Spektrale Stabilisierung und inkohärente Überlagerung von Diodenlaserstrahlung mit Volumenbeugungsgittern

Hengesbach, Stefan; Poprawe, Reinhart

doi:199910371086

Spektrale Stabilisierung und inkohärente Überlagerung von Diodenlaserstrahlung mit Volumenbeugungsgittern = Wavelength-stabilization and incoherent multiplexing of diode laser radiation using Volume Bragg Gratings

Hengesbach, Stefan (Author)

2014

VerantwortlichkeitsangabeStefan Hengesbach

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangXIV, 177 S. : Ill., graph. darst.

ReiheBerichte aus der Lasertechnik

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-07-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51747
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/459441/files/5174.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Laserdiode (Genormte SW) ; Volumenhologramm (Genormte SW) ; Beugung (Genormte SW) ; Beugungsgitter (Genormte SW) ; Simulation (Genormte SW) ; Photorefraktiver Effekt (Genormte SW) ; Hochleistungslaser (Genormte SW) ; Multiplexer (Genormte SW) ; Wellenlänge (Genormte SW) ; Spektrum (Genormte SW) ; Optisches Spektrum (Genormte SW) ; Multimode-Laser (Genormte SW) ; Effizienzsteigerung (Genormte SW) ; Frequenzstabilität (Genormte SW) ; Externe Rückkopplung (Genormte SW) ; Glas (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Volumenbeugungsgitter (frei) ; spektrale Stabilisierung (frei) ; Wellenlängenstabilisierung (frei) ; dichte spektrale Leistungsskalierung (frei) ; Diodenlaser (frei) ; Optischer Resonator (frei) ; Holographie (frei) ; Hologramm (frei) ; Photochromes Glas (frei) ; Ultraviolettlaser (frei) ; Infrarotlaser (frei) ; Halbleiterlaser (frei) ; Optomechanik (frei) ; Volume Bragg Grating (frei) ; frequency stabilization (frei) ; wavelength stabilization (frei) ; dense wavelength division multiplexing (frei) ; diode laser (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
pacs: 42.60.Da * 42.55.Px * 42.79.Sz * 42.40.Lx * 42.40.Eq

Kurzfassung
Im Vergleich zu Festkörper- oder Gaslaserstrahlquellen ist das Einsatzgebiet von Hochleistungsdiodenlaserstrahlquellen gleicher optischer Ausgangsleistung limitiert durch die kleinere Strahldichte und Brillanz. Ziel aktueller Forschungsaktivitäten ist die Entwicklung spektral stabilisierter Diodenlaserstrahlquellen. Diese können zum Pumpen von Lasermedien mit schmalbandigem Absorptionsband und zur Effizienzsteigerung bestehender Lasersysteme verwendet werden. Die inkohärente Überlagerung der stabilisierten Pumpquellen mit Zentralwellenlängenabständen < 3 nm, Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) genannt, ermöglicht zudem eine Vergrößerung der Strahldichte von Diodenlasersystemen um zirka zwei Größenordnungen im Vergleich zu Systemen ohne spektralem Multiplexing. Sowohl die spektrale Stabilisierung wie auch die DWDM-Technik können durch Volumenbeugungsgitter (VBG) technisch realisiert werden. Die Dissertationsschrift thematisiert daher einerseits die Fertigungstechnik zur Herstellung von VBG und andererseits die Demonstration von effizienter spektraler Stabilisierung von Strahlquellen sowie effizienter dichter spektraler Leistungsskalierung mit VBG. Zentrales Ziel ist eine Steigerung der Strahldichte oder der Brillanz von Hochleistungsdiodenlasersystemen durch eine Vergrößerung der spektralen Kanaldichte beim Multiplexing von zirka 0,02/nm in den Bereich von 1/nm. Die im Labormaßstab erfolgreich demonstrierte Herstellungstechnik von VBG basiert auf der Bestrahlung photo-thermo-refraktiver Gläser. Die größte messtechnisch erfasste Beugungseffizienz eines Transmissions-VBG in einem 1 mm dicken Glassubstrat beträgt 35%. Der Transmissionsgrad des Substrats bei einer Wellenlänge von 1 μm wird in Abhängigkeit der Beugungseffizienz um < 3% verändert. Die Bestimmung der charakteristischen Eigenschaften der VBG erfolgt in einem hierfür entwickelten Teststand, der als Kernelement einen sechsachsigen Piezo-Manipulator und Photodiodenmessstrecken enthält. Homogenität, spektrale Selektivität, angulare Selektivität und Transmissionsverluste werden je nach Anforderung an die Messgenauigkeit mit unterschiedlichen Strahlquellen und Optiken gemessen. Auf Grundlage der Beschreibung der Beugung ebener Wellen in periodisch modulierten Dielektrika von Herwig Kogelnik und T. K. Gaylord wird die Coupled-Wave Theorie zur Berechnung der gebeugten und der transmittierten elektrischen Feldverteilungen erweitert. Die entwickelte Modelltheorie berücksichtigt die polarisationsabhängige Beugung beliebiger transversaler Feldverteilungen, Grenzflächeneffekte am VBG Substrat und wellenoptische Propagation. Die Auslegung der multimodalen externen Resonatoren erfolgt durch ein wellenoptisches 2,5D-Simulationsmodell für Kantenemitter und externe optische Systeme, das mittels Multifrequenzansatz die Berechnung der räumlichen Ladungsträgerdichte, der Temperatur und der ortsabhängigen elektrischen Feldstärke innerhalb der Laserkavität und im externen optischen System ermöglicht. Eine spektrale Stabilisierung multimodal emittierender Diodenlasereinzelemitter, mindestens in einem partiellen Injektionsstrombereich, wird mit vier Gruppen externer Resonatoren erzielt: (1) der biaxial divergenten Rückkopplung, (2) der uniaxial divergenten Rückkopplung, (3) der abbildenden Rückkopplung mit Bildumkehr und (4) der abbildenden Rückkopplung ohne Bildumkehr. Die spektrale Breite eines passiv gekühlten Diodenlaserbarrens mit 19 Emittern wird experimentell zu 120 pm (95% Leistungseinschluss) bestimmt. Die Leistungsverluste in den abbildenden und invers abbildenden externen Resonatoren betragen < 5%. Basierend auf den modelltheoretischen Untersuchungen erfolgt die experimentelle Demonstration einer dichten, spektralen Leistungsskalierung für Hochleistungsdiodenlaserstrahlung mit einem Zentralwellenlängenabstand von 1,5 nm. Die Gesamteffizienz des kompakten Multiplexers beträgt 97% ± 2% für grundmodige Laserstrahlung mit einer Frequenzbandbreite von < 5 MHz. Bei der Überlagerung der Strahlung fünf passiv gekühlter und spektral stabilisierter, multimodal emittierender Diodenlaserbarren mit der Beugungsmaßzahl M² = 45 beträgt die Effizienz 85% ± 3%. Die spektrale Breite jeder Strahlquelle beträgt < 120 pm innerhalb des gesamten Betriebsbereichs. Innerhalb eines Temperaturbereichs von ±10 K um den gewählten Betriebspunkt wird die Effizienz des Multiplexers durch thermisch induzierte Änderungen der Bragg-Wellenlängen um maximal 3% reduziert. Größere Temperaturabweichungen werden durch eine aktive Temperaturregelung ausgeglichen. Zusammenfassend bietet der Einsatz von VBG im Bereich der Hochleistungsdiodenlaser großes Potential auf dem Gebiet der spektralen Stabilisierung und Leistungsskalierung.

