Diode Lasers

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Diode Lasers

Grundlagen

Eine Vielzahl von optischen Meßgeräten verwenden Laserdioden als kohärente und/oder leistungsstarke Lichtquellen. Mittlerweile gibt es laserdioden mit einer Vielzahl von Wellenlängen vom blauen bis in den nahen Infrarot-Bereich und Leistungsbereichen von 1mW bis 1kW. Laserdioden können entweder mit einer kontinuierlichen (CW) oder einer gepulsten Emission betrieben werden. Eine Mischform besteht in der Modulation (bis in den Hochfrequenzbereich) einer mit einem Vorstrom betriebenen Laserdiode.

Gepulste Laserdioden werden z.B. häufig in der Laserabstandsmeßtechnik (Laserrange-Scanner) eingesetzt. Diese Dioden können, ausschließlich im Pulsbetrieb mit Pulsbreiten kleiner als 100ns, Pulsleistungen von einigen Watt bei Verwendung eines einzigen Laserdiodenchips, und bei einem Stack mehrerer solchen Diodenchips Leistungen bis zu 100W abgeben. Die auftretenden Spitzenströme liegen dabei im Bereich von 1A – 100A.

Die einfachste Art, gepulste Laserstrahlung zu erzeugen, besteht in der Modulation einer CW-Laserdiode. Dazu wird die Laserdiode mit einem konstanten Strom in den Laserbetrieb gebracht. Dieser Strom kann dann entweder direkt mit einer Konstantstromquelle moduliert oder extern zugeführt über eine sog. T-Bias-Schaltung überlagert werden. Ein Beispiel ist hier zu finden. Die Leistung von CW-Laserdioden ist aber limitiert, und Pulsleistungen im unteren mW-Bereich sind von geringer Bedeutung. Um Linearitätsfehler gering zu halten, sollte ein Modulationsgrad kleiner als 50% für sinusförmige Schwingungen gewält werden.

Weitaus effizienter ist die Ansteuerung eine Laserdiode mit einem zeitlich pulsförmigen Stromverlauf, der die Laseremission steuert. Es gibt spezielle Laserdioden, die mittlere Leistungen im mW-Bereich, aber Pulsleistungen im Watt-Bereich verarbeiten können.

Die pulsförmige Stromverteilung kann mit zwei Methoden realisiert werden:

  1. Gesteuerte Stromquellen mit schnellen MosFET-Transistoren, und
  2. mit einer impulsförmigen Entladung eines Kondensators.

Die erstere Möglichkeit hat den Vorteil, daß der maximale Strom und die Pulsbreite in Grenzen einstellbar sind. Der Nachteil besteht in den verhältnismäßig hohen Gate-Source-Kapazitäten mit einer damit verbundenen hohen Schaltzeit dieser Transistoren im Bereich einiger 10ns. Die Anstiegszeit des Stromimpulses sollte in der Größenordnung einiger Nanosekunden liegen, was mit FET-Transistoren im Hochstrombetrieb (bis ca. 30A) nur schwer zu realisieren ist. Mit MosFET-Transistoren lassen sich i.A. nur Anstiegszeiten von 10-20ns erzielen.

Eine gängige und deutlich wirkungsvollere Methode ist die Entladung eines Kondensators mittels des Avalancheeffekts von bipolaren Transistoren. Der Avalanche-Effekt ist ein definiertes Durchbruchverhalten der Kollecktor-Emitter-Strecke des verwendeten Halbleiters mit einer sehr geringen Anstiegszeit und einer hohen Stromanstiegsrate bei sehr hohen Spitzenströmen bis 100A. Da der Avalanche-Effekt aber nur bei hohen Spannungen nutzbar ist (je nach Transistortyp im Bereich von 100-400V), wird der zu entladene Kondensator mit einer Hochspannung aufgeladen. Selektierte Avalanche-Transistoren besitzen eine hohe Reproduzierbarkeit dieses Spannungsdurchbruchs. Konventionelle Transistoren eignen sich prinzipiell auch, aber auf Kosten der (undefinierten) Lebensdauer. Die folgende Abbildung 29 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer solchen Avalanche-Lasersteuerung.

Figure 29: Schematischer Aufbau einer Laserdioden-Puls-Steuerung mit einem Avalanche-Transistor.

