Effiziente Faserkopplung von Hochleistungsdiodenlasern

Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades sowie ihrer kompakten Bauform finden Hochleistungsdiodenlaser in unterschiedlichsten Branchen eine zunehmend breite Anwendung. Die Forderung nach immer höheren Leistungen und kleineren Faserdurchmessern - sei es bei der Direktanwendung in der industriellen Produktion oder der Medizintechnik, als auch beim Pumpen von Festkörperlasern - verlangt nicht nur die Verwendung leistungsstarker Dioden, sondern vor allem den Einsatz einer effizienten Faserkopplung.

Die Herausforderung der Faserkopplung bei Diodenlasern liegt insbesondere in der unsymmetrischen Strahlqualität der Emitter in Fast- und Slow-Richtung. So liegt das Verhältnis der qualitätsbeschreibenden Strahlparameterprodukte M2 (Fast/Slow) bei etwa 1/30 oder mehr und kann durch passive, abbildende Systeme nicht positiv beeinflusst werden.

Mit dem V-Step-Modul der INGENERIC GmbH ist eine Faserkopplung von Diodenlasern einfach und effizient möglich. Das V-Step-Modul verfügt über die höchste Koppeleffizienz derzeit marktgängiger optischer Systeme. Die weiteren Vorteile des V-Step-Moduls liegen in der hohen Flexibilität hinsichtlich der verwendeten Diodenlaser (Anzahl Emitter, Emitterbreite etc.) und der einkoppelbaren Faserdurchmesser sowie in der extrem einfachen Montage.

Die grundlegende Idee der Strahltransformation beruht dabei auf einer Durchmischung der beiden unterschiedlichen, lateralen Ausprägungsformen des Gesamtstrahls. Der Ausgangsstrahl wird hierbei in eine Vielzahl von Teilstrahlen zerlegt, die für sich weiterhin unsymmetrisch sind. Diese werden anschließend um einen Betrag von 90° um die Achse der Propagationsrichtung gedreht und so zu einem neuen Gesamtstrahl arrangiert, dass die Strahlqualität in den zueinander senkrecht stehenden Achsen symmetrisiert ist.

Das optische Kernelement des V-Step-Moduls - die V-STEP-Optik - verknüpft hierzu zwei Spiegel-Arrays in einem monolithischen Element (siehe Abbildung). Die Anordnung der Spiegel-Arrays ist derart gestaltet, dass die eigentliche Strahlumlenkung im Glas durch Totalreflexion erfolgt, wobei durch die Verwendung eines qualitativ hochwertigen, hochbrechenden Glases auf eine zusätzliche Reflexionsbeschichtung der Spiegelflächen verzichtet werden kann. Durch die Ausnutzung dieses Wirkprinzips ist neben der Reduktion des Montageaufwands eine Alterung der Reflexionsflächen durch äußere Einwirkungen ausgeschlossen. Die von INGENERIC speziell entwickelte Fertigungstechnologie, hochtransparente Substratwerkstoffe sowie wirksame AR-Beschichtungen der Ein- und Auskoppelflächen garantieren für das V-Step-Modul Koppeleffizienzen von über 85%.

Der Forderung nach geringsten optischen Verlusten entsprechend sind Totzonen bzw. Verrundungen an den Grenzflächen minimiert und betragen weniger als 3 %. Von hoher Bedeutung ist zudem die geometrische Genauigkeit der Optikelemente, die eine einwandfreie Abbildung/Lenkung der Teilstrahlen garantiert. Die Ebenheiten der Einzelflächen liegen deshalb im Bereich < 250 nm. Die relative Lagegenauigkeit der Flächen zueinander liegt im Bereich < 0,05°.

Die Anpassung der Stufenanzahl sowie Stufenbreite erfolgt kunden- bzw. anwendungsspezifisch. Einkoppelbare Faserdurchmesser reichen von 1 mm bis zu 50 µm bei einer NA von 0.2. Für alle gängigen Diodenlasertypen hält INGENERIC optimierte V-Step-Module vor. Zur Vereinfachung der Montage bietet INGENERIC darüber hinaus die V-Step-Module auf individuellen Grundplatten an, die für das jeweilige Laserdesign optimiert sind. Eine 100%-Qualitätskontrolle der optischen Einzelelemente wie auch des Gesamtmoduls stellen sicher, dass der Anwender V-Step-Module mit bester Kopplungseffizienz erhält.