Verbundprojekt BIVMIFF

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1 Verbundprojekt BIVMIFF Neue Bonding- und IntegrationsVerfahren für einen gütegeschalteten Pikosekunden-Mikrochiplaser mit Integriertem Faserverstärker und HochleistungsFrequenzkonversion Verbundpartner: 1) BATOP GmbH Wildenbruchstr Jena 2) Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) Institut für Angewandte Physik Albert-Einstein-Straße Jena 3) InnoLight GmbH Garbsener Landstr Hannover Koordinator: Dr. Peer Burdack BIVMIFF Schlussbericht Seite 1 von 10

2 1 Zusammenfassung Ziel des Verbundprojektes war die Erarbeitung eines innovativen faser-optisch verstärkten Mikrochiplasers (MCL) und dessen Frequenzkonversion in den sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich. Zur Güteschaltung des Microchiplasers diente ein sättigbarer Halbleiterspiegel (SAM), der monolithisch mit dem Lasermaterial verbunden wurde. Eine dadurch realisierte kurze Resonatorlänge ermöglichte Pulsdauern im 100 ps Bereich und Pulswiederholraten von ~200 khz bis wenige MHz. Eine anschließende faseroptische Verstärkung erzeugte eine mittlere Leistung von 40 W im IR. Die hohen Pulsspitzenleistungen ermöglichten eine Frequenzkonversion ohne harte Fokussierung mit Leistungen von 23.7 W bei 532 nm bzw. 9.5 W bei 355 nm. Erstmalig konnte ein neuartiges, kompaktes und robustes Laserkonzept zur Erzeugung von Pikosekunden Pulsdauern demonstriert werden. 2 Zielsetzung Die Laserquellen mit Pulsdauern von sub-200 ps bei hohen Repetitionsraten und hohen Durchschnittsleistungen sind vom großen Interesse für industrielle Anwendungen wie z.b. die Photovoltaik, Glasbearbeitung und Mikromaterialbearbeitung. Zusätzlich zu herausragenden Laserparametern besteht auch der ökonomische Bedarf einer relativ kostengünstigen Hochleistungsstrahlquelle. Im Rahmen des BIVMIFF Projekts sollten grundlegende Konzepte für faser-optisch verstärkte Mikrochiplaser und deren Frequenzkonversion in den sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich untersucht werden. Die Kombination von Mikrochiplaser- und Faserlasertechnologie stellt einen viel versprechenden und innovativen Ansatz dar, um grundlegend neue Laserkenndaten im nahinfraroten zu realisieren, welche sich hervorragend zur Konversion zu sichtbarer und kurzwelliger Laserstrahlung eignen. Gesamtziel war es einen Mikrochiplaser mit bisher nicht verfügbaren Parametern als Pulslaserquelle für einen Faserverstärker mit anschließenden monolithischen kaskadierten Frequenzkonversionsstufen zu entwickeln. Schlüsselelemente des Vorhabens waren passiv gütegeschaltete monolithische Mikrochiplaser (MCL), die durch neue resonatorinterne Aufbau- und Verbindungstechnik sowie durch eine Anpassung und Optimierung des sättigbaren Halbleiterspiegels neuartige Leistungskenndaten hervorbringen. Angestrebt waren 100 ps Pulsdauern im transversalen und longitudinalen Grundmode-Betrieb bei Pulsspitzenleistungen von bereits mehreren 10 kw und gleichzeitig hohen Pulsfolgefrequenzen im 100 khz bis 1 MHz Bereich. Durch eine zusätzliche faseroptische Verstärkung wurden Pulsenergien von >100 µj, mittlere IR Leistungen von >50 W und Pulsspitzenleistungen im Megawatt-Bereich angestrebt. BIVMIFF Schlussbericht Seite 2 von 10

