STRAHLQUELLEN

48 LTJ September 2008 Nr. 4 © 2008 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Grundlagen der Faserkopplung von DiodenlasernUnterschiedliche Konzepte im Überblick

JÜRGEN WOLFDr. rer. nat. Jürgen Wolf ist Projektleiter im Be-reich Aufbau- und Ver-bindungstechnik der Entwicklungsabteilung der JENOPTIK Laser-diode GmbH. Davor gehörte er seit 2000 dem Entwicklungsteam der unique-m.o.d.e. AG an, welche in 2007 in die Jenoptik La-serdiode integriert wurde. Er studierte Phy-sik an der Karl-Marx-Universität Leipzig und promovierte später an der Friedrich Schiller-Universität in Jena.

DIE AUTOREN

EKKEHARD WERNERDr. rer. nat. Ekkehard Werner ist Gruppenleiter des Bereichs Faserkopp-lungen in der Entwick-lungsabteilung und seit 2003 bei der Jenop-tik Laserdiode. Er studierte Physik an der TU Chemnitz und der Universität Bayreuth und promovierte an der Friedrich-Schiller-Uni-versität Jena.

●●JENOPTIK Laserdiode GmbH

Göschwitzer Str. 2907745 Jena, Deutschland

Tel: +49 3641 65-4300E-Mail: jold@jenoptik.com

Website: www.jold.com

Hochleistungsdiodenlaser werden als Einzelemitter, Laserbarren und Stacks hergestellt. Die Anwendungen, wie zum Beispiel das Pumpen von Faserlasern, er-fordern oft eine hohe Strahlqualität, die sich durch Einkopplung des Laserlichts in eine Faser erreichen lässt. In diesem Bei-trag werden unterschiedliche Konzepte für Faserkopplungen dieser Lasertypen vorgestellt. Die Palette der darauf basie-renden Produkte umfasst Faserdurch-messer von 50 bis 600 µm und Ausgangs-leistungen bis zu 600 Watt.

Hochleistungsdiodenlaser werden aus dem Halb leitermaterial GaAs gefertigt und emit -tie ren im Spektralbereich von 700 bis 1100 nm. Ein Laserbarren besteht aus mehreren, beispielsweise 19 Einzelemittern, die auf einem Chip nebeneinander in einem be-stimm ten Abstand, zumeist 500 µm ange-ordnet sind. Zur Abfuhr der entstehenden Wärme werden die Laserbarren auf eine Wärmesenke aus Kupfer montiert. Ein Stack wiederum ist aus mehreren übereinander gestapelten Wärmesenken aufgebaut. Wäh-rend mit einzelnen Emittern Leistungen zwi-schen 10 und 15 Watt erreicht werden, kön-nen Barren optische Leistungen zwischen 50 und mehreren hundert Watt liefern. Stacks werden bei Leistungen bis in den kW-Bereich eingesetzt.

Strahlqualität von Diodenlasern

Die Qualität eines Laserstrahls kann mit dem Strahlparameterprodukt (SPP, engl. BPP) be-schrieben werden. Das Strahlparameterpro-dukt ist proportional zur Taille und zum Di-vergenzwinkel des emittierten Laserstrahls. Je kleiner das Strahlparameterprodukt ist, desto besser ist die Qualität des Strahls und umso kleiner kann der Faserdurchmesser bei der Einkopplung in eine Lichtleitfaser ge-wählt werden.

Die abstrahlende Fläche eines Emitters ist

ca. 1 µm hoch und nahezu grundmodig in dieser Richtung. Da der Strahldurchmesser in dieser Richtung schnell mit dem Abstand von der Austrittsfacette größer wird, bezeichnet man diese Achse auch als „Fast Axis“. Der volle Divergenzwinkel des Strahls in der Fast-Axis liegt im Bereich von 30 bis 60°.

Die Breite der emittierenden Fläche eines

Emitters ist durch die Strukturierung des Halbleitermaterials vorgegeben und beträgt in typischen Bauelementen 50 bis 400 µm. In dieser Richtung schwingen mehrere La-sermoden gleichzeitig. Der volle Divergen-zwinkel des Strahls ist aber deutlich geringer und liegt zwischen 8 und 12° in dieser Rich-tung, die deshalb als „Slow Axis“ bezeichnet wird (Abb. 1).

Aus der Emitterdimension und der Diver-genz lässt sich das Strahlparameterprodukt für jede Achse berechnen. In Fast-Axis-Rich-tung ergibt sich ein Strahlparameterpro-dukt von weniger als 1 mm⋅mrad und in Slow-Axis-Richtung für einzelne Emitter ab 5 mm⋅mrad und bis zu 500 mm⋅mrad für einen gesamten Barren. Das Strahlparame-terprodukt ist also stark asymmetrisch, die Asymmetrie ist für Laserbarren noch stärker ausgeprägt als für Einzelemitter.

Für die Faserkopplung von Diodenlasern in eine symmetrische Faser mit einem Kern-durchmesser von 50 bis 600 µm ist diese Asymmetrie störend. Speziell bei Laserbar-ren mit einem extrem asymmetrischen Strahlparameterprodukt von bis zu

Fast Axis

Slow Axis

ABBILDUNG 1: Illustration der Emission eines Diodenlasers. In Fast-Axis-Richtung ergibt sich ein Strahlparameterprodukt von weniger als 1 mm⋅mrad und in Slow-Axis-Richtung für einzelne Emitter ab 5 mm⋅mrad und bis zu 500 mm⋅mrad für einen gesamten Barren. Das Strahlpara-meterprodukt ist also stark asymmetrisch.

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1 : 500 mm · mrad ist eine Strahlumfor-mung zur Symmetrisierung des Strahlpara-meterproduktes fast immer erforderlich. Einzelemitter können zur Erzielung höchster Strahlqualität ebenfalls symmetrisiert wer-den oder aber ohne Symmetrisierung mit einem ungünstigeren Strahlparameterpro-dukt in Slow-Axis-Richtung unter Verlust von Strahlqualität fasergekoppelt werden.

Bei Stacks ist im Allgemeinen auch eine Strahlumformung erforderlich, obwohl durch das Stapeln der Barren das Strahlparameter-produkt etwas weniger asymmetrisch ist.

Neben dem Faserkerndurchmesser wird die Strahlqualität einer Faser durch die nu-merische Apertur (NA) bestimmt. Diese drückt die von der Lichtleitfaser akzeptierte bzw. emittierte Divergenz aus.

Für eine NA von 0,22 darf bei Kerndurch-messern von 50 bis 600 µm das Strahlpa-

rameterprodukt beim Eintritt in die Faser 5 mm · mrad bis 66 mm · mrad in keiner Richtung überschreiten.

Strahlumformung

Strahlformung für Diodenlaserbarren

Für die Faserkopplung von Diodenlaserbar-ren gibt es verschiedene Möglichkeiten, den Strahl umzuformen, um ein symmetrisches Strahlparameterprodukt zu erreichen. In der Regel wird dabei zunächst der Strahl in der Slow-Axis in mehrere Teilstrahlen aufge-teilt. Mit geeigneten Optiken werden diese Teilstrahlen dann so umgeordnet, dass sich ein symmetrisches Strahlparameterprodukt ergibt.

Ein Prinzip der Faserkopplung ist die Strahlumformung mittels Treppenspiegel [1]. Der Treppenspiegel besteht aus zwei

identischen Bauteilen, die übereinander gelegt werden und jeweils aus mehreren, in Strahlrichtung treppenförmig versetzten und um 45° geneigten Spiegelelementen bestehen. Beim Auftreffen des Strahls auf die unteren Spiegelelemente wird der Strahl in mehrere Teile geteilt, die gleichzeitig nach oben abgelenkt werden (Abb. 2). Beim Auf-treffen der Teilstrahlen auf die oberen Spie-gelelemente werden diese wiederum abge-lenkt und dabei gleichzeitig um 90° gekippt. Damit liegt die Fast-Axis der Teilstrahlen in horizontaler und die Slow-Axis in vertikaler Richtung. Das Strahlparameterprodukt des gesamten Barrens hat sich also z. B bei einer 5-fach Teilung in Slow-Axis-Richtung um den Faktor 5 reduziert und in Fast-Axis-Rich-tung um den Faktor 5 erhöht, wodurch es insgesamt symmetrischer geworden ist.

Mit diesem Prinzip können solide und zuverlässige Faserkopplungen für Faser-durchmesser von 200 bis 600 µm aufgebaut werden. Durch den Einsatz von monoli-thisch gefrästen Treppenspiegeln ist der Ju-stageaufwand gering. Die Ausgangsleistung kann durch geometrische Kopplung, Pola-risationskopplung oder Wellenlängenkopp-lung im Bereich von mehreren hundert Watt skaliert werden. In Abbildung 3 ist eines der Produkte der Jenoptik Laserdiode zu sehen, bei dem die Faserkopplung mittels Treppen-spiegel und Polkopplung zweier konduktiv gekühlter Diodenlaser realisiert wird.

