WHITEPAPER

Whitepaper OPSL-Vorteile Serie # 1:
Wellenlängenflexibilität

Overview

The Optically Pumped Semiconductor Laser (OPSL) technology offers numerous advantages over other types of CW lasers, including wavelength flexibility. In particular, an OPSL can be designed to match the wavelength requirements of the application, which represents a paradigm shift over legacy technologies.

OPSL Advantages White Papers in this series:

#1. Wavelength flexibility
#2. Invariant beam properties
#3. No mode noise ("green noise")
#4. Superior reliability - huge installed base

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Wellenlängenflexibilität ohne Kompromisse

Der optisch gepumpte Halbleiterlaser (OPSL) ist eine einzigartige Technologie, die die besten Eigenschaften von Laserdioden, DPSS (Diode Pumped Solid State) und Ionenlasern vereint und gleichzeitig eine Reihe ihrer kompromittierenden Einschränkungen eliminiert. So waren zum Beispiel viele Ionengaslaser und diodengepumpte Festkörperlaser der ersten Generation in der Lage, einen Ausgangsstrahl mit dem qualitativ hochwertigen TEM00-Mode zu erzeugen, der für viele Anwendungen erforderlich ist, darunter konfokale Mikroskopie, Durchflusszytometrie und Holografie. Leider waren ihre Ausgangswellenlängen auf eine Handvoll Emissionslinien beschränkt, die durch das Verstärkungsmaterial bestimmt wurden, z. B. 488 nm für Ionenlaser und 1064 nm (und seine Harmonischen) für DPSS-Laser. Wichtige Anwendungen wurden in der Vergangenheit an eine dieser festen Wellenlängen angepasst und manchmal auch nicht optimiert, vor allem 488 nm in den Biowissenschaften. Andererseits können Diodenlaser auf der Basis von binären und ternären Halbleitern so hergestellt werden, dass sie in einem ständig wachsenden Bereich von sichtbaren und nahen IR-Wellenlängen arbeiten. Bei diesen Geräten handelt es sich jedoch in der Regel um so genannte Kantenemitter, bei denen das Licht von einer kleinen (mikrometergroßen) und asymmetrischen Ausgangsfacette emittiert wird. Infolgedessen ist der Ausgangsstrahl stark divergent, asymmetrisch, nicht beugungsbegrenzt und oft astigmatisch. Für jede Anwendung, die konventionelle Strahleigenschaften erfordert, benötigen diese eine Vielzahl von Optiken, um den Strahl umzuformen und räumlich zu filtern. Außerdem bedeutet die hohe Intensität auf der kleinen Ausgangsfacette, dass die Leistungsskalierung begrenzt ist und in der Regel mehrere, in einem Balken oder Array angeordnete Emitter erforderlich sind. Dies ist nachteilig für Anwendungen, die einen stark kollimierten oder fokussierten Strahl erfordern.

Der OPSL ist eine einzigartige Laserarchitektur, die die Wellenlängenflexibilität von Laserdioden und die hervorragenden Strahleigenschaften herkömmlicher Laser vereint. Darüber hinaus bietet es weitere wichtige Vorteile, wie die Skalierung und Reduzierung des Stromverbrauchs.

 

OPSL-Architektur

Der OPSL ist eine Art oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL). Bei einem herkömmlichen VCSEL wird das Licht senkrecht zum Übergang emittiert und tritt an der Vorderseite des Diodenchips aus, nicht am Rand. Die größere Ausgangsapertur führt zu einem Strahl mit geringerer Divergenz, der auch symmetrisch sein kann. Leider können elektrisch gepumpte VCSELs nicht die hohe Leistung eines Kantenemitters erzeugen, da es keine Möglichkeit gibt, eine große Fläche mit Ladungsträgern zu überfluten, ohne ausgedehnte Elektroden zu verwenden, die zu große optische Verluste verursachen würden. Dieses Problem kann jedoch umgangen werden, indem das Gerät mit einem Diodenlaser optisch gepumpt wird, um die Ladungsträger zu erzeugen – ein von Coherent patentierter Ansatz. Dies ist die Grundlage des OPSL.

Figure 1

Abbildung 1: Schematische Darstellung der wichtigsten Funktionskomponenten in einem OPSL.

