Modellierung der katastrophalen optischen Degradation von Hochleistungslaserdioden unter externer optischer Rückkopplung

Die Rückreflex-induzierte katastrophale optische Degradation (COD) von Hochleistungslaserdioden stellt eine wesentliche Limitierung aktueller Lasersysteme in der Materialbearbeitung dar. In der vorliegenden Arbeit wird ein multiphysikalisches Modell einer Laserdiode entwickelt und anhand experimenteller Daten validiert, mit dem dieser Degradationsprozess abgebildet werden kann. Mithilfe des Modells werden verschiedene Ansätze zum Design Rückreflex-resistenter Laserdioden analysiert.

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Hochleistungslaserdioden stellen aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften wie Effizienz, Kompaktheit und Zuverlässigkeit eine Schlüsselkomponente in der Photonik des 21. Jahrhunderts dar. Durch eine spektrale Stabilisierung mit Volumenbeugungsgittern zur Reduktion von Linienbreite und thermischer Drift können sowohl hocheffiziente Pumpmodule für Faser- und Scheibenlaser als auch Diodenlaser-Systeme zum direkten Einsatz in der Materialbearbeitung realisiert werden. Die auftretenden Rückreflexe führen jedoch zu einer verringerten Leistungsschwelle für das Einsetzen der katastrophalen optischen Degradation (COD) der Laserdioden und limitieren damit die verfügbare Ausgangsleistung der einzelnen Emitter wie auch die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems.Eine Analyse der zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen ist im Rahmen experimenteller Untersuchungen nur begrenzt möglich. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit ein multiphysikalisches Modell einer Hochleistungslaserdiode mit externer Kavität (ECDL) entwickelt, das durch eine selbstkonsistente Berechnung der elektrischen, optischen und thermischen Eigenschaften der Laserdiode eine Abbildung der katastrophalen Degradation erlaubt. Das Einsetzen vertikaler Leckströme wird dabei als ein entscheidender Beitrag zur positiven Rückkopplungsschleife identifiziert, die ausgehend von einer initialen Temperaturerhöhung schließlich zu einem lokalen Aufschmelzen und somit zur Zerstörung des Halbleiter-Chips führt. Das Modell wird durch eine experimentelle Studie zum Einfluss des Facettenüberhangs auf die COD-Schwelle quantitativ validiert. Mithilfe einer Analyse der Auswirkungen von Dejustagen im externen Resonator kann die starke Reduktion der COD-Schwelle spektral stabilisierter Laserdioden auf eine Absorption der rückgekoppelten Strahlung in den Metallschichten auf der p-Seite des Halbleiters zurückgeführt werden.Abschließend wird das Modell als digitaler Prototyp zur Entwicklung Rückreflex-resistenter Laserdioden genutzt. Für eine Kombination verschiedener Design-Ansätze wird eine Steigerung der COD-Schwelle in Bezug auf die Ausgangsleistung um 37 % gegenüber dem ursprünglichen System vorhergesagt. Durch die Verwendung eines externen Resonators mit beidseitig telezentrischer, abbildender Rückkopplung ohne Bildumkehr kann unabhängig von einer Dejustage der Kollimationslinse die Absorption in den Metallschichten und folglich der Rückreflex-induzierte COD in der Simulation vollständig vermieden werden.