Effiziente Hochleistungs-Diodenlaser

Wissenschaftler des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) haben leistungsstarke, hocheffiziente Distributed Feedback (DFB)-Laser mit einer Wellen­länge von 976 Nanometern entwickelt.

Die optische Leistung konnte dabei mit 11 Watt aus einem 90 Mikrometer breiten Streifen gegenüber den leistungsstärksten bisher verfügbaren DFB-Lasern mehr als verdoppelt werden. Entscheidend ist, dass die Laser zugleich eine hohe Konversionseffizienz besitzen: Der Anteil an elektrischer Energie, der in Licht umgewandelt wird, beträgt bis zu 58 Prozent.

„Durch die Kombination von hoher Leistung und hoher Effizienz erschließen sich für die DFB-Laser neue Anwendungsgebiete, wie das Pumpen von Faser- und Festkörperlasern oder die Materialbearbeitung“, sagt Dr. Paul Crump vom FBH. „Kommerziell verfügbare DFB-Diodenlaser, die als Pumplaser eingesetzt werden, erreichen bislang nur kleine Leistungen von bis zu 4 Watt.“

DFB-Laser unterscheiden sich von einfachen Diodenlasern dadurch, dass in ihrem Wellenleiter ein Gitter integriert ist, das den Brechungsindex periodisch moduliert. Breitet sich Licht in einem solchen Wellenleiter aus, entsteht durch wellenlängenabhängige Rückkopplung eine scharfe Spektrallinie. Die Hochleistungs-DFB-Laser besitzen deshalb ein schmales Spektrum mit einer Breite von weniger als einem Nanometer, dessen Wellenlänge sich nur wenig mit der Temperatur verändert. Herkömmliche Diodenlaser dagegen haben ein breites Spektrum, welches sich nur aufwändig mit Hilfe eines externen Gitters auf einen schmalen Spektralbereich stabilisieren lässt. DFB-Diodenlaser, bei denen hohe Leistungen normalerweise schwer zu erreichen sind, sind deshalb eine preiswerte und weniger störanfällige Alternative für anspruchsvolle Anwendungen.

Fortschritte durch Optimierungen bei Design und Herstellung

Der entscheidende Fortschritt gelang den Wissenschaftlern durch ein optimiertes Design der Halbleiterschichtstrukturen und einen verbesserten Prozess zur Herstellung des integrierten Gitters. Der Einbau eines solchen Gitters führt normalerweise zu deutlich erhöhten Verlusten und höheren elektrischen Betriebsspannungen des Diodenlasers. Beide Effekte, die die Leistung und Konversionseffizienz verringern, konnten auf ein Minimum reduziert werden. Bei der Entwicklung legten die Wissenschaftler auch Wert auf einen geringen Divergenzwinkel der Laserstrahlung (

Durch Optimierung von Design und Herstellungsmethoden, haben die FBH-Wissen­schaftler eine neue Klasse von leistungsstarken, effizienten Laserdioden mit geringer Spektralbreite entwickelt. Dadurch wird ein Engpass im Bereich der Lasersysteme beseitigt – hohe optische Leistung wird jetzt gleichzeitig mit einem geringen Divergenzwinkel und schmalen Spektrum generiert. Externe optische Elemente werden dazu nicht benötigt, weshalb Kosteneinsparungen und Systemverbesserungen in der Anwendung zu erwarten sind.

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Petra Immerz
Communications & Marketing Manager

Ferdinand-Braun-Institut
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Hintergrundinformationen

Das FBH
Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) ist eines der weltweit führenden Institute für anwendungsorientierte und industrienahe Forschung in der Mikrowellentechnik und Opto­elektronik. Es erforscht elektronische und optische Komponenten, Module und Systeme auf der Basis von Verbindungshalbleitern. Diese sind Schlüsselbausteine für Innovationen in den gesell­schaftlichen Bedarfsfeldern Kommunikation, Energie, Gesundheit und Mobilität. Leistungsstarke und hochbrillante Diodenlaser, UV-Leuchtdioden und hybride Lasersysteme entwickelt das Institut vom sichtbaren bis zum ultravioletten Spektralbereich. Die Anwendungsfelder reichen von der Medizin­technik, Präzisionsmesstechnik und Sensorik bis hin zur optischen Satelliten­kommu­nikation. In der Mikrowellentechnik realisiert das FBH hocheffiziente, multifunktionale Verstärker und Schaltungen, unter anderem für energieeffiziente Mobilfunksysteme und Komponenten zur Erhöhung der Kfz-Fahrsicherheit. Kompakte atmosphärische Mikrowellenplasmaquellen mit Nieder­spannungsversorgung entwickelt es für medizinische Anwendungen, etwa zur Behandlung von Hauterkrankungen. Die enge Zusammen­arbeit des FBH mit Industriepartnern und Forschungs­einrichtungen garantiert die schnelle Umsetzung der Ergebnisse in praktische Anwendungen. Das Institut beschäftigt 240 Mitarbeiter und hat einen Etat von 20 Millionen Euro. Es gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB) und ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.