Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10610
For citation please use:
Main Title: A deep ultraviolet laser light source by frequency doubling of GaN based external cavity diode laser radiation
Translated Title: Tief-ultraviolette Laserlichtquellen mittels Frequenzverdopplung der Strahlung GaN-basierter Laserdioden in externen Resonatoren
Author(s): Ruhnke, Norman
Advisor(s): Sumpf, Bernd
Referee(s): Sumpf, Bernd
Tränkle, Günther
Petersen, Paul Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: A compact and portable laser light source emitting in the wavelength range between 210 nm and 230 nm would enable numerous applications especially outside the laboratory environment such as sterilization and disinfection of medical equipment, water purification, gas and air analysis by means of absorption spectroscopy, or the identification and quan- tification of proteins and biomolecules by means of laser induced fluorescence or Raman spectroscopy. Light emitting diodes are especially compact but their spectrally broandband emission is not suitable for some of the mentioned applications. On the other hand, there are established laser systems in this wavelength region available that show sufficiently narrow emission bandwidths but are too complex laboratory systems with high power consumptions and large footprints making them not suitable for field applications outside of laboratory environments. This thesis therefore developes and investigates a novel concept to realize an especially compact and portable light source with low power consumption emitting around 222 nm that is based on frequency conversion of laser diode emission and able to close this appli- cational gap. The concept is based on single-pass frequency doubling of a commercially available high-power GaN laser diode emitting in the blue spectral range and, to the best of the authors knowledge, will be presented for the first time in this work. Due to the low power conversion efficiencies of about 10^(−4) W^(−1) in this wavelength range, a laser diode with high optical output power above 1 W with narrowband emission in the range of the acceptance bandwidth of the applied nonlinear BBO crystal is required as pump source to achieve an ultraviolet output power sufficient for all of the mentioned applications of at least 100 μW. Since GaN based high-power laser diodes typically exhibit a broad emission spectrum of ∆λ = 1...2 nm, wavelength stabilization and narrowing of such GaN based high-power laser diode emission by the use of external wavelength selective elements will be presented and investigated for the first time in this work. To gain a better understanding of the laser diodes behavior under optical feedback, an external cavity diode laser (ECDL) system with a surface diffraction grating as external element is realized as a proof-of-concept study. With this setup it is analyzed which spectral bandwidth of the grating feedback and which feedback strength leads to a sufficient narrowband emission with simultaneous high optical output power for the subsequent second harmonic generation. It will be shown that feeding as much as 15% of the laser diode radiation back into the laser is sufficient for the wavelength stabilization and that the resulting ECDL emission bandwidth is in the range of the spectral bandwidth of the optical feedback from the grating. The proof-of-concept ECDL setup exhibits a narrow emission bandwidth of ∆λ ≤ 20 pm (FWHM) up to an output power of about 470 mW, and ∆λ ≤ 70 pm (FWHM) up to an output power of about 680 mW with a maximum suppression of the longitudinal laser diode modes of 42 dB (at 545 mW output power), at an emission wavelength of 445 nm. Furthermore, the narrowband emission can be coarsely tuned over 4 nm. The ECDL system is then tested as pump source for the single-pass second harmonic generation of laser light at 222.5 nm using a BBO crystal as nonlinear material to understand what influence the beam shaping has on the conversion efficiency and also on the phase matching tolerances. It is shown that due to the decreased interaction length inside the crystal the phase matching acceptance bandwidths of BBO are much broader for focused beams than the simulated phase matching acceptance bandwidths derived from the plane-wave approximation and also depend on the focusing strength. With the ECDL, narrowband DUV laser light with a continuous wave output power of 16 μW is generated with a pump power of 680 mW. Based on the previous findings, a micro-integrated ECDL (μECDL) module assembled on a conduction cooled copper package with a footprint of 25 mm x 25 mm is developed. Here, a holographic volume Bragg grating serves as external wavelength selective element. This μECDL module has no moveable parts and is built using a mirco-assembly setup with high precision. Therefore, it shows an improved performance compared to the macroscopic EDCL setup having a narrow emission bandwidth of ∆λ ≤ 50 pm up to an output power of 1.4 W at an emission wavelength of 445 nm, and a mode suppression ratio as high as 53 dB over the whole operating range. To realize an ultraviolet laser light source that is as compact as possible the μECDL module is then applied as pump source for the frequency doubling. Based on the findings with the macroscopic ECDL, the beam focusing for the frequency conversion is further optimized. From the analysis of different focusing conditions it is found that for the asymmetric and non-diffraction limited laser diode output, a larger beam waist radius in the range of 20 μm to 30 μm results in the highest conversion efficiency, in contrast to the Boyd-Kleinman theory for focused Gaussian beams that recommends an optimum beam waist radius inside the BBO crystal of 15 μm. With the improved beam shaping and the higher pump power, an optical output power of P_DUV = 160 μW at a wavelength of λ_DUV = 222.5 nm is generated. With the understanding for the novel concept gained in this work, a compact ultra- violet laser light source with a small footprint of approximately 5 cm x 30 cm is realized, that due to its immoveable components is exceptionally robust and has a low power consumption of less than 10 W. This light source with a demonstrated output power above 100 μW enables numerous applications outside of the laboratory environment in the everyday context and in the industry for which previous laser systems are too complex and too cost- and energy-intensive.
