INGENERIC: Neues Kollimationsmodul für Single-Mode-Diodenbarren macht Brightness und Strahlqualität nutzbar

Beidseitig strukturierte, monolithische Mikrooptiken erschließen den Herstellern von Diodenlasern neue Märkte.

Auf der „Photonics West 2018“ stellt INGENERIC erstmals das neue Mikrooptik-Modul „C-SMDB“ vor, das das Unternehmen für die Kollimation von Single-Mode-Diodenbarren entwickelt hat. Mit ihm kann die bessere Brightness der Laser ausgenutzt werden – so eröffnet es den Herstellern der Laser neue Anwendungsfelder.

Single-Mode Barren können aufgrund der hohen Anzahl von Einzelemittern eine hohe Leistung erzielen. Darüber hinaus ist die Strahlqualität der Einzelemitter im Vergleich zu Breitstreifenemittern besser, da jeder Emitter grundmodig Licht emittiert. Um diese Vorteile nutzen zu können, muss ein Optikmodul das Lichtbündel jedes einzelnen Emitters separat kollimieren. Aufgrund der dichten Anordnung der Emitter werden kompakte Mikrooptiken mit feinsten Strukturen benötigt. Das neue Kollimationsmodul ermöglicht es, die hohe Leistung der Single-Mode-Diodenbarren optimal zu nutzen und erlaubt das Erschließen neuer Anwendungen.

Das neue monolithische Zylinderlinsen-Array „C-SMDB“ von INGENERIC für Single-Mode-Barren erzielt aufgrund der Fertigung mit dem Präzisions-Blankpress-Verfahren eine besonders hohe Güte der Kollimation. Das Array wirkt doppelseitig: Die Eintrittsseite kollimiert die Slow-Axis, die Austrittsseite die Fast-Axis des emittierten Lichtes.

An die Fertigungsgenauigkeit der Mikrooptiken werden erheblich höhere Anforderungen gestellt als es bei den Optiken für Dioden mit Breitstreifenemittern der Fall ist. Der Pitch zwischen den einzelnen Linsenelementen auf der Slow-Axis-Seite zum Beispiel muss extrem genau eingehalten werden: Für 200 Elemente muss der Pitch im Mittel jeweils kleiner als 5 Nanometer sein. Auch die Mittendicke soll idealerweise im Bereich von +/- zwei Mikrometern liegen, um ein optimales Ergebnis zu erreichen.

Diese Herausforderung erfüllt INGENERIC mit dem Präzisions-Blankpressen der Arrays, das das Unternehmen auch für andere Mikrooptiken seines Produktportfolios einsetzt. Beim Blankpressen nimmt hoch brechendes Glas exakt die Form des Presswerkzeugs an. Da INGENERIC die Formen mit Submikron-Präzision fertigt, erzielt das Unternehmen bei der Produktion der Arrays eine außergewöhnlich hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. So gelingt es INGENERIC, Arrays mit minimalen Übergangszonen, höchsten Füllfaktoren und kleinsten Pitch-Fehlern prozesssicher auch in Großserien herzustellen.

Dr.-Ing. Stefan Hambücker, Geschäftsführer von INGENERIC, sieht ein hohes Potenzial für Diodenlaser: „Bei den Single-Mode-Barren geht es zurzeit noch darum, Funktionalität und Wirtschaftlichkeit für neue Anwendungsfelder nachzuweisen. Deshalb arbeiten wir in Bezug auf die Optik mit den Herstellern der Diodenlaser intensiv zusammen. Mit hohen Füllungsgraden, einer exzellenten Ausnutzung der Flächen, extrem hoher Konturgenauigkeit sowie einer guten Orientierung der Flächen zueinander ist das C-SMDB genau das richtige Produkt, um die Brightness optimal zu nutzen.“

Das neue Array hat eine Design-Wellenlänge von 970 nm. Die EFL (Effective Focal Length) der FAC (Fast-Axis Collimation) beträgt 600 µm bei einer numerischen Apertur von 0,8, die EFL der SAC (Slow-Axis Collimation) liegt bei 190 µm und der Pitch der SAC bei 48 µm. Dabei befinden sich 200 Linsenelemente auf jedem Teil. Es ergibt sich eine BFL (Back Focal Length) von 179 µm.

