Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3881
Main Title: Diodenlaser mit Trapezstruktur und hoher Brillanz für die Realisierung einer Frequenzkonversion auf einer mikro-optischen Bank
Translated Title: Diode lasers with tapered structures and high spectral brightness to implement a frequency conversion on a micro-optical bench
Author(s): Fiebig, Christian
Advisor(s): Tränkle, Günther
Referee(s): Tränkle, Günther
Keller, Ursula
Lang, Klaus-Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Entwicklung von Diodenlasern mit einer hohen spektralen Strahldichte ermöglicht den Aufbau von immer effizienteren und kompakten Lasersystemen in Bereichen der Materialbearbeitung als auch der Medizin und Biologie. Besonders interessant sind Diodenlaser, die im nahen infraroten Spektralbereich emittieren. Diese ermöglichen bei ausreichender spektraler Strahldichte die Erzeugung sichtbarer Laserstrahlung mittels der Frequenzverdopplung. Dadurch kann der Wellenlängenbereich von 480nm-630nm, für den bisher keine direkt emittierenden Diodenlaser ausreichender Leistung (P>1W) und langer Lebensdauer verfügbar sind, adressiert werden. Ziel dieser Doktorarbeit ist die Untersuchung und Optimierung von Diodenlasern mit Trapezstruktur und hoher Brillanz für die Realisierung einer Frequenzkonversion auf einer mikro-optischen Bank. Im ersten Teil dieser Arbeit werden kompakte Trapezlaser mit integrierten Gitter(DBR-TPL) untersucht. Diese monolithischen Diodenlaser bestehen aus drei Sektionen, über deren laterale und longitudinale Geometrieparameter die Ausgangsleistung, die Strahlqualität sowie die spektrale Emissionsbreite und damit die spektrale Strahldichte (Brillanz) beeinflusst werden. Es wird der Einfluss der Variation dieser Geometrieparameter systematisch in Bezug auf die elektro-optischen und spektralen Eigenschaften der DBR-TPL untersucht. Auf Grundlage dieser Untersuchungen werden Designstrategien für die Herstellung von DBR-TPL aufgestellt. Es werden Strahlquellen bei 920nm, 976nm und 1064nm mit Strahldichten von ß1/e² > 500 MWcm-2sr-1 präsentiert. DBR-TPL bei einer Wellenlänge von 976nm zeigen mit ß1/e² >800MWcm-2sr-1 die bislang höchsten Strahldichten für einen einzelnen Diodenlaser. Die Laser zeigen eine Ausgangsleistung von bis zu PNIR =12W, eine gute Strahlqualität (M²1/e² =1.1 mit PCL>70%) und ein schmales Emissionsspektrum von Δλ < 25pm. Ein zuverlässiger Betrieb der DBR-TPL von bis zu 7000 h bei 8W wird demonstriert. Die Realisierung einer Frequenzkonversion auf einer mikro-optischen Bank im zweiten Teil dieser Arbeit beinhaltet die Untersuchung der Frequenzkonversion mit DBR-TPL, die Feststellung der limitierenden Faktoren, die Auslegung der Mikrooptiken und die Präzisionsmontage dieser Mikrosystemlichtquelle. Bei der Frequenzkonversion mit DBR-TPL können Ausgangsleistung von bis zu PSH =1.6W mit einer Strahlqualität von M2s< 2 erzielt werden. Dies entspricht ungefähr einer 2,5-fachen Steigerung der Leistung, die bisher für einen Diodenlaser bei einfachem Durchgang durch einen nichtlinearen Kristall erzielt wurde. Basierend auf den Erkenntnissen zur Frequenzkonversion mit DBR-TPL wird eine Mikrosystemlichtquelle mit der Größe von (25x25x50)mm3 bei 490nm demonstriert. Eine Herausforderung beim Aufbau dieser Strahlquelle besteht in der präzisen Integration der passiven optischen Komponenten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde hierzu ein speziell entwickelter Messplatz mit einer 6-Achsen-Verstelleinheit für die Montage der Mikrosystemlichtquellen im Sub-Mikrometer-Bereich realisiert. Die entwickelte Mikrosystemlichtquelle hat eine optische Ausgangsleistung von bis zu PSH=1.1W, eine exzellente Strahlqualität M²s<2 sowie eine spektrale Emissionsbreite von Δλ < 25pm. Der elektro-optische Wirkungsgrad des gesamten Moduls liegt bei ca. 3%. Untersuchungen zur Kurzzeitstabilität bei 1W zeigen einen stabilen Betrieb mit nur geringen Schwankungen in der Leistung von ±2% bzw. der Wellenlänge im Bereich ±10pm.
