Die InnoProfile-Transfer-Initiative

Im Rahmen des Forschungsvorhabens YELLOW entwickelt ein Team am Ferdinand-Braun-Institut die physikalisch-technischen Voraussetzungen für kompakte und effiziente Lasermodule mit Faserausgang für optische Sensorik in der Bio-Medizin und in der Analytik.

Effizienz, Kompaktheit, freie Wahl der Zentrumswellenlänge und Durchstimmbarkeit: Dies sind die entscheidenden Vorteile der in diesem Vorhaben zu entwickelnden Lasersysteme für den gelben Spektralbereich gegenüber bisherigen marktüblichen Lösungen. Das Ferdinand-Braun-Institut bringt dabei seine Kompetenz als eines der weltweit führenden Forschungsinstitute bei der Entwicklung von Halbleiter-Laserdioden sowie bei der hybriden Mikrointegration von Strahlformungsoptiken und Komponenten zur Frequenzverdopplung, ein – und verfügt damit über beste Voraussetzungen, sein einzigartiges Know-how weiter auszubauen.

Mit dem Projektabschluss steht den regionalen Unternehmen eine entsprechende Technologieplattform für mikrointegrierte Diodenlasersysteme zur Verfügung, die der Region Berlin-Brandenburg auf diesem Gebiet internationale Wettbewerbsvorteile verschafft.

Ziele

Zielstellung sind Lasermodule, die Substanzen im gelben Wellenlängenbereich 550 nm - 590 nm anregen. Realisiert werden sollen diese Module mithilfe der direkten Frequenzverdoppelung von infraroter Strahlung aus hochbrillanten Laserdioden im Bereich 1100 nm bis 1180 nm. Das erlaubt, in Kombination mit Mikrooptiken, geringe Baugrößen von wenigen Zentimetern Kantenlänge. Die geringe Größe und die Effizienz sollen es ermöglichen, die Laserquellen mobil einzusetzen. Ihre Ausgangsleitung soll zeitlich dynamisch durch eine angepasste Steuerelektronik geregelt werden. Zusätzlich werden die infraroten Laserdioden in der Zentrumswellenlänge über einen Regelstrom einfach durchstimmbar sein. Dadurch besteht bei etablierten Anwendungen erstmals die Möglichkeit, mehrere kompakte Strahlquellen durch ein einziges Modul (λ= 560 nm ±2 nm durchstimmbar) zu ersetzen. Dies wäre beispielsweise in der Fluoreszenzspektroskopie bei verschiedenen Markerstoffen für Module der Wellenlängen 558 nm, 559 nm, 561 nm möglich. Zusätzlich können die Laserdioden direkt über den Strom moduliert werden – dies macht einen externen Modulator überflüssig.

Etliche Anwendungsfelder verlangen verschiedene Betriebsmodi der Laser: in der Umweltanalytik werden Dauerstrichlaser mit hochstabilen Ausgangsleistungen und Modulationsfrequenzen von etwa 10 MHz benötigt. Die zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie wiederum erfordert kurze Pulse. Beide Betriebsarten können kostengünstig mit Diodenlasern abgedeckt werden. Deshalb ist es sinnvoll, diese Erfordernisse in einem Forschungspaket zu bündeln.

YELLOW kann auf etablierte Strukturen und Entwicklungen der vorausgegangenen InnoProfile-Initiative „Hybride Diodenlasersysteme“ zurückgreifen. Dabei entstanden Laserstrahlquellen, die im sichtbaren Spektralbereich bei den Wellenlängen 460 nm (blau), 532 nm (grün) und 640 nm (rot) emittieren. Diese Lichtquellen wurden als hybride Diodenlaser-Systeme in der typischen Größe einer Streichholzschachtel realisiert. Das Ziel des InnoProfile-Transfer-Vorhabens ist es, die in der InnoProfile-Initiative gewonnenen Ergebnisse zu sichtbaren RGB-Strahlquellen auf den gelben Spektralbereich zu übertragen und die Technologieplattform für mikrointegrierte Lasermodule deutlich zu erweitern. Die Forschungsarbeit soll so weit vorangetrieben werden, dass ein rascher Transfer in die Industrie möglich ist.

