IPS: Optische Isolatoren verbessern die Laserzuverlässigkeit

Die Herausforderung

Raman-Spektroskopie und -bildgebung sind leistungsstarke Methoden zur Untersuchung von Proben in Forschung und Industrie für verschiedenste Anwendungen, beginnend bei der Qualitätskontrolle (QC) über die Identifizierung von Polymorphen bis hin zur markierungsfreien Bildgebung lebender Zellen sowie Anwendungen zur Überwachung chemischer Prozesse. Das liegt daran, dass der Raman-Effekt spektral aufgelöste chemische Fingerabdruckdaten ähnlich wie Fourier-Transform-Infrared-(FTIR)-Daten erzeugt, jedoch Licht mit sichtbaren und Nah-IR-Wellenlängen verwendet, das durch Glasfasern, Linsen und in wasserbasierte Proben übertragen werden kann. Die zur genauen Messung eines Raman-Spektrums erforderlichen Werkzeuge haben sich aufgrund der Konvergenz von drei Technologien vollständig geändert, die so kompakte, eigenständige Spektrometer und Mikroskope ermöglichten. Bei den drei Technologien handelt es sich um kompakte Hochleistungs-Halbleiter- und Festkörperlaser mit geringer Linienbreite, holografische und steilflankige Langpassfilter zur Eliminierung des relativ intensiven, gestreuten Laserlichts (Rayleigh) und rauscharme Mehrelement-Photodetektoren und Kameras.

Die wirtschaftlichsten und kompaktesten Laser basieren auf Halbleiterdiodenlasern. Aber um für Raman verwendet zu werden, muss die Laserwellenlänge sowohl eine ultrageringe Linienbreite aufweisen als auch stabil sein. Ein bewährter Ansatz besteht darin, einen Fabry-Perot-Diodenlaserchip zu verwenden und seinen Ausgang mit einem als Volumen-Bragg-Gitter (VBG) bezeichneten Filtertyp zu verbinden. Das ist die Grundlage der Lasermodule vom Typ Digital-D, die Innovative Photonic Solutions (IPS) mit Einzelfrequenzausgang für OEM-Hersteller von Raman-Mikroskopen, Instrumente und für Forscher herstellt. IPS-Laser sind mit den gängigen Raman-Anregungswellenlängen von 638 nm und 785 nm sowie mehreren anderen Wellenlängen erhältlich. Aufgrund der Beschaffenheit von Diodenlaserchips war es jedoch keineswegs trivial, die für die meisten Raman-Anwendungen erforderliche Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit zu liefern.

Die Lösung

Dr. Greg Charache ist VP of Photonics bei IPS. Er erklärt: „Es ist bekannt, dass die häufigste Fehlerursache bei räumlichen Single-Mode-Diodenlasern katastrophale optische Schäden (COD) an der empfindlichen Ausgangsfacette des Diodenchips sind, wo eine hohe Laserintensität zur Überhitzung und schließlich zum Schmelzen des Halbleiters führen kann." Zum Beispiel begrenzte COD die Lebensdauer früher Hochleistungs-Direktdioden, bis Coherent den Weg für eine Lösung in Form von aluminiumfreien aktiven Bereichen, AAA und Diodenlasergeräten ebnete. Allerdings kann COD in Diodenlasern aufgrund von Rückreflexionen von nachgeschalteten Optiken bei jedem Leistungspegel möglicherweise noch immer auftreten.

Charache ergänzt: „Raman-Mikroskope sind sehr genau ausgerichtete optische Systeme. Daher können sie Rückreflexionen von hochglanzpolierten Proben wie Siliziumwafern und Probenträgern wie Glasobjektträgern erzeugen. Infolgedessen wird der Strahl „gefaltet"und kann vollständig zurück in den Diodenlaserchip selbst reflektiert und können COD verursacht werden. Ferner ergaben weitere Untersuchungen von IPS, dass auch viele Forscher außerhalb der Halbleiterindustrie Siliziumwafer zur Ausrichtung ihrer Raman-Mikroskope verwenden, da der Wafer atomar flach ist und ein starkes Raman-Signal erzeugt. Während dies eine einfache Kalibrierung und Ausrichtung dieser konfokalen Systeme ermöglicht, waren wir der Meinung, dass dies der Grund für den frühen Ausfall einiger unserer Lasermodule war."

Der einfachste Weg zur Beseitigung dieser Art von Rückreflexionen ist die Verwendung eines Geräts namens Optischer Isolator, der als Einwegventil für das Licht wirkt. Durch die geschickte Kombination von optischen Polarisatoren und Wellenplatten ermöglicht ein optischer Isolator eine effiziente (z. B. > 92 %) Vorwärtsübertragung von Licht, während er effektiv eine Lichtübertragung in der Rückwärtsrichtung blockiert, z. B. > 33 dB Dämpfung.

Nach umfangreichen Tests und Bewertungen in ihrem Produktentwicklungslabor entschied sich IPS für speziell für sie angepasste Optische Tornos-Isolatoren von Coherent. Diese Isolatoren enthalten optisch kontaktierte polarisierende Strahlteilerwürfel, die im Vergleich zu anderen verfügbaren Isolatoren zu einer höheren Übertragung führen. Charache erklärt: „Wir bieten jetzt alle unsere Digital-D-Module mit der Option eines vollständig integrierten optischen Tornos-Isolators an. Wir empfehlen diese Option allen unseren Raman-Kunden, insbesondere OEMs, die Mikroskope herstellen, sowie Endbenutzern, die ihre eigenen Mikroskope bauen."

Das Ergebnis

Diese Änderung hatte laut Charache unmittelbare und dramatische Folgen. Er sagt: „Wir haben ausgehend von einer Situation, in der wir einen stetigen Strom von Feldausfällen aufgrund von COD in diesen Lasermodulen hatten, eine vollständige Beseitigung des Problems erreicht. Alle haben profitiert. Wir haben nicht die Gefahr unzufriedener OEM-Kunden und die Kunden müssen sich keine Sorgen über mögliche negative Auswirkungen auf das Markenimage aufgrund einer Laserunzuverlässigkeit machen. Und am wichtigsten ist, dass der Endbenutzer Experimente mit seinen Raman-Mikroskopen planen und durchführen kann, ohne sich Gedanken über einen möglichen Laserausfall machen zu müssen. Ich betone das Planen, weil viele Raman-Mikroskope intensiv als gemeinsam verwendete Analyseinstrumente genutzt werden, was natürlich nur dann gut funktioniert, wenn Leistung auf Abruf verfügbar ist.“

Neben den Hauptanwendungen der Raman-Mikroskopie, Raman-Spektroskopie und Verarbeitung von Raman-Daten, stellt Charache fest, dass die schlüsselfertige Einfachheit – und jetzt hohe Zuverlässigkeit – dieser Einzelfrequenz-Halbleiterlasermodule diese Produkte auch für andere anspruchsvolle Anwendungen beliebt macht, wie die Metrologie und Interferometrie, Atomuhren und Spitzentechnologie-Forschung in Quantencomputern.

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