BriSCL: Brilliant SemiConductor LaserModules
Eine Kooperation unter dem Dach von Eurostars mit folgenden Partnern
Projektziele
Das Projekt BriSCL nutzt Diodenlaser mit einer hocheffiziente ASLOC-Schichtstruktur und die BRIS-Halbleitertechnologie ("buried-regrown-implant-structure",Vergrabene implantierte Struktur) des Ferdinand-Braun-Instituts gGmbH, Berlin, Deutschland, um Diodenlaser bei Wellenlängen um 915 nm mit höherer Brillanz für den industriellen Einsatz zu realisieren.
Dabei liegt der Schwerpunkt sowohl auf Bauelementen, die gleichzeitig eine hohe Ausbeute und eine hohe Leistung ermöglichen als auch auf neuartigen Techniken der Stahlzusammenführung, optischer Resonatoren und führenden Technologien für stärkere Laserdiodenmodule.
Diese Technologien werden erprobt, patentiert und in BriSCL für weitere Innovationen und Leistungssteigerungen genutzt. BriSCL soll zu etwa 8-fach stärkeren Direkt-Diodenlaser-Modulen und 4-fach stärkeren Faserlaser-Pumpmodulen führen ohne Einbußen an Kosten oder Effizienz (>40%) für den größten Laser-Weltmarkt, die Materialbearbeitung.
Projektteilnehmer
Bei Monocrom wird die Systemintegration auf Basis von Laserbarren durchgeführt. Es werden Freistrahl- und fasergekoppelte Lasersysteme bis zu einigen kW Leistung entwickelt.
Entwicklung von Diodenlasern, basierend auf effizienten ASLOC Epitakischen Schictstrukturen und BRIS Halbleitertechnologie, zur Verbesserung der Brillanz (durch verbesserten Strom-Einschluss) und der Ausbeute (durch bessere mechanische Festigkeit gegenüber der Montage) im Wellenlängenbereich um 915nm.
Bei Raab-Photonik werden die grundlegenden Konzepte der externen Resonatoren zur Verbesserung der Divergenz und Leistungsdichte, sowie der polarisationserhaltenden gleichgerichteten Polarisationskopplung ("RPC": rectified polarization coupling) entwickelt, erprobt und optimiert.
Brilliance FAB Berlin GmbH (BFB) montiert Einzellaser und integriert Lasersysteme auf Basis von Einzelemittern.
Die JENOPTIK Optical Systems GmbH (Berlin) ist assoziierter Partner des Projetks und erprobt die neuen Laserstrukturen für künftige Massenfertigung.
Projektergebnisse
Folgende Projektergebnisse sind inzwischen öffentlich zugänglich:
BRIS Struktur
Schema der (nicht maßstabsgerechten) vertikalen epitaktischen Struktur eines W=100µm "buried-regrown-implant-structure" (BRIS, vergrabene überwachsene Einbettungsstruktur, links) und eines W=100µm Kontakt-Einbettungs-Lasers (rechts)
Einzelchips
Montierter Einzelchip in Sandwich-Kühlkörper zur doppelseitigen Kühlung für Ströme bis 100A.
Breitstreifenemitter höchster Ausgangsleistung und Effizienz
Die Strom-Spannungs-Leistungskurve sowie die Konversionseffizienz η der extremen Breitstreifen Einzelemitter mit Streifenbreiten von 400, 1000, 1200 und 1500µm bei λ=915nm sowie 1200µm für λ=780nm jeweils im CW-Betrieb bei 25⁰C (Sandwich-Montage im Unterbild).
Verbesserung der Brightness
Laterale Brightness für BRIS-Laser im Vergleich mit konventionellen Einzelemittern jeweils der Breite W = 100 µm in Abhängigkeit der Ausgangsleistung bei einer Kühlkörpertemperatur von 20⁰C.
Exzellente Divergenz der Barren
Werden diese BRIS-laser als Barren mit 10 Emittern zu je 100 µm Breite lotfrei durch Klemmung montiert, so ergibt sich eine exzellente Fernfeld-Divergenz von ±3.5⁰ für 90% der Leistung.
Laser in externem Resonator
Wird ein solcher Laser mit einem geeigneten externen Resonator betrieben (unten rechts), so ist es möglich, die Strahlqualität ganz wesentlich zu erhöhen. Die Divergenz wird im gezeigten Fall von ursprünglich etwa ±100 mrad auf ±8 mrad um das 12-fache verbessert. Gleichzeitig kann die Wellenlänge mittels des Gitters über mehr als 20 nm variiert werden (oben links).
Hochleistungs Submodul
Hochleistungs-Lasermodul aus vier polarisations-gekoppelten Laserbarren, das als Baustein für ein Gesamtsystem dient. Maße etwa 16x40mm²; Ausgangsleistung etwa 300W.
System für P>1kW
Konzept für ein System mit mehr als 1kW Ausgangsleistung bei einer Strahlqualität BPP<20 mm mrad.
Prototyp
Erster Prototyp für System aus 16 BRIS-Barren.
Publikationen
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B. King, S. Arslan, A. Boni, P. Della Casa, D. Martin, A. Thies, A. Knigge, P. Crump
"Buried regrown implant structure diode lasers with ultra-thick epitaxy for resistance to mounting stress without loss in efficiency"
Photonics-West (2023): Proc. SPIE 12403, 124030J (2023)
https://doi.org/10.1117/12.2647096 -
Ben King, Seval Arslan, Anisuzzaman Boni, Paul Simon Basler, Christof Zink, Pietro Della Casa, Dominik Martin, Andreas Thies, Andrea Knigge, and Paul Crump
"GAs-based wide-aperture single emitters with 68 W output power at 69% efficiency realized using a periodic buried-regrown-implant-structure"
CLEO EU Paper CB-11.1
https://doi.org/10.1109/CLEO/Europe-EQEC57999.2023.10232435 -
S. Arslan, B. King, P. Della Casa, D. Martin, A. Thies, A. Knigge and P. Crump
"Efficient, High Power, Wide-Aperture Single Emitter Diode Lasers Emitting at 915 nm"
IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 36, no. 16, pp. 977-980 (2024).
https://doi.org/10.1109/LPT.2024.3419552 -
B. King, S. Arslan, P. Della Casa, D. Martin, A. Boni, A. Thies, A. Knigge and P. Crump
"High-efficiency and high-brightness broad area laser diodes with buried implantation current blocking"
OPEN ACCESS Phys. Scr., vol. 99, no. 5, pp. 055528, (2024).
https://doi.org/10.1088/1402-4896/ad368a -
B. King, S. Arslan, P. Della Casa, D. Martin, A. Boni, P.S. Basler, A. Thies, A. Knigge, and P Crump
"Ultra-wide-aperture diode lasers with high brightness through use of buried periodic current structuring"
Proc. of SPIE, vol. 12867, High-Power Diode Laser Technology XXII, Photonics West, San Francisco, USA, Jan 27 - Feb 1, 128670S (2024).
https://doi.org/10.1117/12.3005647
Projektförderung
Dieses Projekt wird durch Eurostars gefördert
E! 114753 (BriSCL) 