschten Diodenlaser in edge-emitter Geometrie weltweit Alleinstellungsmerkmale und bilden den derzeitigen Stand der Technik ab. Den Autoren sind keine anderen relevanten Veröffentlichungen aus diesem Bereich bekannt. Andere Forschungsgruppen, wie z.b. CREOL in den USA die früher in diesem Bereich eine wichtige Rolle hatten, fokussierten sich in den letzten Jahren stärker auf Untersuchungen von Grundlagen wie Frequenzkämme oder Diodenlaser mit stark verstimmten Pulsen [5]. Im Bereich der UKP-Diodenlaser tendierte die Forschung in den letzten Jahren stark zu optisch gepumpten Halbleiterlasern mit vertikalen Emittern (VECSEL), die im Gegensatz zu den im Vorhaben untersuchten Strukturen üblicherweise konventionelle externe Resonatoren mit makroskopischen Aufbauten erfordern, und bisher nicht hybrid integriert werden können. Führende Forschungsgruppen sind das Max-Born Institut, Berlin, die ETH Zürich und die University Southampton [6-8] [5] P. J. Delfyett, D. Mandridis, M. Piracha, D. Nguyen, "Chirped pulse laser sources and applications Progress in Quantum Electronics, 36(4 6), pp , (2012) (Invited) [6] Peter Klopp, Uwe Griebner, Martin Zorn, Andreas Klehr, Armin Liero, Markus Weyers Modelocked InGaAs-AlGaAs disk laser generating sub-200-fs pulses, pulse picking and amplification by a tapered diode amplifier Optics Express, vol. 17, no. 13, (2009) [7] Keith G. Wilcox, Adrian H. Quarterman, Harvey Beere, David A. Ritchie, Anne C. Tropper, High Peak Power Femtosecond Pulse Passively Mode-Locked Vertical-External-Cavity Surface- Emitting Laser IEEE Photonics Technology Letters vol. 22, no. 14, pp (2010) [8] Martin Hoffmann, Oliver D. Sieber, Deran J. H. C. Maas, Valentin J. Wittwer, Matthias Golling, Thomas Südmeyer, Ursula Keller Experimental verification of soliton-like pulse-shaping mechanisms in passively mode-locked VECSELs Optics Express, vol. 18, no. 10, (2010) Auf der Konferenz Photonics West wurden im Januar 2011 eine Reihe von Forschungsergebnissen veröffentlicht [9-12], welche die Stärken und Schwächen von Faserlaserverstärkern für die verschiedenen Pulsparameterbereiche zeigten. Mit der Kombination unserer Arbeiten und diesen Veröffentlichungen konnte das Potenzial der Faserverstärker für die Materialbearbeitung mit ps-lasern auf sinnvolle Bereiche eingegrenzt werden. [9] SPIE : Material micromachining using bursts of high repetition rate picosecond pulses from a fiber laser source, Alain Cournoyer, et al. INO (Canada). [10] SPIE : Arbitrarily-shaped bursts of picosecond pulses from a fiber laser source for highthroughput applications, Louis Desbiens, et al. INO (Canada). [11] SPIE : All-fiber based amplification of 40 ps pulses from a gain-switched laser diode, Sebastian Kanzelmeyer, et al., Laser Zentrum Hannover e.v. (Germany) [12] SPIE : Sub-10 picosecond pulses from a fiber-amplified and optically compressed passively Q-Switched microchip laser, A. Steinmetz, et al., Friedrich-Schiller-Univ. Jena (Germany). 15 (16) Schlussbericht Verbundvorhaben INDILAS, Laufzeit /2013

16 7 Veröffentlichungen der Ergebnisse Die wissenschaftlichen Ergebnisse dieses Vorhabens wurden umfänglich auf Konferenzen und in Zeitschriftenartikeln veröffentlicht; im Folgenden sind die wichtigsten 10 Publikationen aufgeführt [13-22]: [13],H. Wenzel, S. Schwertfeger, A. Klehr, D. Jedrzejczyk, T. Hoffmann, G. Erbert High peak power optical pulses generated with a monolithic master-oscillator power amplifier, Optics Letters, vol. 37, no. 11, (2012) [14] A. Klehr ; A. Liero ; T. Hoffmann ; S. Schwertfeger ; H. Wenzel ; G. Erbert ; W. Heinrich ; G. Tränkle Compact ps-pulse laser source with free adjustable repetition rate and nj pulse energy on microbench, Proc. SPIE 7953 (February 16, 2011); [15] A. Klehr, A. Liero, T. Hoffmann, J. Schulz, S. Schwertfeger, H. Wenzel, G. Erbert, W. Heinrich, G. Tränkle, Micro bench for optical pulse picking from 4 GHz pulse trains generated by mode locking of DBR lasers : Electronics System-Integration Technology Conference - ESTC (2010) [16] Jan C. Balzer, Tobias Schlauch, Th. Hoffmann, A. Klehr, G. Erbert, Martin R. Hofmann Modelocked semiconductor laser system with pulse picking for variable repetition rate Electron. Lett. 8 Vol 47 p.1387 (2011) [17] Tobias Schlauch, Jan C. Balzer, Andreas Klehr, Götz Erbert, Günther Tränkle, and Martin R. Hofmann Femtosecond passively modelocked diode laser with intracavity dispersion management Optics Express, Vol. 18, Issue 23, pp (2010) [18] Markus Lührmann, et al. High average power Nd:YVO 4 regenerative amplifier seeded by a gain switched diode laser, Proc. SPIE 7912, Solid State Lasers XX: Technology and Devices, (February 15, 2011); doi: / [19] F. Harth, et al High power laser pulses with voltage controlled durations of ps, OPTICS EXPRESS Vol. 20, No. 7 / pp 700 (2012), [20] C. Schäfer, C. Fries, C. Theobald, and J. A. L'huillier, "Parametric Kerr lens mode-locked, 888nm pumped Nd:YVO 4 laser," Opt. Lett. 36, (2011) [21] F. Lenhardt, et al. 888nm pumped 1342nm Nd:YVO 4 oscillator Kerr-lens mode-locked using cascaded second-order nonlinearities, Appl. Phys. B: Vol. 106, Nr 1, 5-8, (2012) [22] F. Lenhardt, et al. Efficient Single-Pass Second Harmonic Generation of a Continuous Wave Nd:YVO 4 - Laser at 1342 nm Using MgO:PPLN, Conf on Lasers and Electrooptics CLEO 2010 Erfindungen oder Schutzrechte wurden im Rahmen des Vorhabens nicht angemeldet. 16 (16) Schlussbericht Verbundvorhaben INDILAS, Laufzeit /2013