OPSL-Whitepaper-Reihe Nr. 1:
Wellenlängenflexibilität

Uneingeschränkte Wellenlängenflexibilität

Optisch gepumpte Halbleiterlaser (OPSL) sind eine einzigartige Technologie, die die hervorragenden Eigenschaften von Laserdioden, DPSS-Lasern (Dioden-gepumpte Festkörperlaser) und Ionenlasern vereint und gleichzeitig einige ihrer Einschränkungen beseitigt. Beispielsweise sind viele Ionen-Gaslaser und Halbleiter-gepumpte Festkörperlaser der ersten Generation in der Lage, einen Ausgangsstrahl im hochwertigen_TEM00-Modus zu erzeugen, der für viele Anwendungen erforderlich ist, darunter konfokale Mikroskopie, Durchflusszytometrie und Holografie. Leider ist ihre Ausgangswellenlänge auf wenige Emissionslinien beschränkt, die durch das Verstärkungsmaterial bestimmt werden, beispielsweise 488 nm bei Ionenlasern und 1064 nm (sowie deren Harmonische) bei DPSS-Lasern. Daher mussten sich die Hauptanwendungen in der Vergangenheit an diese festen Wellenlängen anpassen und konnten manchmal nicht einmal vollständig optimiert werden, was am deutlichsten bei der 488-nm-Wellenlänge in den Lebenswissenschaften zu beobachten ist. Andererseits können Diodenlaser auf Basis von binären und ternären Halbleitern hergestellt werden, die in einem immer größer werdenden Wellenlängenbereich im sichtbaren und nahen Infrarot arbeiten. Diese Geräte sind jedoch in der Regel sogenannte Kantenemitter, bei denen das Licht von einer asymmetrischen, kleinen (im Mikrometerbereich liegenden) Ausgangsfläche emittiert wird. Daher ist das Ausgangslicht stark divergierend, asymmetrisch, nicht beugungsbegrenzt und neigt häufig zu Streulicht. Daher sind für jede Anwendung, die reguläre Strahleigenschaften erfordert, verschiedene optische Komponenten erforderlich, um den Strahl neu zu formen und räumlich zu filtern. Darüber hinaus bedeutet die hohe Intensität bei kleiner Ausgangsfläche, dass die Leistungsskalierung begrenzt ist und in der Regel mehrere Emitter in einer Reihe oder einem Array angeordnet werden müssen. Dies ist für Anwendungen, die einen hochkollimierten oder fokussierten Strahl erfordern, nachteilig.

OPSL ist eine einzigartige Laserarchitektur, die die Wellenlängenflexibilität von Laserdioden mit den hervorragenden Strahleigenschaften herkömmlicher Laser verbindet. Darüber hinaus bietet sie weitere wichtige Vorteile, wie beispielsweise die Skalierbarkeit der Leistung.

OPSL-Architektur

OPSL ist ein vertikaler Oberflächenemitter-Laser (VCSEL). Bei herkömmlichen VCSELs wird das Licht senkrecht zum Übergang von der Oberfläche des Diodenchips emittiert und nicht vom Rand. Die größere Ausgangsapertur erzeugt einen Lichtstrahl mit geringerem Abstrahlwinkel, und der Strahl kann zudem symmetrisch sein. Leider können elektrisch gepumpte VCSELs nicht die hohe Leistung von Kantenemittern erzeugen, da es keine Möglichkeit gibt, einen großen Bereich mit Ladungsträgern zu fluten, ohne die Elektroden zu vergrößern, was zu hohen Lichtverlusten führen würde. Dieses Problem lässt sich jedoch vermeiden, indem das Bauelement durch einen Diodenlaser optisch gepumpt wird, um Ladungsträger zu erzeugen – dies ist ein von Coherent patentiertes Verfahren. Darauf basiert der OPSL.

Abbildung 1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung, die die Hauptkomponenten des OPSL zeigt. Das Pumplicht, das von einem direkt gekoppelten Einzelemitter oder einem fasergekoppelten Laserdiodenarray stammt, wird auf die Vorderseite des OPSL-Chips abgebildet. Dieser monolithische III-V-Halbleiterchip enthält mehrschichtige ternäre Quantentöpfe (InGaAs), die sich mit binären (GaAs) Schichten abwechseln. Diese binären Schichten sind so optimiert, dass sie die Pumpstrahlung effizient absorbieren und dadurch eine große Anzahl von Ladungsträgern erzeugen. Dies führt zu einer Teilchenzahlinversion und Rekombination in den Quantentöpfen, was wiederum zu einer stimulierten Laseremission führt. Hinter diesen Absorptions-/Emissionsschichten befinden sich mehrere abwechselnd angeordnete Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex, die als verlustarme DBR-Spiegel (Distributed Bragg Reflector) fungieren und speziell auf die gewünschte OPSL-Ausgangswellenlänge optimiert sind. Der Halbleiterchip ist auf einem Kühlkörper montiert, um eine effiziente Kühlung seiner gesamten Rückseite zu ermöglichen.