Eine kompakte und portable Laserlichtquelle im Wellenlängenbereich zwischen 210 nm und 230 nm würde zahlreiche Anwendungen im alltäglichen Kontext ermöglichen, wie zum Beispiel die Sterilisation und Desinfektion von medizinischem Equipment und Wasserdesinfektion, die Gasanalyse mittels Absorptionsspektroskopie, oder die Identifikation und Quantifizierung von Proteinen und Biomolekülen mittels laserinduzierter Fluoreszenz- oder Raman-Spektroskopie. Leuchtdioden sind zwar besonders kompakt, emittieren jedoch zu breitbandiges Licht für einige dieser Anwendungen. Auf der anderen Seite stehen etablierte Lasersysteme in diesem Wellenlängenbereich zur Verfügung, die zwar ausreichend schmalbandig emittieren, jedoch komplexe Laborsysteme mit hohem Stromverbrauch und großen Abmaßen darstellen, wodurch diese für Feldanwendungen außerhalb des Labors oftmals ungeeignet sind. In dieser Arbeit wird daher ein neuartiges Konzept entwickelt und untersucht, um mittels Frequenzkonversion Diodenlaser-basierter Laserstrahlung eine besonders kompakte und portable im tiefen ultravioletten Spektralbereich emittierende Laserlichtquelle mit geringem Stromverbrauch zu realisieren, die diese Anwendungslücke schließen kann. Das Konzept basiert auf einer single-pass Frequenzverdopplung des blauen Lichtes einer kommerziell erhältlichen Hochleistungs-GaN-Laserdiode, die in dieser Form in dieser Arbeit nach bestem Wissen des Autors zum ersten Mal demonstriert wird. Als Pumpquelle für die Frequenzverdopplung in einem BBO-Kristall wird aufgrund der geringen Konversionseffizienzen in diesem Wellenlängenbereich von ca. 10^(−4) W^(−1) eine Laserdiode mit hoher Ausgangsleistung über 1 W mit schmalbandiger Emission im Bereich der Phasenanpassungs-Akzeptanzbandbreite des verwendeten BBO-Kristalls benötigt, um eine für die genannten Anwendungen ausreichende Ausgangsleistung von mindestens 100 μW zu erreichen. Da GaN-basierte Hochleistungslaserdioden für gewöhnlich ein breites Emissionsspektrum mit einer vollen Halbwertsbreite von ∆λ = 1...2 nm aufweisen, wird in dieser Arbeit zum ersten Mal die Wellenlängenstabilisierung und Verringerung der spektralen Bandbreite einer solchen GaN-Hochleistungslaserdiode mithilfe externer wellenlängenselektiver optischer Elemente gezeigt und untersucht. Um ein besseres Verständnis davon zu erlangen wie sich die verwendete Laserdiode unter optischer Rückkopplung verhält, wird zunächst in einer Machbarkeitsstudie ein makroskopischer Aufbau mit einem reflektierenden Oberflächengitter als externes optisches Element realisiert. Mithilfe des Aufbaus wird analysiert welche spektrale Bandbreite der optischen Rückkopplung und welche Rückkopplungsstärke zu einer für die nachfolgende Frequenzverdopplung ausreichend schmalen Emissionsbandbreite bei gleichzeitig hoher Ausgansleistung führt. Es wird gezeigt, dass ein Rückkopplungsanteil von 15% ausreichend für die Wellenlängenstabilisierung der Laserdiode ist und die resultierende Emissionsbandbreite in etwa der spektralen Breite der optischen Rückkopplung des Oberflächengitters entspricht. Mit diesem makroskopischen Aufbau wird eine schmale Emissionsbandbreite von ∆λ ≤ 20 pm bis zu einer optischen Ausgangsleistung von 470 mW, und von ∆λ ≤ 70 pm bis zu einer Ausgangsleistung von 680 mW mit einer maximalen Unterdrückung der longitudinalen Moden der Laserdiode von 42 dB (bei 545 mW Ausgansleistung) bei einer Emissionswellenlänge von 445 nm erreicht. Außerdem lässt sich die Emissionswellenlänge über einen Bereich von 4 nm schmalbandig durchstimmen. Der makroskopische, wellenlängenstabilisierte Diodenlaser wird als Pumpquelle für die Single-Pass-Frequenzverdopplung zu 222,5 nm in einem BBO-Kristall