Abbildung 1 ist ein vereinfachtes Schema, das die wichtigsten Elemente eines OPSL zeigt. Das Pumplicht eines direkt gekoppelten Einzelemitters oder eines fasergekoppelten Laserdioden-Arrays wird auf der Vorderseite des OPSL-Chips abgebildet. Dieser monolithische III-V-Halbleiterchip enthält Schichten aus ternären Quantentöpfen (InGaAs), die sich mit binären (GaAs) Schichten abwechseln. Diese binären Schichten sind so optimiert, dass sie Pumpstrahlung effizient absorbieren, was zu einer hohen Population von Ladungsträgern führt. Dies führt zu einer Besetzungsinversion und Rekombination in den Quantentöpfen, was zu einer stimulierten Laseremission führt. Hinter diesen Absorptions-/Emissionsschichten befinden sich mehrere abwechselnde Schichten mit hohem und niedrigem Index, die als verlustarmer DBR-Spiegel (Distributed Bragg Reflector) fungieren, der für die gewünschte OPSL-Ausgangswellenlänge optimiert ist. Der Halbleiterchip ist auf einem Kühlkörper montiert, um eine effiziente Kühlung über seine gesamte Rückseite zu ermöglichen.

 

OPSL-Wellenlängensteuerung

Wie bei anderen halbleiterbasierten Lasern emittiert der OPSL bei einer Wellenlänge, die durch die Stöchiometrie und die physikalischen Abmessungen der Quantentopfstrukturen bestimmt wird. Durch Änderung der Zusammensetzung und Größe dieser Quantentöpfe kann der OPSL-Chip je nach Anwendung für verschiedene spezifische Ausgangswellenlängen maßgeschneidert werden – siehe Abbildung 2.

Figure 2

Abbildung 2: Coherent bietet OPSLs in zahlreichen Standard-Wellenlängen an und produziert kundenspezifische Wellenlängen für OEMs. 

Die meisten Coherent OPSLs enthalten einen doppelbrechenden Filter im Inneren der Kavität. Damit werden zwei typische Eigenheiten der meisten Diodenlaser, einschließlich des OPS-Chips, behoben. Zunächst einmal kann dieser Verstärkungschip im Vergleich zu Lasern, die auf atomarer Emission basieren, wie z. B. Argon-Ionen-Laser, Licht über eine größere Bandbreite von Wellenlängen emittieren. Außerdem variiert die mittlere Wellenlänge von Chip zu Chip leicht, weshalb die Hersteller von Laserdioden einen Aufpreis für die Auswahl von Laserdioden in einem engen Wellenlängenfenster verlangen. Der doppelbrechende Filter fungiert als schmalbandiger Intrakavitätsfilter, dessen Transmissionswellenlänge durch Drehung um seine normale Achse eingestellt wird. Dieser Filter wird verwendet, um die Emission auf ein schmales Band zu begrenzen – bei einigen Modellen eine einzelne longitudinale Mode – und auch, um den Ausgang präzise auf die Zielwellenlänge einzustellen.

Die Coherent-OPSLs basieren auf InGaAs-Verstärkerchips. Das liegt daran, dass dies einige der zuverlässigsten Dioden mit der längsten Lebensdauer und den besten Leistungseigenschaften sind. Quantentopf-Bauelemente dieser Art können so konstruiert werden, dass sie Laseremissionen über einen breiten Bereich im nahen IR erzeugen. Diese wird dann mit Hilfe eines intrakavitären Frequenzverdopplungskristalls effizient in eine sichtbare Ausgangsleistung umgewandelt. Und für Anwendungen, die eine ultraviolette Ausgangsleistung benötigen, sind einige OPSLs auch mit einem Paar intrakavitärer Kristalle ausgestattet, um eine Frequenzverdreifachung durchzuführen.

 

Der Wert der Wellenlängenflexibilität

Vor dem Aufkommen der OPSL-Technologie mussten Anwendungen, die einen sichtbaren oder UV-Laserstrahl mit Milliwatt bis Watt Dauerstrichleistung (CW) benötigten, eine der verfügbaren festen Wellenlängen verwenden. Zunächst waren dies die Emissionslinien von Ionengaslasern wie die 488-nm- und 514-nm-Linien des Argon-Ionen-Lasers. Dann wurden DPSS-Laser bei 1064 nm, die intrakavitär auf 532 nm verdoppelt wurden, allgemein verfügbar. Es gab große Lücken im sichtbaren Spektrum, wo kein einfacher Laser verfügbar war, insbesondere im gelben und orangefarbenen Teil des Spektrums. Die wachsende Nachfrage nach Lasern, die in diesen Bereichen emittieren, insbesondere in den Biowissenschaften, konnte nur durch Krypton-Ionen-Laser, Farbstofflaser oder Festkörperlaser gedeckt werden, die komplexe Mischungsschemata verwenden, die auf ineffizienten schwachen Emissionslinien basieren. Infolgedessen mussten Anwendungen, die diese Wellenlängen benötigten, oft Kompromisse eingehen, um einer der verfügbaren Laserwellenlängen zu entsprechen. Der OPSL hat einen Paradigmenwechsel bewirkt. Heute wird jede etablierte oder neu entstehende Anwendung von einem OPSL unterstützt, die speziell für die Wellenlänge entwickelt wurde, die diese Anwendung optimiert. Zwei sehr unterschiedliche Anwendungen veranschaulichen die Vorteile dieser Fähigkeit.

 

Photokoagulation bei AMD

Die feuchte Form der altersbedingten Makuladegeneration (AMD) ist eine der Hauptursachen für Sehkraftverlust und Erblindung. Die Erkrankung ist durch Lecks in den Blutgefäßen der Makula gekennzeichnet. Dies ist ein kleiner (< 6 mm Durchmesser) Bereich der Netzhaut, der sich in der Mitte des Gesichtsfeldes befindet und für das hochauflösende Farbensehen verantwortlich ist. Je nach Lage des undichten Blutgefäßes ist eine Laserphotokoagulation häufig eine empfohlene Behandlung. Hier erzeugt der Laser eine kontrollierte, lokale Verätzung, die die winzigen betroffenen Gefäße verödet und weitere Blutungen verhindert.

Der Schlüssel zu einer erfolgreichen Photokoagulation ist die Gewebeselektivität, d. h. der Verschluss der Zielgefäße, ohne das umliegende Gewebe in irgendeiner Weise zu schädigen. Das Hauptunterscheidungsmerkmal zwischen dem undichten Gefäß und anderem Gewebe ist das Vorhandensein von Blut. Selektivität lässt sich also am besten durch die Verwendung einer Laserwellenlänge erreichen, die bevorzugt von Blut absorbiert wird. Außerdem muss es sich um eine sichtbare Wellenlänge handeln, damit der Laser die transparente Vorderseite des Auges unschädlich durchdringen kann. Der Hauptbestandteil des Blutes mit sichtbarer Absorption ist Oxyhämoglobin, und viele Jahre lang war die am häufigsten verwendete Laserwellenlänge 532 nm (von einem diodengepumpten Festkörperlaser), was nahe an einem schwachen Absorptionspeak von Oxyhämoglobin liegt.

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Abbildung 3: Der 577-nm-OPSL ist zum Laser der Wahl für die Photokoagulation zur Behandlung bestimmter Formen der feuchten AMD geworden, da er genau dem Absorptionsmaximum für Oxyhämoglobin entspricht. 

Die Absorption von Oxyhämoglobin erreicht jedoch ihren Höhepunkt bei 577 nm (siehe Abbildung 3). Coherent hat für diese Anwendung einen völlig neuen OPSL-Laser (Genesis MX577) entwickelt, der bei dieser speziellen Wellenlänge eine Leistung von 3 Watt liefert. Dies führte zu einem verbesserten Gefäßverschluss bei geringerer thermischer Belastung des Auges im Vergleich zum Vorgängermodell mit 532 nm. Neben diesem wichtigen Vorteil ermöglichte die Fähigkeit des OPSL, schnell zu pulsen (bis zu 100 kHz), ein hohes Maß an Dosierungskontrolle zur Maximierung der Wundheilungsreaktion mit einem Minimum an lokalem Gewebetrauma. Aus diesen Gründen hat der 577-nm-OPSL den 532-nm-DPSS als bevorzugten Laser in dieser Anwendung verdrängt.