beamPROP Strahlformungsoptik

INGENERIC zeigt auf der Messe außerdem die Strahlformungsoptik beamPROP 200, ein Linsen-Array, das das Strahlparameter Produkt (beam parameter product „BPP“) der Fast- und Slow-Axis von Hochleistungs-Diodenlasern angleicht. Er ist eine Schlüsselkomponente für die Faserkopplung von Diodenbarren und die Dichte Wellenlängen-Kopplung (DWM, Dense Wavelength Multiplexing).

Neu ist, dass INGENERIC neben Arrays mit einem Pitch von bisher 500 und 400 µm jetzt auch solche mit einem Pitch von 200 µm herstellt. So können die Emitter auf den Barren dichter angeordnet und die nutzbare Leistung erhöht werden – ein notwendiger Schritt, um die Wirtschaftlichkeit in der Anwendung zu steigern. Damit trägt der beamPROP 200 wie das C-SMDB dazu bei, das Spektrum der Anwendung von Diodenlasern zu erweitern.

Christian Wessling, der Leiter der Produktentwicklung bei INGENERIC, sieht das Unternehmen für neue Anwendungen als Wegbereiter: „Beim DWM, für das der beamPROP eingesetzt wird, arbeiten mehrere Hersteller von Diodenbarren noch an einem umfassenden Konzept – die Optik ist dabei ein entscheidender Bestandteil. Wir entwickeln diese Technik gemeinsam mit ihnen Schritt für Schritt weiter. Hier sehen wir uns als Enabler, der hilft, neue Anwendungen zu erschließen.“

INGENERIC auf der „SPIE Photonics West“
San Francisco/USA, 27.1. bis 1.2.2018:
Stand 5153

Hintergrundinformation zum Branchentrend

Diodenlaser zeichnen sich durch ihre kompakte Bauweise, hohen Wirkungsgrad, lange Wartungsintervalle und hohe Lebensdauer aus. Obwohl der Diodenlaser bereits für zahlreiche Anwendungen qualifiziert ist, ist der Aufbau des Bauteils immer noch der limitierende Faktor für die erreichbare Brightness. Auch die Strahlqualität reicht für einige Anwendungen – zum Beispiel in der Materialbearbeitung – heute noch nicht aus.

Das Bestreben der Hersteller von Diodenlasern ist, neue Anwendungsfelder für ihre Produkte zu erschließen. Im Vordergrund stehen die Brightness und die Strahlqualität der Diodenlaser. Alle aktuellen Entwicklungen zielen darauf ab, diese Eigenschaften zu verbessern, um zum Beispiel beim Multiplexen (DWM) die Wellenlängen zu stabilisieren und damit eine höhere Leistung in dünnere Fasern zu koppeln oder die Brightness von Single-Mode-Barren optimal zu nutzen. Für beide Lösungsansätze führt der Weg über spezielle Mikrooptiken für Kollimation und Strahlformung. Im Vergleich mit etablierten Aufbauten, bei denen FAC, SAC, Umlenkspiegel und Koppeloptiken verwendet werden, um Leistung in eine Faser zu koppeln, ist jedoch noch Entwicklungsarbeit zu leisten. Die neuen Mikrooptiken von INGENERIC bieten jedoch das Potenzial, die Brightness etablierter Ansätze zu übertreffen und damit neue Anwendungen zu erschließen.

Ãœber INGENERIC

Die 2001 am Technologie- und Forschungsstandort Aachen gegründete INGENERIC GmbH entwickelt und produziert hochpräzise mikrooptische Komponenten für High-Power-Applikationen sowie optische Systeme und Lasersysteme wie Faserkoppler, Homogenisierer und Kollimations-Module für Wissenschaft, Medizin und Messtechnik.

