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Science Research Technology

New collimation module for single-mode diode bars utilizes brightness and beam quality

Monolithic micro-optics structured on both sides open up new markets for diode-laser manufacturers.

New collimation module for single-mode diode bars utilizes brightness and beam quality

The new monolithic cylindrical lens array „C-SMDB“ from INGENERIC for single-mode bars.

At the „Photonics West 2018“, INGENERIC for the first time presents the new micro-optics module „C-SMDB“, developed by the company for the collimation of single-mode diode bars. This helps to exploit the improved brightness and open up new fields of application for laser manufacturers.

Single-mode bars can achieve high performances with their large numbers of single emitters. Also, the beam quality from single emitters is superior to that of broad stripe emitters, as each emitter gives off light in fundamental mode. To make best use of these advantages, an optical module needs to collimate the light beam separately for each emitter. The emitters are tightly packed, so it is necessary to use compact micro-optics with the finest structures. The new collimation module optimizes the utilization of the high performance available from single-mode diode bars, and this opens up potential new applications.

The new monolithic cylindrical lens array „C-SMDB“ from INGENERIC for single-mode bars achieves high degrees of collimation as it is produced with the process of precision glass molding. The array is effectively double-sided: The entry side collimates the slow axis, the exit side the fast axis of the emitted light.

The production accuracy of the micro-optics is subject to considerably higher demands than is the case with the optics for diodes with broad stripe emitters. The pitch between the individual lens elements on the slow-axis side, for example, must be maintained with extreme accuracy: For 200 elements, the pitch has to be on average less than 5 nanometers. The center thickness should ideally be in the range of +/- two microns in order to achieve an optimal result.

INGENERIC uses the precision glass molding of the arrays to meet this challenge, a process which the company uses for other micro-optics in its product portfolio. With glass molding, high refractive-index glass very precisely takes on the shape of the pressing tool. The molds manufactured by INGENERIC to sub-micron precision enable the arrays to be produced with exceptionally high accuracy and reproducibility. INGENERIC successfully manufactures arrays with minimal transition zones, highest filling factors and minimal pitch errors, even in large batches.

Dr. Stefan Hambücker, Managing Partner of INGENERIC, sees great potential for diode lasers: „For the single-mode bars, we are currently working to demonstrate their functionality and cost-effectiveness in new fields of application. That is why, in terms of optics, we are working very closely with the manufacturers of diode lasers. With high fill factors, excellent utilization of the surface area, extremely high contour accuracy and a good orientation of the surfaces to one another, the C-SMDB is exactly the right product to make the best use of the brightness.“

The new array has a design wavelength of 970 nm. The effective focal length (EFL) of the fast-axis collimation (FAC) is 600 μm with a numerical aperture of 0.8, the EFL of the slow-axis collimation (SAC) is 190 μm, and the pitch of the SAC is 48 μm. There are 200 lens elements on each part. The result is a back focal length (BFL) of 179 microns.

beamPROP beam shaping optics

INGENERIC is also exhibiting the beamPROP 200 beam-shaping optics, a lens array that adjusts the beam parameter product (BPP) of the fast and slow axis of high-power diode lasers. It is a key component for fiber coupling of diode bars and for dense wavelength multiplexing (DWM).

What is new is that INGENERIC now produces arrays with pitches not only of 500 and 400 μm, but now also with a pitch of 200 μm. This allows the emitters on the bars to be placed closer together and provides an increase in the usable power, which is a necessary step to increase the efficiency in the application. As a result, the beamPROP 200 and the C-SMDB extend the spectrum of diode laser applications.

Christian Wessling, Head of Product Development at INGENERIC, sees the company as a trailblazer for new applications: „With regards to the DWM, which operates with the beamPROP, a number of manufacturers of diode bars continue to work on a comprehensive concept-and optics are a crucial component here. We are working with them step by step to develop this technology. We see ourselves as enablers who are helping to open up new applications.“

INGENERIC at „SPIE Photonics West“
San Francisco/USA, Jan. 27 to Feb. 1, 2018:
Stand 5153

Background information on the industry trend

Diode lasers are characterized by their compact design, high efficiency, long service intervals, and long service life. Although the diode laser is already qualified for numerous applications, the achievable brightness is still subject to the structure of the component as the limiting factor. Also, beam quality today is still not sufficient for some applications, such as material processing.

Manufacturers of diode lasers are endeavoring to develop new fields of application for their products. Primary factors are the brightness and beam quality of the diode lasers. All current developments aim to improve these properties, for example to stabilize the wavelengths during multiplexing (DWM) and thus to combine higher powers with thinner fibers, or to make optimum use of the brightness of single-mode bars. Both approaches require special micro-optics for collimation and beam shaping. However, development work is still required in comparison to the established designs that rely on FAC, SAC, deflecting mirrors and coupling optics to bundle the power into a single fiber. The new micro-optics from INGENERIC have the potential to outperform the brightness of established approaches, which would open up new applications.

About INGENERIC

Founded in 2001 in the university-city of Aachen, Germany, INGENERIC GmbH develops and manufactures high-precision micro-optic components for high-power applications, along with optical and laser systems including fiber couplers, homogenizers and collimation modules for science, medicine and measurement technology.

Today, INGENERIC is one of the few manufacturers in Europe to develop and manufacture glass micro-optics for beam shaping in semiconductor diode lasers according to the individual specifications of its international customers. The company handles the entire process chain from the lens design and the development of prototypes through to the small-batch production and serial manufacture.