getestet, um zu verstehen welchen Einfluss die Strahlformung auf die Konversionseffizienz und auch auf die Phasenanpassungstoleranzen hat. Es zeigt sich, dass die Phasenanpassungsbandbreiten im BBO-Kristall bei einem fokussierten Pumpstrahl aufgrund der verkürzten Wechselwirkungslänge im Kristall deutlich breiter sind als die mit der Näherung der ebenen Wellen kalkulierten Phasenanpassungsbandbreiten und darüber hinaus von der Stärke der Fokussierung abhängen. In diesem Setup wird mit einer Pumpleistung von 680 mW eine schmalbandige ultraviolette Ausgangsleistung von 16 μW erzeugt. Basierend auf den erlangten Erkenntnissen wird ein miniaturisiertes Diodenlasermodul auf einem passiv gekühlten Kupferblock mit einer Grundfläche von 25 mm x 25 mm entwickelt, bei dem ein holographisches Volumen-Bragg-Gitter als wellenlängenselektives externes Element eingesetzt wird. Dieses miniaturisierte Lasermodul hat keine beweglichen Komponenten mehr und wird an einem Mikromontage-Messplatz mit hoher Präzision aufgebaut. Dadurch zeigt es verglichen mit dem makroskopischen Aufbau verbesserte spektrale Eigenschaften mit einer spektralen Halbwertsbreite von ∆λ ≤ 50 pm bis zu einer optischen Ausgangsleistung von 1.4 W bei einer Emissionswellenlänge von 445 nm und bei gleichzeitiger hoher Unterdrückung der longitudinalen Moden der Laserdiode von bis zu 53 dB über den gesamten Arbeitsbereich. Das miniaturisierte Lasermodul wird dann als Pumpquelle für die Frequenzverdopplung eingesetzt, um eine ultraviolette Laserlichtquelle mit möglichst kleinen Abmaßen zu realisieren. Basierend auf den Erkenntnissen mit dem makroskopischen Aufbau wird die Strahlfokussierung für die Frequenzverdopplung weiter optimiert. Aus der Analyse verschiedener Strahlformungen ergibt sich, dass für den asymmetrischen und nicht-beugungsbegrenzten Pumpstrahl der Laserdiode grössere Strahltaillenradien im Bereich von 20 μm bis 30 μm im BBO-Kristall zu höheren Konversionseffizienzen führen als der in der Theorie von Boyd und Kleinman für sphärische Gauss-Strahlen empfohlene optimale Strahltaillenradius von 15 μm. Mit der verbesserten Strahlformung und der höheren Pumpleistung des miniaturisierten Lasermoduls kann schließlich eine maximale optische Ausgangsleistung von 160 μW bei einer Wellenlänge von 222.5 nm generiert werden. Durch das in dieser Arbeit gewonnene Verständnis wird mit dem entwickelten neuartigen Konzept schließlich eine ultraviolette Laserlichtquelle mit einer kompakten Grundfläche von ungefähr 5 cm x 30 cm realisiert, die aufgrund der unbeweglichen Komponenten äußerst robust ist und eine geringe Leistungsaufnahme von unter 10 W aufweist. Mit der demonstrierten Ausgangsleistung von über 100 μW eröffnen sich somit zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten außerhalb von Laborumgebungen im alltäglichen Kontext und in der Industrie, für die bisherige Lasersysteme zu komplex und zu kosten- und energieinstensiv sind.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/11718
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10610
Exam Date: 24-Aug-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 9-Oct-2020
DDC Class: 535 Licht, Infrarot- und Ultraviolettphänomene
Subject(s): laser
external cavity diode laser
GaN
ultraviolet
second-harmonic generation
extern gitterstabilisierter Diodenlaser
ultraviolett
Frequenzverdopplung
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in Collections:Inst. Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien » Publications

Files in This Item:
ruhnke_norman.pdf
Format: Adobe PDF | Size: 6.04 MB
DownloadShow Preview
Thumbnail

Item Export Bar

Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.