Heute ist INGENERIC einer der wenigen Hersteller in Europa, der Mikrooptiken aus Glas für die Strahlformung in Halbleiter-Diodenlasern nach den individuellen Vorgaben seiner internationalen Kunden entwickelt und produziert. Dabei deckt das Unternehmen die gesamte Prozesskette vom Design der Linsen und der Entwicklung von Prototypen über die Kleinserie bis hin zur Serienfertigung ab.

Außerdem stellt INGENERIC Hochleistungs-Lasersysteme her. Für das HiLASE oder XFEL Projekt zum Beispiel hat INGENERIC bereits mehrere Hochenergie-Laser geliefert, die pro Sekunde 10 Pulse mit einer Energie von 250 Joule bei einer mittleren Leistung von 2,5 kW abgeben.

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INGENERIC: Neue Mikrolinsen-Arrays bieten große Vorteile in optischen Anwendungen

Mikrooptiken für Strahlformung, Kollimation und Homogenisierung: Blankpressen von hoch brechendem Glas ermöglicht höchste Präzision

Erstmals stellt INGENERIC auf der diesjährigen „Laser – World of Photonics“ die neuen Mikrolinsen-Arrays aus Glas mit hohem Brechungsindex vor. Sie werden nach dem Präzisions-Blankpressverfahren hergestellt und zeichnen sich durch hohe Formgenauigkeit aus. INGENERIC entwickelt individuelle Arrays für Kunden und führt sie in die wirtschaftliche Serienproduktion über.

Auf der Messe präsentiert das Unternehmen aus der Technologieregion Aachen seine neuen Mikrolinsen-Arrays mit bis zu 500 einzelnen Linsen und Abmessungen von bis zu 60 x 60 mm, zum Beispiel für die Strahlformung und das Homogenisieren von Licht.

INGENERIC wendet das Präzisions-Blankpressen an, bei dem hoch brechendes Glas exakt die Form des Presswerkzeugs annimmt. Da das Unternehmen die Formen mit Submikron-Präzision fertigt, erzielt es bei der Produktion der Arrays außergewöhnlich hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. So gelingt es INGENERIC, Arrays mit minimalen Übergangszonen, höchsten Füllfaktoren und kleinsten Pitch-Fehlern prozesssicher auch in Großserien herzustellen.

Beim Entwurf von Mikrooptiken für spezielle Anwendungen bietet das Verfahren darüber hinaus große Freiheit: Im Vergleich mit dem Ätzverfahren können komplexere Optiken mit größerem Aspektverhältnis von Radius und Apertur realisiert werden. Darüber hinaus zeichnet sich das Verfahren durch eine relative Radiustoleranz von besser als 0,2 Prozent aus, die bei der Serienproduktion genau reproduzierbar ist.

Dr.-Ing. Stefan Hambücker, einer der Geschäftsführer von INGENERIC, sieht deutliche Vorteile für seine Kunden: „Mit den neuen Mikrolinsen-Arrays aus hoch brechendem Glas, die wir als einer der ganz wenigen europäischen Hersteller entwickeln und fertigen, eröffnen wir unseren Kunden nicht nur neue Märkte. Sie können auch bestehende Systeme verbessern. So steigern sie die Qualität ihrer Produkte und erfüllen gleichzeitig die Kostenanforderungen der Serienfertigung.“

INGENERIC stellt Mikrolinsen-Arrays mit asphärischen oder sphärischen Linsen her, die plankonvex, bikonvex oder konvex-konkav sind sowie eine runde oder rechteckige Apertur mit Durchmessern von 0,2 bis 3,0 mm aufweisen. Sie können Abmessungen von bis zu 60 60 mm haben.

Strahlformungsoptik beamPROP

Außerdem zeigt INGENERIC neben seinem Standardportfolio auf der Messe die neue Strahlformungsoptik beamPROP 200. Sie ist eine der Schlüsselkomponenten für das Einkoppeln des Laserlichts aus Barren in Fasern sowie für die dichte Wellenlängenkopplung. Neu ist, dass INGENERIC den Pitch von bisher 500 und 400 auf jetzt zusätzlich 200 µm reduziert und somit sein Geometrie-Spektrum für die Anwendung mit weiteren Laserbarren erweitert hat.

