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Auswahl der richtigen Laserdiode

Um Sie bei der Bestimmung der Spezifikationen der von Ihnen benötigten Laserdioden zu unterstützen, haben wir eine vierstufige Vorgehensweise entwickelt

Der Einsatz von Laserdioden wird von zahlreichen Technikern erwogen. Dabei spielt es keine Rolle, ob es um ein ganz neues System oder den Ersatz älterer Gaslaser geht. Das Problem ist die Vielfalt: Es stehen so viele verschiedene Laserdioden zur Verfügung, dass sowohl Forscher als auch Vertriebsexperten für das Treffen der richtigen Entscheidung unter Umständen mehrere Tage benötigen. Unser Leitfaden hilft Ihnen, die wichtigsten Fragen zu beantworten: Welche Laserdiode ist für diese Anwendung geeignet? Welche Parameter haben Vorrang und welche können vernachlässigt werden?

Im Rahmen unserer Schritt-für-Schritt-Anleitung werden Ihnen einige Fragen gestellt, auf deren Grundlage in einer entsprechenden Tabelle schnell die richtige Laserdiode gefunden werden kann. Damit steht sowohl für Studenten als auch für Entwicklungsingenieure eine Hilfe für den Lösungsfindungsprozess zur Verfügung.

Das vollständige Tutorial ist über diesen LINK zur Zeitschrift Laser Focus World zu finden.

Umsetzung der Anwendungsanforderungen in entsprechende Laserparameter

Um die richtige Laserdiode für die eigene Anwendung zu finden, gehen Sie aller Wahrscheinlichkeit nach von bestimmten Parametern aus, die durch die entsprechende Anwendung gegeben sind. Das soll hier mithilfe eines Beispiels nachvollzogen werden. Dazu wird angenommen, dass ein ordentliches Laserinterferometer für Oberflächenprofil- oder Geschwindigkeitsmessungen gebaut werden soll.

Für dieses Gerät wird eine Laserdiode mit einer Kohärenzlänge von 1 bis 10 m benötigt. Das interferometrische Muster sollte bei Temperaturänderungen stabil bleiben (< 0,1 nm/K). Es wird ein kollimierter Gauß-Strahl benötigt, und die Leistung sollte mehr als 80 mW betragen. Der verwendete Detektor basiert auf Silizium, das nur für Wellenlängen von weniger als 1100 nm geeignet ist. Die Zentralwellenlänge selbst und die Polarisierung sind in diesem Fall weniger wichtig. An diesem Punkt stehen keinerlei Informationen zum Gehäuse und zur Anschlussbelegung zur Verfügung.

Tabelle 1: Von den Anwendungsspezifikationen zu den Laserparametern, Referenztabelle, Beispieldaten fett dargestellt

Anwendungsanforderungen Laserparameter
Kohärenzlänge         L = 1 – 10 m   

Spektrale Auflösung

Filterbandpass usw. 

Linienbreite                             Δν = 10 – 100 MHz

Wellenlängentoleranz

Wellenlängenstabilität            < 0.1 nm/K

Wellenlänge                          λ< 1100 nm

Strahlqualität, Divergenz, Strahlfleckprofil und -größe usw.

Gauß-Strahl

Transversalmodus, M²           M² < 1.1

Intensität, Brillanz usw. 

Leistung                                   P > 80 mW

Tabelle 1 enthält die bisher verfügbaren Daten. Die reinen Anwendungsanforderungen sind links angeordnet, die Laserparameter befinden sich auf der rechten Seite. Aus der Kohärenzlänge kann die Linienbreite berechnet werden: Δν = c/πL = 9,6 - 95,5 MHz.

Für in diesem Bereich weniger erfahrene Anwender werden die Parameter im Folgenden genauer erläutert. