FBH präsentiert Fortschritte bei Diodenlasern und UV-LEDs auf den Photonics Days

Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) stellt seine Weiterentwicklungen bei den Photonics Days Berlin Brandenburg auf der Konferenz und der begleitenden Ausstellung vor.

Die Photonics Days finden am 5. und 6. Oktober 2022 in Berlin Adlershof statt und vernetzen Expert*innen aus den Bereichen Photonik, Optik, Mikrosystemtechnik und Quantentechnologie. Wissenschaftler*innen des Ferdinand-Braun-Instituts sind als Chairs der Sessions „Berlin Laser Tech Symposium“ und „Berlin Quantum Optics Symposium“ aktiv eingebunden. Zudem präsentieren sie die Fortschritte bei Hochleistungsdiodenlasern mit sehr hoher Wiederholrate in einem Beitrag. Am Messestand zeigt das FBH unter anderem folgende Entwicklungen:

Zuverlässige 1064 nm Laserdioden für Space und Quantentechnologien
Das FBH verfügt über langjährige Erfahrungen bei der Entwicklung, Herstellung und Qualifizierung von Lasern und optischen Verstärkern für anspruchsvolle Anwendungen im Weltraum, auf Satelliten und für den Einsatz in Quantentechnologien. Aktuell fertigt das Institut mehr als 50 Lasermodule, unter anderem mit 1064 nm Emissionswellenlänge, für die Grundlagenforschung an ultrakalten Atomen auf der Internationalen Raumstation ISS. Diese Module werden mit Halbleiterchips ausgestattet, die das Licht aus einem 1064 nm Laser mit niedriger Ausgangsleistung auf hohe Leistungsdichten bis zu 60 MW/cm² verstärken. Die Facetten des optischen Verstärkers sind durch die hohe Lichtleistung extrem belastet und müssen daher besonders gut geschützt werden, damit das Modul reibungslos funktioniert. Dank einer verbesserten Facettenpassivierung im Ultrahochvakuum konnten die Wissenschaftler*innen nun die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Verstärker signifikant steigern. Dies belegen beschleunigte Alterungstests über 5.000 Stunden bei überhöhter Belastung. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Verstärkerchips im normalen Betrieb während der Missionsdauer ausfallen, ist somit äußerst gering. Der optische Verstärker wird zusammen mit dem 1064 nm Laser und weiteren Komponenten in das Modul auf der bewährten Technologieplattform des FBH integriert, die bereits mehrfach erfolgreich für derartige Anwendungen eingesetzt wurde.

Rekordwerte bei Diodenlasern – optimiert für hohe Ausgangsleistungen
Das FBH stellt auch seine Fortschritte bei Pumplasern mit hoher Wiederholrate vor – für den gepulsten und bis in den CW-Betrieb –, die in zukünftigen Festkörperlasersystemen der Hochenergieklasse eingesetzt werden sollen. Die Spitzenausgangsleistung seiner Diodenlaserbarren im quasi-kontinuierlichen Betrieb bei zugleich exzellenter Effizienz konnte das Institut dabei bis zum Vierfachen steigern. Dadurch sinken die Kosten in Euro pro Watt – eine zentrale Kenngröße für die Industrie. Die optimierten Diodenlaser baut das FBH zu Stackmodulen auf, mit Verbesserungen im Bereich des Packaging und der Optiken. So konnte eine fasergekoppelte gepulste Pumplaserquelle mit 1 kW Ausgangsleistung bei 780 nm Wellenlänge in einer 1 mm Kernfaser (bislang 1,9 mm) demonstriert werden. Das passiv gekühlte Modul konnte das Tastverhältnis von 20 % auf bis zu 50 % steigern (10 ms 10...50 Hz).

Zudem wurde erstmalig der CW-Betrieb von 780 nm Stackmodulen erfolgreich demonstriert. Beim Übergang vom gepulsten Betrieb (Tastverhältnis: 10 %) zum CW-Betrieb erhöhte sich die optische Pulsleistung um das Achtfache und erreichte 750 W bei 50 A. Die Strahlqualität blieb dabei vollständig erhalten. Der thermische Widerstand stieg dank der mikrokanalfreien Kühlung nur um das Dreifache an.

UVC-LEDs im Einsatz gegen multiresistente Krankheitserreger und Coronaviren
Am Stand zeigt das FBH ein UV-LED-basiertes Bestrahlungssystem, mit dem künftig multiresistente Krankheitserreger wie MRSA und Coronaviren wie SARS-CoV-2 direkt am Menschen hautverträglich inaktiviert werden können. Die Systeme sind mit jeweils 120 Leuchtdioden ausgestattet, die bei einer Wellenlänge von 233 nm emittieren und gemeinsam mit der TU Berlin entwickelt wurden. Erst kürzlich konnte das FBH die Effizienz seiner ultrakurzwelligen UVC-LEDs deutlich optimieren und hat die kompakten Bauelemente in ein schwenkbares Bestrahlungssystem integriert. Auch dieses System wurde vom hauseigenen EntwicklungsZentrum konzipiert und realisiert. Es wird nun an der Charité erstmals direkt am Menschen getestet.
Dank einer optimierten Halbleiterepitaxie und Chip-Prozesstechnologie lassen sich diese Leuchtdioden der neuesten Generation mit doppelt so hohen Strömen wie bisher betreiben – sie liefern mehr als 3 mW Ausgangsleistung bei 200 mA. Für eine effiziente Wärmeableitung sorgen optimierte LED-Gehäuse mit Aluminium-Reflektoren und plan-konvexen Linsen für einen Abstrahlwinkel von nur 60 Grad. Dies wiederum erhöht die Transmission durch den integrierten Spektralfilter. Dieses UVC-Licht ist frei von hautschädigenden Wellenlängen oberhalb von 240 nm und besitzt eine Stärke von 0,4 mW/cm² – das nahezu Zehnfache dessen, was Vorgängersysteme erreicht haben.

Hintergrundinformationen – das FBH
Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) ist eine anwendungsorientierte Forschungseinrichtung auf den Gebieten der Hochfrequenzelektronik, Photonik und Quantenphysik. Es erforscht elektronische und optische Komponenten, Module und Systeme auf der Basis von Verbindungshalbleitern. Diese sind Schlüsselbausteine für Innovationen in den gesellschaftlichen Bedarfsfeldern Kommunikation, Energie, Gesundheit und Mobilität. Leistungsstarke und hochbrillante Diodenlaser, UV-Leuchtdioden und hybride Lasersysteme entwickelt das Institut vom infraroten bis zum ultravioletten Spektralbereich. Die Anwendungsfelder reichen von der Medizintechnik, Präzisionsmesstechnik und Sensorik bis hin zur optischen Satellitenkommunikation und integrierten Quantentechnologie. In der Mikrowellentechnik realisiert das FBH hocheffiziente, multifunktionale Verstärker und Schaltungen, unter anderem für energieeffiziente Mobilfunksysteme und Komponenten zur Erhöhung der Kfz-Fahrsicherheit. Die enge Zusammenarbeit des FBH mit Industriepartnern und Forschungseinrichtungen garantiert die schnelle Umsetzung der Ergebnisse in praktische Anwendungen. Das Institut beschäftigt 370 Personen und hat einen Umsatz von 44,3 Millionen Euro. Es ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft und Teil der »Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland«.
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Kontakt

Petra Immerz, M.A.
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Ferdinand-Braun-Institut gGmbH
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Pressemitteilung des FBH vom 31.08.2022.