3 Die Pulsspitzenleistungen des faserverstärkten Mikrochiplasers erlaubten die Untersuchung neuer Konzepte der Frequenzkonversion in den sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich. Durch den Verzicht auf eine harte Fokussierung in die nichtlinearen Kristalle eröffnen sich innovative Ansätze einer monolithischen kaskadierten Frequenzkonversion, welche durch eine hohe Stabilität, kompakte Bauweise und Justagefreiheit gekennzeichnet ist. Angestrebt wurde die Erzeugung hochenergetischer und hochrepetierender Laserpulse mit mittleren Leistungen von circa 25 W bei 532 nm und 10 W bei 355 nm. 3 Aufgaben und Ergebnisse 3.1 Projektplanung Die beteiligten Projektpartner waren mit folgenden Teilvorhaben vertreten: Titel Firma / Institut Abkürzung Entwicklung eines sättigbaren Absorberspiegels zur passiven Güteschaltung eines Mikrochiplasers sowie der zugehörigen Montagetechnologie Faserbasierte Verstärkung von Pikosekunden Mikrochip-Lasern Hochleistungsfrequenzkonversion faserverstärkten Mikrochiplasers eines BATOP GmbH Friedrich-Schiller-Universität Jena, Institut für Angewandte Physik InnoLight innovative Laserund Systemtechnik GmbH BATOP IAP InnoLight Arbeits- und Netzplan BATOP Erforschung und Realisierung des sättigbaren Absorbers InnoLight Bondingverfahren, Ansteuerung IAP Passiv gütegeschalteter Mikrochiplaser (MCL) IAP Faseroptische Verstärkung des MCLs InnoLight Frequenzkonversion, Charakterisierung des Gesamtsystems Im ersten Schritt wurden Konzepte für die Herstellung sättigbarer Absorberspiegel (SAM) erarbeitet. In einem iterativen Prozess wurden verschiedene SAM-Designs prozessiert und getestet. Hierfür wurde ein spezieller Messplatz aufgebaut. Parallel dazu erfolgte die Erarbeitung geeigneter Bondingverfahren für optische Komponenten (BATOP und InnoLight), die für den MCL und für kompakte und justagefreie Frequenzkonversionseinheiten eingesetzt wurden. BIVMIFF Schlussbericht Seite 3 von 10

4 Das IAP hat die vormontierten SAMs charakterisiert und damit verschiedene MCLs aufgebaut und vermessen. Anschließend erfolgte eine faseroptische Verstärkung eines MCLs. InnoLight hat in einem weiteren Schritt eine maßgeschneiderte Frequenzkonversion erarbeitet und vollzogen. Die verschiedenen Teilaufgaben mündeten schließlich in einem Gesamtsystem, dass für Langzeittests eingesetzt wurde. 3.2 Mikrochip-Laser Ein Ziel war die Entwicklung eines passiv gütegeschalteten und monolithischen Pikosekunden Mikrochip-Lasers hoher Repetitionsrate. Bei der passiven Güteschaltung wird ein sättigbarer Absorber in den Resonator eingefügt, welcher eine Relaxationszeit haben sollte, die etwas länger ist als die Pulsdauer des Lasers. Andernfalls würde eine mehrfache Aussättigung des SAMs während eines Pulses erfolgen, was wegen der unvermeidlichen nicht-sättigbaren Verluste in der Absorberschicht zu einer erhöhten Wärmeproduktion in der Absorberschicht und entsprechend verminderter Effizienz des Mikrochiplasers führt. Die Abbildung 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des entwickelten Mikrochiplasers mit einem SAM als passiven Güteschalter. Zur Trennung des emittierten Laserlichts bei 1064 nm vom Pumplicht mit einer Wellenlänge von 808 nm wird ein dichroitischer Spiegel eingesetzt, der transmissiv für 808 nm und reflektiv für 1064 nm ist. Das emittierte Laserlicht ist entsprechend der Lage der Achse des Laserkristalls linear polarisiert. Abb. 1: Prinzipskizze des Mikrochiplasers mit einem SAM zur passiven Güteschaltung. Bei der Herstellung von Halbleiterspiegeln für Microchiplaser sind unerwünschte Versetzungen innerhalb des Materials zu vermeiden, um eine möglichst lange Relaxationszeit zu erreichen. Das beste Ergebnis lieferte ein Schichtdesign mit einer InGaAs-Gradientenschicht mit variablem In-Gehalt zwischen der GaAs-Unterlage und der InGaAs-Absorberschicht. Das entsprechende Schichtdesign ist in der Abbildung 2 schematisch dargestellt. BIVMIFF Schlussbericht Seite 4 von 10

5 Absorberschicht Gradientenschicht Bragg-Spiegel GaAs-Substrat Abb. 2: Schematische Darstellung des Schichtaufbaus eines SAMs. Mit diesem Design wurde eine Relaxationszeit des SAMs von 124 ps erzielt. Das dynamische Verhalten ist in Abb. 3 dargestellt. Abb. 3: Dynamisches Verhalten eines SAMs mit dem Schichtaufbau nach Abb. 2. Um eine kurze Resonatorlänge und somit eine kurze Pulsdauer des Mikrochiplasers zu erreichen, wurde ein Nd:YVO 4 Laserkristall mit einer Dicke von wenigen 100 µm direkt auf den sättigbaren Absorberspiegel gebonded. Um die Problematik des instabilen Luftspaltes zu umgehen, wurde ein Bondingverfahren auf der Basis von Spin-on-Glass (SOG) erarbeitet, das den sättigbaren Absorberspiegel mit dem Laserkristall und dem Auskoppelspiegel verbindet. Der Spin-on-Glass Kleber besitzt hervorragende optische und physikalische Eigenschaften und eignet sich daher für die Wahl als Fügemittel für aktive Laserkavitäten. Abbildung 4 zeigt die fertigen Mikrochips, die auf eine Wärmesenke mit 12,7 mm Durchmesser geklebt wurden. Durch die geeignete Wahl der Kristalllänge und der effektiven Modulationstiefe lässt sich die gewünschte Pulsdauer einstellen. BIVMIFF Schlussbericht Seite 5 von 10