INGENERIC also produces high-power laser systems. For the HiLASE or XFEL project, for example, INGENERIC supplied a number of high-energy lasers delivering 10 pulses per second with an energy of 250 Joules and an average power output of 2.5kW.

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Science Research Technology

New INGENERIC microlens arrays offer significant advantages in optical applications

Micro-optics for beam shaping, collimation, and homogenization: Highest precision molding of high refractive index glass

New INGENERIC microlens arrays offer significant advantages in optical applications

Single-sided microlens array with 400 lens elements and square aperture, two-dimensional

INGENERIC premiers their new microlens arrays with high refractive index glass at this year’s „Laser – World of Photonics“. Manufactured in a precision glass molding process, they are characterized by high dimensional accuracy. INGENERIC develops customized arrays and brings them to commercial serial production.

At the trade fair, the company based in Aachen, Germany is presenting its new microlens arrays with up to 500 individual lenses and dimensions of up to 60 x 60 mm, for example for beam shaping and light homogenization.

INGENERIC works with precision molding techniques, which ensure that high refractive index glass takes on precisely the form of the molding tool. The molds manufactured by the company to sub-micron precision enable the arrays to be produced with exceptionally high accuracy and reproducibility. INGENERIC successfully manufactures arrays with minimal transition zones, highest filling factors and minimal pitch errors, even in large batches.

When it comes to designing micro-optics for special applications, the process offers significant degrees of freedom: Compared to the etching process, optics can be far more complex with a larger radius-to-aperture aspect ratio. Furthermore, the process excels with a relative radius tolerance better than 0.2 %, which is fully reproducible in serial production.

Dr. Stefan Hambücker, a Managing Director at INGENERIC, sees clear advantages for his customers: „As one of the very few European manufacturers involved in the development and manufacture of the new microlens arrays with high-refraction glass, we are not only opening up new markets to our customers. We also help them to improve their existing systems. They can improve the quality of their products while at the same time they meet the cost requirements of serial production.“

INGENERIC manufactures microlens arrays with aspherical or spherical lenses that are planoconvex, biconvex or convex-concave, and which have a circular or rectangular aperture measuring from 0.2 to 3.0 mm. They can have dimensions of up to 60 60 mm.

Beam-shaping lens beamPROP

Along with its standard portfolio, INGENERIC is also exhibiting its new beam-shaping optic beamPROP 200 at the fair. It is a key component for fiber coupling the laser light from diode bars and for dense wavelength beam combining. INGENERIC has now reduced the pitch from 500 and 400 to 200 μm, which expands its geometry spectrum for use with additional laser bars.

The beamPROP from INGENERIC enables customers to achieve significantly better and more reproducible results than with components manufactured in other ways. INGENERIC can leverage the expertise from its tried-and-tested production technologies for the manufacture of the new beamPROP; a precise and automated assembly technology is applied here.

The advantages of INGENERIC beam-shaping optics over other manufacturing processes include:
-Optimal use of the aperture due to the smallest possible transition zones and particularly high filling factors
-Minimal aberration due to manufacturing accuracy
-Precise beam rotation thanks to the high accuracy of the lens center thickness of +/- 6μm
-Minimal pointing errors due to the precise alignment of the front and back of the lenses

INGENERIC at the „Laser – World of Photonics“ in Munich,
June 26 – 29, 2017:
Hall B1, Booth 430

Background: Precision in detail

The array structures typically have dimensions in the sub-millimeter range, and the dimensional accuracy is sub-micron at less than 250 nm. This makes it possible to produce arrays with high filling factors and to make the best possible use of the optically effective surface area: INGENERIC reliably implements transition zones of less than 10 μm. The benefit to the user: Optimal beam shaping and high-efficiency transmission and coupling.

High-precision molding keeps the offset between the upper and lower sides of the array under 5 μm. In addition, there is very high pitch accuracy: INGENERIC reproduces the separation between the individual lens center points with an accuracy of better than 2 μm over a length of 25 mm, so there is no accumulation of errors across the width of the array.

For some micro-optics – particularly the two-sided structures – the exact adherence to the central thickness is vitally important, since they have a telescopic effect and the slightest deviations lead to aberrations. INGENERIC achieves accuracies close to +/-6 μm here.

Compared to conventional methods like fused silica etching, INGENERIC achieves a relative radius tolerance better than 0.2 percent, which in serial production is precisely reproducible from wafer to wafer.

About INGENERIC

Founded in 2001 in the university-city of Aachen, Germany, INGENERIC GmbH develops and manufactures high-precision micro-optic components for high-power applications, along with optical and laser systems including fiber couplers, homogenizers and collimation modules for science, medicine, and measurement technology.

Today, INGENERIC is one of the few manufacturers in Europe to develop and manufacture glass micro-optics for beam shaping in semiconductor diode lasers according to the individual specifications of its international customers. The company handles the entire process chain from the lens design and the development of prototypes through to the small-batch production and serial manufacture.

INGENERIC also produces high-power laser systems. For the HiLASE project, for example, INGENERIC supplied a number of high-energy lasers delivering 10 pulses per second with an energy of 100 Joules and a power output of 1kW.

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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

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

Einseitiges Mikrolinsen Array mit 400 Linsenelementen und quadratischer Apertur, zweidimension

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.

Über 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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