OPSL-Wellenlängensteuerung

Wie bei anderen halbleiterbasierten Lasern wird die Emissionswellenlänge des OPSL durch die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Abmessungen der Quantentopfstruktur bestimmt. Durch Veränderung der Zusammensetzung und der Abmessungen dieser Quantentöpfe lassen sich OPSL-Chips daher je nach Anwendungsanforderung auf bestimmte Ausgangswellenlängen abstimmen – siehe Abbildung 2.

Die meisten OPSL-Modelle von Coherent verfügen über einen doppelbrechenden Filter im Resonator. Dies behebt zwei typische Eigenschaften der meisten Diodenlaser, einschließlich der OPS-Chips. Erstens können diese Verstärkerchips im Vergleich zu Lasern auf Basis atomarer Emission (wie Argon-Ionen-Lasern) Licht über einen größeren Wellenlängenbereich emittieren. Zudem weichen die Mittenwellenlängen der verschiedenen Chips geringfügig voneinander ab. Genau aus diesem Grund erheben Hersteller von Laserdioden einen Aufpreis, wenn Kunden Laserdioden mit einem schmalen Wellenlängenfenster wählen. Der doppelbrechende Filter ist ein schmalbandiger In-Resonator-Filter, dessen Durchlasswellenlänge werkseitig durch Drehen um seine optische Achse eingestellt wird. Dieser Filter dient dazu, die Emission auf ein schmales Band zu beschränken – bei einigen Modellen auf einen einzigen longitudinalen Modus – und gleichzeitig die Ausgangsleistung präzise auf die Zielwellenlänge einzustellen.

Die OPSL-Bauelemente von Coherent basieren auf InGaAs-Verstärkerchips. Der Grund dafür ist, dass es sich um äußerst zuverlässige Dioden mit extrem langer Lebensdauer und hervorragenden Leistungseigenschaften handelt. Diese Art von Quantentopf-Bauelementen kann so ausgelegt werden, dass sie Laserstrahlung im gesamten Nahinfrarotbereich erzeugt. Diese wird dann mithilfe eines in der Resonanzkammer integrierten Frequenzverdopplungskristalls effizient in sichtbares Licht umgewandelt. Für Anwendungen, die UV-Strahlung erfordern, sind einige OPSLs zudem mit einem Paar in der Resonanzkammer integrierter Kristalle ausgestattet, um eine dreifache Frequenzverdopplung zu ermöglichen.

Der Wert der Wellenlängenflexibilität

Vor dem Aufkommen der OPSL-Technologie musste man, wenn in einer Anwendung ein Laser mit sichtbarer oder ultravioletter Strahlung im Millimawatt- bis Wattbereich im Dauerstrichbetrieb (CW) benötigt wurde, auf eine der vorhandenen festen Wellenlängen zurückgreifen. Anfangs handelte es sich bei den festen Wellenlängen um Emissionslinien von Ionen-Gaslasern, wie beispielsweise die 488-nm- und 514-nm-Linien des Argon-Ionenlasers. Später fanden DPSS-Laser mit 1064 nm (innerhalb des Resonators auf 532 nm verdoppelt) breite Anwendung. Im sichtbaren Spektrum gab es jedoch große Lücken, für die keine einfachen Laser zur Verfügung standen, insbesondere im gelben und orangefarbenen Bereich des Spektrums. Obwohl die Nachfrage nach Lasern für diese Spektralbereiche stetig wächst – was besonders im Bereich der Biowissenschaften deutlich wird –, standen bisher nur Lösungen zur Verfügung, die auf komplexen Mischschemata mit Krypton-Ionenlasern, Farbstofflasern oder Festkörperlasern basierten, die auf ineffizienten, schwach emittierenden Spektrallinien beruhten. Daher mussten Anwendungen, die diese Wellenlängen benötigten, oft Kompromisse eingehen, um sich an eine der verfügbaren Laserwellenlängen anzupassen. OPSL hat einen Paradigmenwechsel herbeigeführt. Heute gibt es für jede bestehende oder neu entstehende Anwendung einen speziell entwickelten OPSL, dessen Wellenlänge für diese Anwendung optimiert ist. Zwei völlig unterschiedliche Anwendungen veranschaulichen die Vorteile dieser Fähigkeit.

Photokoagulation zur Behandlung von AMD

湿式年龄相关性黄斑变性 (AMD) 是导致视力丧失和失明的主要原因。 这种情况的特点是黄斑区血管渗漏。 这是视网膜上的一个小区域（直径 < 6 mm），位于视野的中心，负责高分辨率的彩色视觉。 根据渗漏血管的位置，激光光凝术通常是一种推荐的治疗方法。 在这里，激光产生可控的局部烧灼，破坏微小的元凶血管，防止进一步出血。

Ein entscheidender Faktor für die erfolgreiche Durchführung einer Laserkoagulation ist die Gewebeselektivität; das heißt, das Zielgefäß muss verschlossen werden, ohne das umliegende Gewebe in irgendeiner Weise zu schädigen. Der wesentliche Unterschied zwischen undichten Gefäßen und anderem Gewebe ist das Vorhandensein von Blut. Daher lässt sich die Selektivität am besten durch die Verwendung von Laserwellenlängen erreichen, die bevorzugt von Blut absorbiert werden. Diese Wellenlänge muss zudem im sichtbaren Bereich liegen, damit der Laserstrahl die transparente Vorderseite des Auges unschädlich passieren kann. Der Hauptbestandteil im Blut, der sichtbares Licht absorbiert, ist das oxygenierte Hämoglobin. Seit vielen Jahren ist die am häufigsten verwendete Laserwellenlänge 532 nm (aus halbleitergepumpten Festkörperlasern), die nahe am schwachen Absorptionspeak des oxygenierten Hämoglobins liegt.