Bei dieser Strahlumordnung wird prin-zipiell ein Strahl umgeformt, dessen Slow-Axis-Taille der Breite des Barrens entspricht. Da bei der Berechnung der Strahlqualität zusätzlich zur Breite der Emitter auch die Breite der nicht strahlenden Zonen zwischen den Emittern eingeht, wird die resultierende Strahlqualität reduziert und daher kann mit dieser Faserkopplung nicht die maximale Brillanz erreicht werden.

Eine alternative Möglichkeit ist die Fa-serkopplung mittels Redirektor. Bei diesem Prinzip werden die Strahlen der Emitter se-parat umgeordnet, sodass das resultierende Strahlparameterprodukt in Slow-Axis-Rich-tung deutlich geringer ist, da für die Strahl-taille in dieser Achse nur die Summe der ein-zelnen Emitterbreiten eingeht. Damit kann für die Faserkopplung eine höhere Brillanz erreicht werden.

Zunächst erfolgt eine vertikale Separation der Emitter durch das Schrägstellen der Fast-Axis-Kollimationslinse. Die Strahlen werden dabei so aufgefächert, dass das Licht jedes Emitters auf eine separate Spiegelfläche des Redirektors trifft. Die Spiegelflächen sind jeweils zueinander um einen festen Winkel-

JENOPTIK Laserdiode GmbHJena

Die Jenoptik Laserdiode ist der anerkannte Spezialist für die Entwicklung, die Pro-duktion und den weltweiten Vertrieb von Hochleistungsdiodenlasern mit effizienter Strahlformung und Faserkopplung. Die se neuartigen Laser bieten einen hohen Wir-kungsgrad aus sehr kleinem Volumen. Sie dienen vor allem als Anregungsquelle für Festkörper- und Faserlaser sowie als di-rekte Strahlquelle in der Medizintechnik und Materialbearbeitung und zählen we-gen ihrer Einsatzpotenziale in der Industrie zu den zukunftsträchtigsten Laserarten überhaupt.

Das Unternehmen hat in den letzten 15 Jahren den Weg vom Anbieter für Pro-dukte der Laserforschung hin zum erfolg-reichen Serienprodukt beschritten und den industriellen Einsatz dieser effizienten Laserart maßgeblich mit vorangetrieben. Heute ist die Jenoptik Laserdiode Quali-tätsführer in der Herstellung industrieller Hochleistungsdiodenlaser mit langer Le-bensdauer und höchster Zuverlässigkeit. Das Unternehmen in der Jenoptik-Sparte Laser & Materialbearbeitung beschäftigt heute ca. 100 Mitarbeiter.

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DIE FIRMA

ABBILDUNG 2: Vereinfachte schematische Darstellung der Strahlumordnung mit-tels Treppenspiegel, wobei der Justage-aufwand gering bleibt. Mit diesem Prinzip können solide und zuverlässige Faserkopplungen für Faserdurchmesser von 200 bis 600 µm aufgebaut werden.

ABBILDUNG 3: Der JOLD-140-CPXF-2P von Jenoptik liefert 140 W optische Ausgangs-leitung aus 600 µm Faserdurch messer. Die Faserkopplungen wird mittels Treppen-spiegel und Polkopplung zweier konduktiv gekühlter Diodenlaser realisiert.

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betrag verkippt, sodass die Teilstrahlen in Slow-Axis-Richtung abgelenkt und zu einem symmetrischen Ausgangsstrahl kombiniert werden können (Abb. 4). Alternativ kann der Redirektor auch als transmittives Bau-element ausgeführt sein. Dann werden die Teilstrahlen beim Durchgang jeweils unter einem anderen Winkel in Slow-Axis-Rich-tung gebrochen.

Mit diesem Prinzip können kompakte und brillante Faserkopplungen für Faser-durchmesser von 50 bis 400 µm aufgebaut werden, ein Beispiel zeigt Abbildung 5 mit dem JOLD-30-FC-12.

Strahlformung für Einzelemitter

Faserkopplungen mit geringerer Ausgangslei-stung werden kostengünstig mit Einzelemit-tern aufgebaut. Die Einkopplung der Strah-lung eines Einzelemitters kann im einfachsten Fall mittels einer Abbildung auf die Endfläche einer Lichtleitfaser erfolgen, was eine hohe Koppeleffizienz ermöglicht. Allerdings ist die Strahlqualität begrenzt (Abb. 6).

Für eine höhere Strahlqualität, d. h. kleinerer Faserdurchmesser bzw. kleinere nu-merische Apertur, ist eine Strahlumformung erforderlich. Hierbei wird die Strahlung des Emitters analog zur Strahlumformung von Laserbarren durch eine schräggestellte FAC-Linse aufgefächert. Am Redirektor erfolgt ebenso eine vertikale Separation von in die-sem Fall einzelnen Bereichen des Emitters.