Entwicklung und Optimierung der Chiptechnologie für Diodenlaser mit Wellenlängen größer 1100 nm

Die Herausforderung bei Laserdioden in diesem Wellenlängenbereich liegt im einkristallinen Schichtwachstum. Um Wellenlängen > 1100 nm mit GaAs-Technologie zu erreichen, muss der Indium-Anteil in den lichterzeugenden Schichten erhöht werden. Dies ist zum einen von den Wachstumsparametern her schwierig, zum anderen erzeugt ein erhöhter Indium-Anteil eine zunehmende Verspannung der lichterzeugenden Schichten. Für den extrem langwelligen Bereich um 1180 nm ist daher ein Vergleich von Quantentrögen mit Quantenpunktstrukturen geplant. Hier sollen mittels Frequenzverdopplung die Wellenlängen der Na-D-Linien bei 590 nm erreicht werden, die von großem Interesse für die Polarimetrie sind.

Eine zusätzliche Herausforderung besteht darin, die Diodenlaser für mehrere Entwicklungsziele bereitzustellen. Zum einen sind optische Ausgangsleistungen von mehr als 5 W im Dauerstrichbetrieb angestrebt, gleichzeitig muss eine hohe Wellenlängen- und Leitungsstabilität bei den daraus zu entwickelnden Lasermodulen gewährleistet sein. Zum anderen sollen Laserstrukturen für den Kurzpulsbetrieb im Pikosekundenbereich hergestellt werden, um auch im gelben Spektralbereich Lasermodule, z.B. für die zeitaufgelöste Fluoreszenzmikroskopie, zu demonstrieren. Diese macht eine Prozessierung von verschiedenen Resonatorgeometrien nötig, mit denen die unterschiedlichen Betriebsmodi realisiert werden sollen.

Packaging

Um dem Ziel „Stabilität in Wellenlänge und Ausgangsleistung“ Rechnung zu tragen, ist die Entwicklung eines geschlossenen Gehäuses für die mikrooptische Bank mit Faserausgang und eine integrierte aktive Regelung geplant. Dieses soll den Betrieb auch außerhalb des Labors sicherstellen.

Qualifizierung von Personal und Profilbildung

Zusätzlich sollen mithilfe von maßgeschneiderten Aus- und Weiterbildungskonzepten Fachkräfte für die Wirtschaft und Wissenschaft gewonnen werden. Sie sollen künftig die wirtschaftlichen und technologischen Prozesse in der Region mitgestalten. Dabei wird unter anderem das bewährte Konzept aus der InnoProfile-Initiative „Hybride DiodenlaserSysteme“ weitergeführt, FuE-Probleme von KMUs durch gemeinsame wissenschaftliche Arbeiten (Bachelor-, Master- und Doktorarbeiten) aufzugreifen.

Parallel zum InnoProfile-Transfer-Vorhaben „YELLOW“ wird das Inno-Profile-Transfer-Verbundvorhaben „FaBriDi“ bearbeitet. Dadurch ergeben sich, etwa durch die Weiterentwicklung des Gehäuses und der Faserkopplung im Verbundvorhaben, Synergieeffekte zwischen beiden InnoProfile-Transfervorhaben der Initiative.

Die Partner

Die Forschungsaktivitäten der InnoProfile-Transfer-Initiative werden durch regionale Industriepartner finanziell unterstützt:

• eagleyard Photonics GmbH, Berlin
• PicoQuant GmbH, Berlin
• SCHMIDT + HAENSCH GmbH & Co, Berlin
• Toptica Photonics AG, München

Kontakt

Dr. Katrin Paschke
Forschungsverbund Berlin e.V.
Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik
Gustav-Kirchhoff-Str. 4
12489 Berlin
Tel.: 030 6392-3955
E-Mail: katrin.paschke[at]fbh-berlin.de


Zum Beitrag "High-Power aus dem Mikro-Format" aus der Rubrik "Im Blickpunkt"

Nähere Informationen zum vorangegangenen InnoProfile-Projekt "Hybride Diodenlaser-Systeme"; weitere Informationen zu dem ebenfalls aus dieser InnoProfile-Initiative hervorgegangenen InnoProfile-Transfer-Verbundprojekt „FaBriDi”