Der tatsächliche Absorptionspeak von Oxyhämoglobin liegt jedoch bei 577 nm (siehe Abbildung 3). Coherent hat für diese Anwendung einen völlig neuen OPSL-Laser (Genesis ) entwickelt, der bei dieser spezifischen Wellenlänge eine Ausgangsleistung von 3 Watt liefert. Im Vergleich zur Vorgängergeneration mit einer Wellenlänge von 532 nm ermöglicht dieser Laser eine bessere Gefäßverschließung bei gleichzeitig geringerer thermischer Belastung des Auges. Neben diesem wichtigen Vorteil ermöglicht die Fähigkeit des OPSL zu schnellen Impulsen (bis zu 100 kHz) die Verwendung von „Mikroimpulsen“, um eine hochpräzise Dosierung zu erzielen, die die Wundheilungsreaktion maximiert und das lokale Gewebetrauma minimiert. Aus diesen Gründen hat der 577-nm-OPSL den 532-nm-DPSS als Laser der ersten Wahl für diese Anwendung abgelöst.

Eine Lichtshow mit beeindruckenden Farben

Lichtshows stellen einen ganz anderen Anwendungsbereich dar, in dem sich OPSL dank seiner Wellenlängenflexibilität als Laser der Wahl etabliert hat. Der von einem Laser-Lichtshow-System erzeugbare Farbbereich (Farbraum) hängt von der jeweils verwendeten Laserwellenlänge ab. Traditionell verwenden die meisten Farbprojektoren drei Lasertypen: Rot, Grün und Blau (RGB), wobei Blau die Wellenlänge von 488 nm des herkömmlichen Argon-Ionen-Lasers ist. Da das menschliche Auge jedoch sehr empfindlich auf Farbabweichungen reagiert, besteht eine große Herausforderung bei Laserlichtshows darin, echtes Weiß zu erzeugen, das technisch als D65 bezeichnet wird.

Coherent nutzt die OPSL-Technologie, um neben den herkömmlichen RGB-Wellenlängen Leistungen im Wattbereich sowie zwei für Lichtshows wichtige, nicht-herkömmliche Wellenlängen bereitzustellen: die ursprünglich für die Photokoagulation verwendete 577-nm-Wellenlänge und die 460-nm-Wellenlänge. Wie in Abbildung 4 dargestellt, gewährleistet Letztere einen größeren Farbraum; vor allem aber lässt sich durch die Mischung von nur zwei Lasern (577 nm und 460 nm) Weißlicht erzeugen. Das folgende konkrete Beispiel verdeutlicht den Nutzen dieser neuen Wellenlängen für Lichtdesigner.

Im Jahr 2011 wollte BMW seine neue, sparsame i-Serie auf den Markt bringen – für eine Marke, die seit jeher Wert auf Leistung und Fahrdynamik legt, war dies eine bedeutende Markterweiterung. Als Plattform für die Vorstellung dieser Serie wählte man die Internationale Automobilausstellung (IAA) in Frankfurt. Die Präsentation wurde von der Werbeagentur BlueScope konzipiert, von der Firma Rockservice organisiert und von LOBO, einem führenden Anbieter von Lasershows mit Sitz in Ahlen, durchgeführt. Die Präsentation fand große Beachtung; das Gesamtkonzept sah vor, jedes Fahrzeug durch einen blauen Lasertunnel zu enthüllen (siehe Abbildung 5). Darüber hinaus umfasste die Präsentation weitere Lasereffekte. Diese Laserelemente mussten genau mit dem Blau von BMW übereinstimmen, ebenso wie die Farben der anderen visuellen Komponenten der Präsentation (z. B. LED-Bildschirme). Die Wahrnehmung von Farben kann jedoch je nach Standort, Hintergrundbeleuchtung und anderen Faktoren variieren. Daher musste LOBO in der Lage sein, die Blau-Ausgabe seiner Projektoren vor Ort nahtlos und fein abgestimmt anzupassen. Mit Standard-RGB-Projektoren ist es sehr schwierig, eine perfekte Farbanpassung zu erreichen. Daher stattete LOBO seine RGB-Projektoren mit zwei blauen OPSL-Lichtquellen (Coherent ) mit Wellenlängen von 488 nm und 460 nm aus. Auf diese Weise konnten sie die blaue Lichtleistung einfach „anpassen“, um sie unter den tatsächlichen Lichtverhältnissen an die wahrgenommenen Farben der anderen BMW-Displays in der Ausstellungshalle anzupassen.