 

Lichtshows mit überragender Farbpalette

Lichtshows stellen einen ganz anderen Anwendungsbereich dar, in dem die Wellenlängenflexibilität von OPSLs sie zur ersten Wahl bei Lasern gemacht hat. Das Farbspektrum (die Farbskala), das von einer Laser-Lightshow-Engine erzeugt werden kann, hängt von den verwendeten Laserwellenlängen ab. Traditionell verwendeten die meisten Farbprojektoren drei Laser – rot, grün und blau (RGB) – wobei der blaue Laser die Argonionen-Legierungswellenlänge bei 488 nm war. Das menschliche Auge reagiert jedoch sehr empfindlich auf Farbunterschiede. Eine Herausforderung bei Lasershows ist es, ein echtes Weiß zu erzeugen, das technisch als D65 bezeichnet wird.

Coherent nutzt die OPSL-Technologie, um Multi-Watt-Leistung bei herkömmlichen RGB-Wellenlängen sowie bei zwei wichtigen nicht herkömmlichen Wellenlängen für Lichtshows zu liefern: 577 nm, die ursprünglich für die Photokoagulation entwickelt wurden, und 460 nm. Wie in Abbildung 4 zu sehen ist, sorgt Letzteres für eine breitere Farbskala und, was noch wichtiger ist, Weiß kann durch Mischen von nur zwei Lasern – bei 577 und 460 nm – erzeugt werden. Ein konkretes Beispiel veranschaulicht den Wert dieser neuen Wellenlängen für den Designer von Lichtshows.

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Abbildung 4: Das Hinzufügen von Lasern mit einer Wellenlänge von 460 nm und 577 nm vergrößert die Farbskala einer herkömmlichen RGB-Lightshow-Engine erheblich und vereinfacht auch die Produktion von „weißem” Licht.

Im Jahr 2011 wollte BMW seine neue i-Serie von verbrauchsarmen Autos auf den Markt bringen – eine bedeutende Marktentwicklung für eine Marke, die schon immer Wert auf Leistung und Handling gelegt hatte. Sie wählten die Internationale Automobilausstellung (IAA) in Frankfurt. Die Markteinführung wurde von der Agentur BlueScope konzipiert und von Rockservice mit Hilfe von LOBO, einem führenden Unternehmen für Lasershows mit Sitz in Aalen, Deutschland, durchgeführt. Das Gesamtkonzept dieses aufsehenerregenden Starts bestand darin, jedes der Autos durch einen Tunnel aus blauem Laserlicht zu enthüllen – siehe Abbildung 5. Darüber hinaus enthielt die Präsentation weitere Lasereffekte. Diese Laserelemente mussten exakt mit dem BMW Firmenblau übereinstimmen, das auch für die anderen visuellen Komponenten (z. B. LED-Bildschirme) der Launch-Präsentation verwendet wurde. Die wahrgenommene Farbe variiert jedoch je nach Standort, Hintergrundbeleuchtung und anderen Faktoren. Daher benötigte LOBO die Möglichkeit, vor Ort subtile Änderungen an der blauen Ausgabe der Projektoren vorzunehmen. Eine perfekte Farbübereinstimmung zu erreichen, wäre mit herkömmlichen RGB-Projektoren sehr schwierig gewesen. Stattdessen hat LOBO seine RGB-Projektoren mit zwei blauen OPSLs (Coherent Taipan) konfiguriert – bei 488 nm und 460 nm. Dies ermöglichte ein einfaches „Tweaking” der blauen Ausgabe, um die wahrgenommene Farbe der anderen BMW-Bildschirm-Komponenten in der Ausstellungshalle unter den endgültigen Lichtbedingungen anzupassen.

Figure 5

Abbildung 5: Ein von OPSLs betriebener Bildschirm hilft bei der Vorstellung der ersten kraftstoffsparenden Autos von BMW (i8 und i3) auf der Internationalen Automobilausstellung (IAA) 2011 in Frankfurt. Bild mit freundlicher Genehmigung von BMW.

Summary

The OPSL offers an unmatched combination of advantages for applications requiring milliwatts to watts of CW laser light. One of the most important is wavelength flexibility which has, for the first time, enabled laser wavelength to be matched to the precise needs of the application, rather than vice versa.

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