Miniaturisiertes diodenlaserbasiertes Zwei-Photonen-Polymerisationssystem zur Herstellung nutzerdefinierter Mikrooptiken (MINI2PP) - Laserdiodenentwicklung

Abstract

Im Rahmen des Projekts wurden monolithische modengekoppelte Diodenlaser mit einer Emissionswellenlänge von 780 nm für die Anwendung in der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) entworfen, gefertigt und umfassend charakterisiert. Hierfür wurden vier verschiedene Epitaxiestrukturdesigns entwickelt, die sich in der Zusammensetzung der aktiven Zone und den Quantenfilmkonfigurationen unterscheiden. Die Strukturen wurden in zwei vollständigen Fertigungsdurchläufen zu Lasern verarbeitet. Die detaillierte Charakterisierung bestätigte, dass alle vier Strukturdesigns erfolgreich im Modenkopplungsbetrieb arbeiten. Designs mit zugverspannten Quantenfilmen zeigten im Vergleich zu denen mit kompressiv verspannten Quantenfilmen eine geringere Laserschwelle, höhere Ausgangsleistung sowie eine höhere Puls-Spitzenleistung. Kompressiv verspannte Quantenfilme führten jedoch zu kürzeren Pulsen (~4 ps im Vergleich zu ~7 ps). Parallel zur Fertigung und Charakterisierung wurden theoretische Untersuchungen unter Verwendung des WIAS-BAlaser-Simulationswerkzeugs durchgeführt, das auf dem Traveling-Wave-Modell basiert. Die Simulationen bestätigten die Machbarkeit der Modekopplung in den entwickelten Lasern und lieferten wertvolle Einblicke in die Intrakavitätsdynamik, den Ladungsträgertransport und thermische Effekte, was half, die experimentellen Ergebnisse zu interpretieren. Unter allen getesteten Bauelementen zeigte der zugverspannte Einzelquantenfilm-Laser die höchste Gesamtleistung, erreichte eine Pulsdauer von etwa 7 ps und eine Spitzenleistung von über 40 W, wäh-rend eine hohe Strahlqualität beibehalten wurde. Dieser optimierte Laser wurde in ein miniaturisiertes 2PP-System integriert, welches erfolgreich zum hochpräzisen 3D-Druck eingesetzt wurde und so die Eignung und Effektivität des Lasers für die beabsichtigte Anwendung bestätigte.