6 Abb. 4: Monolithische Mikrochips auf einer Wärmesenke. Die monolithisch hergestellten Mikrochiplaser wurden auf ihre Lasereigenschaften untersucht, dabei wurde die Ausgangsleistung, Pulswiederholrate und Pulsdauer charakterisiert und die Einmodigkeit überprüft. Je nach Wahl der Laserkomponenten konnten verschiedene Ausgangsparameter des Lasers erreicht werden. Die Ausgangsleistung war proportional zur Pumpleistung und lag typischerweise im Bereich von 5 bis 150 mw bei mw Pumpleistung. In der Abbildung 5 ist die Ausgangsleistung gegen die Pulswiederholrate dargestellt und die Steigung der jeweiligen Messlinie ist ein Maß für die Pulsenergie. Die Pulsdauern variierten je nach Satz der Parameter der Laserquelle. Abb. 5: Ausgangsleistung gegen die Pulswiederholrate verschiedener Mikrochiplaser. 3.3 Faserverstärkung des Mikrochiplasers und Frequenzkonversion Obwohl die Mikrochiplaser kurze Pulse mit moderaten Pulsenergien produzieren und für manche Anwendungen diese bereits ausreichend sind, bedarf es trotzdem für viele Anwendungen Energien im Bereich von mehreren zehn Mikrojoule um eine effektive Bearbeitung zu erreichen. In der letzten Zeit haben sich die faserbasierten Verstärker als konkurrenzfähige und leistungsstarke Systeme auf dem Markt etabliert. Die optischen Fasern bringen viele Vorteile mit sich wie z.b. hohe Verstärkung, hohe mittlere Leistung, beugungsbegrenzte Strahlqualität und sind einfach und justagefrei in der Handhabung. BIVMIFF Schlussbericht Seite 6 von 10

7 Für die Mikrochiplaserpulse mit ca.100 ps Dauer, 1 MHz Repetitionsrate und bei 60 mw mittlere Leistung wurde ein zwei Stufen Faserverstärkersystem entworfen und realisiert, welches danach für eine Frequenzvervielfachung verwendet wurde. Die Konfiguration der beiden Faserverstärker ist in der sogenannten Counter- Propagating -Ausführung ausgelegt um die parasitäre Einflüsse der ASE (amplified spontaneous emission) und SRS (stimulated Raman scattering) zu reduzieren. Das Verstärkersystem erreichte Leistungen von über 40 W bei 1064 nm und wurde in der weiteren Kooperationsarbeit zwischen Verbundpartnern IAP und InnoLight in ein Experimentiersystem zur Frequenzerzeugung integriert (Abb. 6). Die Abbildung 7 zeigt die Ausgangsparameter der Hauptverstärkerstufe. Dabei ist das Spektrum über einen Bereich von 120 nm und bei maximaler Ausgangsleistung aufgenommen und weist keine parasitären Spektralkomponenten außer der Signallinie bei 1064 nm mit einer Bandbreite von ~0.6 nm. Abb.6: Schematischer Aufbau des faserverstärkten Mikrochiplasers mit anschließender Frequenzkonversion. Abb.7: Ausgangsleistung gegen die Pulswiederholrate verschiedener Mikrochiplaser. Die Frequenzkonversionsmodule für die Erzeugung der 2. und 3. Harmonischen wurden von InnoLight entwickelt. Die Experimente wurden in Kooperation mit dem IAP durchgeführt (Abb. 8 und 9). BIVMIFF Schlussbericht Seite 7 von 10

8 SHG Abb.8: Frequenzkonversion der zweiten Harmonischen THG SHG Abb.9: Frequenzkonversion der dritten Harmonischen mittels Summenfrequenzmischung Die Verdopplungsstufe erreichte wie in Abb. 10 zu sehen eine Leistung von bis zu 23.7 W bei 532 nm und eine Konversionseffizienz bis zu 62.6 %. In der Frequenzverdreifachungsstufe wurde eine Leistung von 9.5 W bei 355 nm und einer Konversionseffizienz von bis zu 23.8 % erzeugt (Abb. 11). Dies entspricht einer Pulsenergie von ~24 µj und ~10 µj für den grünen und ultraviolettem Licht bei Pulsdauern von kürzer als 100 ps und 1 MHz Pulswiederholrate. Das System zeigt das Potential eines faserverstärkten Mikrochiplasers und dessen Attraktivität für die Mikromaterialbearbeitung. BIVMIFF Schlussbericht Seite 8 von 10