Da der Emitter auf der gesamten Breite

ABBILDUNG 4: Vereinfachte schema-tische Darstellung der Faserkopplung mit Redirektor, wobei die Strahlen der Emitter separat umgeordnet werden. Das resul-tierende Strahlparameterprodukt in Slow-Axis-Richtung ist deutlich geringer, da für die Strahltaille in dieser Achse nur die Summe der einzelnen Emitterbreiten ein-geht. Damit wird für die Faserkopplung eine höhere Brillanz erreicht.

ABBILDUNG 5: Mittels Redirektor las-sen sich kompakte und brillante Faser-kopplungen erzeugen. Ein Produktbeispiel ist JOLD-30-FC-12 mit 30 W optischer Ausgangsleistung aus 200 µm Faser-durchmesser.

abstrahlt, sind die separierten Bereiche, zu-meist 3 bis 7, nur durch das optische Design festgelegt und nicht, wie bei Barren, durch die Emitterstruktur.

In den fasergekoppelten Einzelemittern der Jenoptik Laserdiode wird ein transmit-tiver Redirektor eingesetzt [2]. Für höhere Ausgangsleistungen können außerdem zwei Laser polarisationsgekoppelt werden. Dieses Prinzip der Faserkopplung und Po-larisationskopplung kommt beispielsweise im JOLD-7.5-BAFC-105 mit 7,5 W optischer Ausgangsleistung aus einer 50 µm Faser zum Einsatz (Abb. 7). Beispielhafte Anwen-dungen sind die Mikromaterialbearbeitung, die Messtechnik und das Pumpen von Fest-körper- und Faserlasern, wofür eine Wellen-längenstabilisierung angeboten wird

Ein weiteres Prinzip der Faserkopplung von Einzelemittern ist die direkte Einkopplung der Laserstrahlung in die Lichtleitfaser (Abb. 8). Die Emitterbreite ist etwas kleiner als der Faserkerndurchmesser. Üblich sind Systeme mit 105 µm Kerndurchmesser der Lichtleit-faser und einer Emitterbreite der Laserdiode zwischen 90 und 100 µm. Als optisches Ele-ment wird eine Linse mit hyperbolischem Querschnitt direkt am Eintrittsende einer Lichtleitfaser durch Anschleifen oder durch Laserablation hergestellt. Diese Kopplung ist besonders effizient. Die praktisch erreichbare optische Kopplungseffizienz liegt zwischen 80 und 92 Prozent. Theoretisch sind bis zu 95 Prozent möglich, da nur drei optische Grenz-flächen – nämlich Laserfacette, Fasereintritts-fläche und Faseraustrittsfläche – vorhanden sind. Die Strahlqualität ist vergleichbar mit dem abbildenden System (siehe oben). Eine Polarisationskopplung von zwei Lasern oder die Integration zusätzlicher Komponenten beispielsweise für medizinische Anwen-dungen ist in diesem Fall nicht möglich.

Fazit

Die verschiedenen Prinzipien der Faserkopp-lungen sind auf die entsprechenden Anwen-dungen in der Praxis zugeschnitten. Dabei bestimmt die Anwendung die Leistung und die Strahlqualität (Brightness). Die Wahl der Faserkopplungstechnologie optimiert dann das Preis-/Leistungsverhältnis (EUR/W).

Die Vielfalt der bei JENOPTIK Laserdiode GmbH verfügbaren Faserkopplungstechno-logien gewährleistet so ein optimales Ko-sten-Nutzen-Verhältnis.

[1] Patentiert von FhG-ILT Aachen[2] Patentiert von unique-m.o.d.e. AG

ABBILDUNG 6: Strahlformungstechno-logien für Einzelemitter: Wenn man das Strahlparameterprodukt symmetri-siert, ist eine Einkopplung in kleinere Faserdurchmesser möglich (unten) als im Falle ohne Strahlformung (oben).

ABBILDUNG 7: Das Prinzip der Faser-kopplung und Polarisationskopplung kommt im JOLD-7.5-BAFC-105 zum Einsatz. Das Ergebnis sind 7,5 W optische Ausgangsleistung aus 50 µm Faserdurch-messer.

ABBILDUNG 8: Kopplung eines Einzel-emitters in eine angeschliffene Faser. Die praktisch erreichbare optische Kopplungs-effizienz liegt zwischen 80 und 92 Prozent und ist damit besonders effizient.