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Aachen, 3. Januar 2018. Premiere auf der SPIE Photonics West: Mikrooptiken für Hochleistungs-Diodenlaser

Neues Kollimationsmodul für Single-Mode-Diodenbarren macht Brightness und Strahlqualität nutzbar. Beidseitig strukturierte, monolithische Mikrooptiken erschließen den Herstellern von Diodenlasern neue Märkte.

Auf der „Photonics West 2018“ stellt INGENERIC erstmals das neue Mikrooptik-Modul „C-SMDB“ vor, das das Unternehmen für die Kollimation von Single-Mode-Diodenbarren entwickelt hat. Mit ihm kann die bessere Brightness der Laser ausgenutzt werden – so eröffnet es den Herstellern der Laser neue Anwendungsfelder.

Single-Mode Barren können aufgrund der hohen Anzahl von Einzelemittern eine hohe Leistung erzielen. Darüber hinaus ist die Strahlqualität der Einzelemitter im Vergleich zu Breitstreifenemittern besser, da jeder Emitter grundmodig Licht emittiert. Um diese Vorteile nutzen zu können, muss ein Optikmodul das Lichtbündel jedes einzelnen Emitters separat kollimieren. Aufgrund der dichten Anordnung der Emitter werden kompakte Mikrooptiken mit feinsten Strukturen benötigt. Das neue Kollimationsmodul ermöglicht es, die hohe Leistung der Single-Mode-Diodenbarren optimal zu nutzen und erlaubt das Erschließen neuer Anwendungen.

Das neue monolithische Zylinderlinsen-Array „C-SMDB“ von INGENERIC für Single-Mode-Barren erzielt aufgrund der Fertigung mit dem Präzisions-Blankpress-Verfahren eine besonders hohe Güte der Kollimation. Das Array wirkt doppelseitig: Die Eintrittsseite kollimiert die Slow-Axis, die Austrittsseite die Fast-Axis des emittierten Lichtes.

An die Fertigungsgenauigkeit der Mikrooptiken werden erheblich höhere Anforderungen gestellt als es bei den Optiken für Dioden mit Breitstreifenemittern der Fall ist. Der Pitch zwischen den einzelnen Linsenelementen auf der Slow-Axis-Seite zum Beispiel muss extrem genau eingehalten werden: Für 200 Elemente muss der Pitch im Mittel jeweils kleiner als 5 Nanometer sein. Auch die Mittendicke soll idealerweise im Bereich von +/- zwei Mikrometern liegen, um ein optimales Ergebnis zu erreichen.

Diese Herausforderung erfüllt INGENERIC mit dem Präzisions-Blankpressen der Arrays, das das Unternehmen auch für andere Mikrooptiken seines Produktportfolios einsetzt. Beim Blankpressen nimmt hoch brechendes Glas exakt die Form des Presswerkzeugs an. Da INGENERIC die Formen mit Submikron-Präzision fertigt, erzielt das Unternehmen bei der Produktion der Arrays eine außergewöhnlich hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. So gelingt es INGENERIC, Arrays mit minimalen Übergangszonen, höchsten Füllfaktoren und kleinsten Pitch-Fehlern prozesssicher auch in Großserien herzustellen.

Dr.-Ing. Stefan Hambücker, Geschäftsführer von INGENERIC, sieht ein hohes Potenzial für Diodenlaser: „Bei den Single-Mode-Barren geht es zurzeit noch darum, Funktionalität und Wirtschaftlichkeit für neue Anwendungsfelder nachzuweisen. Deshalb arbeiten wir in Bezug auf die Optik mit den Herstellern der Diodenlaser intensiv zusammen. Mit hohen Füllungsgraden, einer exzellenten Ausnutzung der Flächen, extrem hoher Konturgenauigkeit sowie einer guten Orientierung der Flächen zueinander ist das C-SMDB genau das richtige Produkt, um die Brightness optimal zu nutzen.“

Das neue Array hat eine Design-Wellenlänge von 970 nm. Die EFL (Effective Focal Length) der FAC (Fast-Axis Collimation) beträgt 600 µm bei einer numerischen Apertur von 0,8, die EFL der SAC (Slow-Axis Collimation) liegt bei 190 µm und der Pitch der SAC bei 48 µm. Dabei befinden sich 200 Linsenelemente auf jedem Teil. Es ergibt sich eine BFL (Back Focal Length) von 179 µm.

beamPROP Strahlformungsoptik

INGENERIC zeigt auf der Messe außerdem die Strahlformungsoptik beamPROP 200, ein Linsen-Array, das das Strahlparameter Produkt (beam parameter product “BPP”) der Fast- und Slow-Axis von Hochleistungs-Diodenlasern angleicht. Er ist eine Schlüsselkomponente für die Faserkopplung von Diodenbarren und die Dichte Wellenlängen-Kopplung (DWM, Dense Wavelength Multiplexing).

Neu ist, dass INGENERIC neben Arrays mit einem Pitch von bisher 500 und 400 µm jetzt auch solche mit einem Pitch von 200 µm herstellt. So können die Emitter auf den Barren dichter angeordnet und die nutzbare Leistung erhöht werden – ein notwendiger Schritt, um die Wirtschaftlichkeit in der Anwendung zu steigern. Damit trägt der beamPROP 200 wie das C-SMDB dazu bei, das Spektrum der Anwendung von Diodenlasern zu erweitern.

Christian Wessling, der Leiter der Produktentwicklung bei INGENERIC, sieht das Unternehmen für neue Anwendungen als Wegbereiter: „Beim DWM, für das der beamPROP eingesetzt wird, arbeiten mehrere Hersteller von Diodenbarren noch an einem umfassenden Konzept – die Optik ist dabei ein entscheidender Bestandteil. Wir entwickeln diese Technik gemeinsam mit ihnen Schritt für Schritt weiter. Hier sehen wir uns als Enabler, der hilft, neue Anwendungen zu erschließen.“

INGENERIC auf der „SPIE Photonics West“, San Francisco/USA, 27.1. bis 1.2.2018 – Stand 5153

Hintergrundinformation zum Branchentrend

Diodenlaser zeichnen sich durch ihre kompakte Bauweise, hohen Wirkungsgrad, lange Wartungsintervalle und hohe Lebensdauer aus. Obwohl der Diodenlaser bereits für zahlreiche Anwendungen qualifiziert ist, ist der Aufbau des Bauteils immer noch der limitierende Faktor für die erreichbare Brightness. Auch die Strahlqualität reicht für einige Anwendungen – zum Beispiel in der Materialbearbeitung – heute noch nicht aus.

Das Bestreben der Hersteller von Diodenlasern ist, neue Anwendungsfelder für ihre Produkte zu erschließen. Im Vordergrund stehen die Brightness und die Strahlqualität der Diodenlaser. Alle aktuellen Entwicklungen zielen darauf ab, diese Eigenschaften zu verbessern, um zum Beispiel beim Multiplexen (DWM) die Wellenlängen zu stabilisieren und damit eine höhere Leistung in dünnere Fasern zu koppeln oder die Brightness von Single-Mode-Barren optimal zu nutzen. Für beide Lösungsansätze führt der Weg über spezielle Mikrooptiken für Kollimation und Strahlformung. Im Vergleich mit etablierten Aufbauten, bei denen FAC, SAC, Umlenkspiegel und Koppeloptiken verwendet werden, um Leistung in eine Faser zu koppeln, ist jedoch noch Entwicklungsarbeit zu leisten. Die neuen Mikrooptiken von INGENERIC bieten jedoch das Potenzial, die Brightness etablierter Ansätze zu übertreffen und damit neue Anwendungen zu erschließen.

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