9 SHG power / W IR power / W Efficiency Abb.10: Mittlere Leistung und Konversionseffizienz der zweiten Harmonischen bei 532 nm THG Leistung / W Effizienz IR Leistung / Watt Abb.11: Mittlere Leistung und Konversionseffizienz der dritten Harmonischen bei 355 nm. Im Hinblick auf eine Verwertbarkeit und industrielle Nutzung wurden verschieden aufgebaute Frequenzkonversionsmodule hinsichtlich ihrer Haltbarkeit und Lebensdauer untersucht. Ein wesentlicher Bestandteil war dabei die Untersuchung der limitierenden Faktoren. Für die Langzeittests der Frequenzkonversion wurde der infrarote Laserstrahl in Teilstrahlen aufgespalten, um gleichzeitig verschiedene Frequenzkonversionsmodule zu charakterisieren. Durch eine entsprechende Konditionierung der eingesetzten Kristalle wurde eine verbesserte Qualität der optischen Beschichtung erzielt. Zum Projektende wurden bei den realisierten Frequenzkonversionsmodulen Laufzeiten zwischen 400 und 2000 h erreicht ohne kritische Änderung der Laserleistung bzw. des Strahlprofils BIVMIFF Schlussbericht Seite 9 von 10

10 4 Ausblick Faserverstärkte Mikrochiplaser (MCL MOFA) Systeme bieten aufgrund ihrer sehr kurzen Pulsdauern im 100 ps Bereich und hohen Pulswiederholraten >500 khz große Vorteile für viele Anwendungen insbesondere für die präzise Mikromaterialbearbeitung bei sehr hoher Prozessgeschwindigkeit. Diese Anwendungen wurden bisher meist durch kostenintensive und komplexe Systeme auf der Basis der Modenkopplung bedient. Die Realisierung eines MCL MOFAs repräsentiert ein einfaches, kompaktes und robustes System mit geringer Empfindlichkeit gegenüber Industrieumgebung. Der in BIVMIFF erstmalig erarbeitete und demonstrierte Ansatz eines MCL MOFAs bedarf keiner zusätzlichen Modulatoren und/oder vieler Verstärkerstufen und ermöglicht somit eine konkurrenzlos einfache Implementierung. Mit einem weiterentwickelten Verstärkersystem können problemlos Durchschnittsleistungen jenseits 100 W (IR) im gepulsten Betrieb erzeugt werden. Die hohen Pulsspitzenleistungen erlauben einfache Aufbauten für die Frequenzkonversion ohne Verwendung zusätzlicher Fokussieroptiken. Die beteiligten Industriepartner streben nach einer weiteren Entwicklungsphase einen Ausbau ihrer Produktportfolios an. BATOP wird SAMs mit langen Relaxationszeiten für das Güteschalten auf den Markt bringen und perspektivisch auch MCLs anbieten. InnoLight wird seinen Bereich der industriellen Mikrolaser und Verstärker ausbauen, um neue Absatzmöglichkeiten zu erschließen. 5 Anhang Die erreichten Ergebnisse der Teilvorhaben wurden in folgenden Veröffentlichungen dargestellt: 1. Steinmetz, D. Nodop, J. Limpert, R. Hohmuth, W. Richter, M. Guina and A. Tünnermann, 200 ps, 2 MHz monolithic passively Q-switched microchip laser with a significantly reduced timing jitter, SPIE PW 2010, Paper Steinmetz, D. Nodop, J. Limpert, R. Hohmuth, W. Richter, M. Guina and A. Tünnermann, Reduction of timing jitter in a passively Q-switched microchip laser using self-injection seeding, OSA ASSP 2010, AMC4 3. A. Steinmetz, D. Nodop, A. Martin, J. Limpert, and A. Tünnermann, Reduction of timing jitter in passively Q-switched microchip lasers using self-injection seeding, Opt. Lett. 35, (2010). 4. A. Steinmetz, D. Nodop, G. Sommerer, A. Wissel, S. Spiekermann, I. Freitag, J. Limpert and A. Tünnermann 2nd and 3rd harmonic generation from a fiberamplified, high-repetition rate passively Q-switched microchip laser, SPIE PW 2011, Paper BIVMIFF Schlussbericht Seite 10 von 10