Mit dem beamPROP von INGENERIC erzielen die Kunden deutlich bessere und reproduzierbarere Resultate als mit Komponenten aus anderen Herstellungsverfahren. So nutzt INGENERIC für die Herstellung des neuen beamPROPs nicht nur die Expertise seiner erprobten Fertigungstechnologie, sondern es kommt hier außerdem eine präzise, automatisierte Montagetechnik zum Tragen.

Die Vorteile der Strahlformungsoptiken von INGENERIC gegenüber anderen Herstellungsverfahren sind unter anderem:
-Optimale Nutzung der Apertur durch kleinste Übergangszonen und besonders hohe Füllfaktoren
-Minimale Aberration aufgrund der Fertigungsgenauigkeit
-Präzise Drehung des Strahls dank der hohen Genauigkeit der Mittendicke der Linsen von +/- 6 µm
-Minimale Pointing-Fehler mittels der präzisen Position der Vorder- und Rückseite der Linsen

INGENERIC auf der „Laser – World of Photonics“
München, 26. bis 29. Juni 2017:
Halle B1, Stand 430

Hintergrund: Die Präzision im Detail

Die Array-Strukturen bewegen sich typisch im Sub-Millimeterbereich, die Formgenauigkeit liegt mit weniger als 250 nm im Submikron-Bereich. Dies macht es möglich, Arrays mit hohen Füllfaktoren herzustellen und die optisch wirksame Fläche optimal auszunutzen: Übergangszonen von weniger als 10 μm realisiert INGENERIC mit hoher Prozesssicherheit. Der Nutzen für den Anwender: Optimale Strahlformung und hohe Effizienz bei Übertragung und Kopplung.

Das Blankpressen gestattet es außerdem, bei beidseitigen Optiken den Versatz zwischen Ober- und Unterseite des Arrays auf weniger als 5 μm genau einzuhalten. Hinzu kommt eine sehr hohe Pitch-Genauigkeit: Den Abstand der einzelnen Linsenmittelpunkte reproduziert INGENERIC mit einer Genauigkeit von besser als 2 µm auf 25 mm Länge, so kumulieren Fehler nicht über die Breite des Arrays.

Für einige Mikrooptiken – besonders für beidseitige Strukturen – ist das genaue Einhalten der Mittendicke sehr wichtig, da sie teleskopisch wirken und kleinste Abweichungen zu Abbildungsfehlern führen. Hier erzielt INGENERIC Genauigkeiten von etwa +/-6 µm.

Im Vergleich mit klassischen Verfahren – beispielsweise dem Quarzätzen – realisiert INGENERIC eine relative Radiustoleranz von besser als 0,2 Prozent, die bei der Serienproduktion von Wafer zu Wafer exakt reproduziert wird.

Ãœber INGENERIC

Die 2001 am Technologie- und Forschungsstandort Aachen gegründete INGENERIC GmbH entwickelt und produziert hochpräzise mikrooptische Komponenten für High-Power-Applikationen sowie optische Systeme und Lasersysteme wie Faserkoppler, Homogenisierer und Kollimations-Module für Wissenschaft, Medizin und Messtechnik.

Heute ist INGENERIC einer der wenigen Hersteller in Europa, der Mikrooptiken aus Glas für die Strahlformung in Halbleiter-Diodenlasern nach den individuellen Vorgaben seiner internationalen Kunden entwickelt und produziert. Dabei deckt das Unternehmen die gesamte Prozesskette vom Design der Linsen und der Entwicklung von Prototypen über die Kleinserie bis hin zur Serienfertigung ab.

Außerdem stellt INGENERIC Hochleistungs-Lasersysteme her. Für das HiLASE Projekt zum Beispiel hat INGENERIC bereits mehrere Hochenergie-Laser geliefert, die pro Sekunde 10 Pulse mit einer Energie von 100 Joule bei einer Leistung von 1kW abgeben.

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