Compared to solid state and gas laser sources the field of application of high-power diode lasers with comparable output power is limited by the smaller radiance and (spectral) brilliance. Therefore, the objective of current research activities is to develop wavelength-stabilized diode laser sources. These laser sources can be used for pumping laser-active media with narrow absorption band and in addition to increase the efficiency of state-of-the-art solid state laser systems. Furthermore, the incoherent multiplexing of wavelength-stabilized narrow-band pump sources with a center wavelength spacing < 3 nm called Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) enables the increase of the radiance by two orders of magnitude compared to diode laser systems without spectral multiplexing. Wavelength-stabilization as well as the DWDM-technology can be technically implemented by Volume-Bragg-Gratings (VBG). This dissertation covers the manufacture of VBGs and moreover the demonstration of efficient wavelength-stabilization and efficient dense spectral power scaling. The key objective is the improvement of the radiance or the brilliance of high-power diode laser systems by increasing the spectral channel density from about 0.02/nm to the range of 1/nm. The successfully demonstrated manufacturing method of VBGs, which has been tested under laboratory conditions, bases upon the exposure of photo-thermo-refractive Glasses to UV laser-radiation. The maximum diffraction efficiency of a VBG with a thickness of 1 mm has been determined to 35%. The transmittance of the substrate measured at a wavelength of 1 µm decreases about < 3% according to the achieved diffraction efficiency. The VBGs are characterized in a test setup which contains a six-axis piezo-electronic manipulator and measuring beam lines including photo-diodes. Specifically, the measurements of the homogeneity, spectral selectivity, angular selectivity and transmission losses are performed using different optics and beam sources depending on the required measuring accuracy. Based on the mathematical description of the diffraction of plane waves in periodically modulated dielectrics by Herwig Kogelnik and T. K. Gaylord the coupled-wave-theory is extended in order to calculate the transmitted and the diffracted field distributions. Accordingly, the developed model theory considers the polarization-dependent diffraction of arbitrary transversal field distributions, boundary surface effects of the VBG substrate and wave-optical propagation. Moreover, multimode external cavity lasers are designed using a wave-optical 2.5D-simulation tool for edge emitting semiconductor lasers. The multi-frequency approach numerically calculates the locally resolved spatial carrier density, the temperature and electrical field amplitude inside the semiconductor material and in the external optical system. At least a partial wavelength-stabilization of the multimode diode laser sources is obtained with three different types of external cavities: (1) biaxial divergent feedback, (2) uniaxial divergent feedback, (3) inverse self-imaging feedback and (d) self-imaging feedback. Finally, the spectral width of a wavelength-stabilized passively cooled diode laser bar with 19 emitters has been experimentally determined to 120 pm (95% power inclusion). The power losses due to the self-imaging and inverse self-imaging external resonators is <5%. On the basis of the theoretical studies Dense Wavelength Division Multiplexing of high-power diode laser radiation is experimentally demonstrated with a spectral channel spacing of 1.5 nm. The total optical efficiency of the compact multiplexing unit is 97% ± 2% if transversal single-mode laser radiation with a frequency bandwidth < 5 MHz enters the multiplexing unit. Overlaying the wavelength-stabilized multimode radiation of five passively cooled diode laser bars with a beam propagation factor of M²=45, the efficiency decreases to 85% ± 3%. Thereby, the spectral width of the beam sources amounts < 120 pm within the overall operating range. Within the temperature range of ±10 K around the chosen operation temperature the multiplexing efficiency drops about < 3% due to thermally induced changes of the Bragg-wavelengths. Larger deviations can be compensated by actively temperature control. In summary, the use of VBG in the field of high-power diode lasers provides great potential for spectral stabilization and multiplexing.

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