Neben der elektronischen Schaltung ist der richtige mechanische Aufbau der Lasersteuerung und die Auswahl der elektronischen Baulelemente von Bedeutung. Jede Zuleitung und Leiterbahn bildet eine Induktivität, die bei den schnellen Stromanstiegszeiten und hohen Stromamplituden starken Einfluß auf den zeitlichen Verlauf des Strom- und somit Laserimpulses nimmt. Der Aufbau der Lasersteuerung in SMD-Technik und ein sorgfältig geplantes Platinelayout ist zwingend erforderlich für reproduzierbare Ergebnisse. Bei Strömen von einigen 10A nehmen zudem geringstee Leitungswiderstände in der Größenordnung einiger 10 milliohm, insbesondere bei der Massefläche, Einfluß auf das Impulsverhalten.

Eine strikte HF-Abschirmung dieser Laser-Pulsstuerung ist zwingend erforderlich, um in der nähe befindliche Detektorsysteme nicht zu stören. Das von der Laserdiode abgestrahlte elektromagnetische Frequenzspektrum reicht bis in GHz-Bereich und besitzt hohe Feldstärken, die selbst benachbarte Digitalschaltungen beeinflussen können!

Avalanche Steuerungstechnik

Verwendung von avalanche gesteuerten Entladungen eines RLC-Systems zur Pulsansteuerung von Laserdioden mit hohen Impulsströmen.

  • Spitzenstrom bis 100A
  • Pulsleistung: 10W-100W
  • Pulsdauer: 10ns – 50ns
  • Anstiegszeit < 2ns

Laserdiodenmodul: Avalanche Laser Pulser OPTOAV1

Technische Daten

Wellenlänge

900nm

Pulsleistung (nach Optik)

ca. 2W

Kollimatorlinse

f=4,6mm

Pulsdauer

ca. 25ns

Anstiegszeit

ca. 1ns

Abfallszeit

24ns

Eingangsimpedanz

50 Ohm

Versorgunsspannung

12V @ 10mA

Hochspannung

100-200V

Repetitionsrate

0 .. 100kHz

Abmessungen (B X L X H)

40 X 60 X 20 mm

Table 13: Technische Daten des OPTOAV1-Moduls.

Technologie
  • Verwendung eines Avalanche Transistors zur steilflankigen und kontrollierten Entladung eines zuvor mit einer Hochspannung aufgeladenen Kondensators.
  • Im Entladekreis (RLC) wird in Reihe eine spezielle Pulslaserdiode eingeschleift.
  • Die Pulsbreite und die Anstiegszeit ist im wesentlichen nur von der Zeitkonstante des Entladekreises abhängig.
  • Ein Pulsformungsnetzwerk sorgt für definiertes zeitliches Impulsverhalten.
  • Oberhalb der Laserschwelle ist die momentane Ausgangsleistung nahezu proportional zum Stromfluß durch die Diode. Die erzielbare Pulsleistung hängt mit der Kapazität des Entladekondensators und dem Pulsformungsnetzwerk zusammen.
  • Der Laserimpuls ist nahezu unabhängig vom Triggerimpuls.
Schema
Figure 30: Schematischer Aufbau der Laserdioden-Puls-Steuerung mit einem Avalanche-Transistor.
Prototyp
Figure 31: Prototyp des OPTOAV1-Moduls.
Messungen

Gemessene Impulsantwort des Avalanche-Lasers gemessen mit einem APD-Detektor in Kombination mit einem nachgeschalteten HF-Verstärker. Statt einer direkten Beleuchtung der APD (bei 2W Laserpulsleistung auch nicht möglich) wurde stattdessen das Streulicht einer diffusen Oberfläche aufgenommen. Die Anstiegszeit des detektierten Impulses (gemessen am Ausgang des nachgeschalteten HF-Verstärkers) liegt bei ca. 1.7 ns. Die langsame abfallende Flanke ist Folge der Laserdiodensteuerung, und nicht des Impulsverhaltens des APD-Detektors. Das verwendete Digitaloszilloskop hat eine interne Anstiegszeit von 300ps.

Figure 32: Messung der Impuls-Antwort des OPTOAV1-Moduls.