The development of diode lasers with high spectral brightness enables the construction of ever more efficient and compact laser systems in the fields of materials processing, as well as medicine and biology. Of particular interest are diode lasers which emit in the near-infrared spectral range. Provided the spectral brightness is sufficient, these allow for the generation of visible laser radiation by means of frequency doubling. Thus, the wavelength range between 480nm and 630 nm, for which sufficiently powerful (P>1W) direct emitting diode lasers with a long lifetime have not been available so far, can be addressed. The aim of this doctoral thesis is to examine diode lasers with tapered structures and high spectral brightness to implement a frequency conversion on a micro-optical bench. The first part of the thesis analyses tapered lasers with integrated gratings (DBRTPL). These monolithic diode lasers consist of three separate sections, whose lateral and longitudinal geometry parameters have an impact on the output power, the beam quality and the spectral emission bandwidth and therefore on the spectral brightness. The influence of a variation of these geometric parameters in relation to the electrooptical and spectral characteristics of DBR-TPL is systematically determined. Based on these analyses design strategies for the production of DBR-TPL have been established. Laser sources at a wavelength of 920nm, 976nm and 1064nm with a brightness of ß1/e² >500MWcm-2sr-1will be presented, of which the 976nm samples exhibit the highest brightness ever achieved to date for a single diode laser (ß1/e²>800MWcm-2sr-1). These lasers present with an output power of PNIR=12 W, a good beam quality (M²1/e² =1.1 with PCL>70%) and a narrow emission spectrum of λ < 12pm. A reliable operation of DBR-TPL up to 7000 h at 8W is demonstrated. The implementation of a frequency conversion on a micro-optical bench in the 2nd part of the thesis includes the examination of frequency conversion with DBR-TPL, the determination of the limiting factors, the design of the micro-optics and the precision assembly of this laser source. The frequency conversion with DBR-TPL yields output powers of up to PSH =1.6W with a beam quality of M2σ< 2. This approximates a 2.5-fold increase in output power that has been achieved with a diode laser on a single pass through a nonlinear crystal to date. Based on the findings for frequency conversion with DBR-TPL a compact laser source with dimensions of (25x25x50)mm3 is demonstrated at 490nm. A challenge in building this laser source is in the precise integration of the passive optical components. A specially designed test bench with a 6-axis adjustment system for the assembly of the laser sources has been custom-built as a part of this work. This test bench enables the positioning and subsequent mounting of the optical components with UV adhesive with accuracy in the sub-micron range. The developed laser source has an optical output power of up to PSH =1.1 W, an excellent beam quality of M2σ< 2, as well as a spectral emission bandwidth of λ< 25pm. The electro-optical efficiency of the entire module is approximately 3%. Studies on the short-term stability at 1W show a stable operation with only minor variations in the output power of ±2% and of the wavelength in the range of ±10 pm, respectively.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-44928
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4178
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3881
Exam Date: 3-Jul-2013
Issue Date: 17-Dec-2013
Date Available: 17-Dec-2013
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Distributed Bragg Gitter
Frequenzkonversion
Mikro-optische Bank
SHG
Trapezlaser
Distributed bragg grating
Frequency conversion
Micro-optical bench
SHG
Tapered diode laser
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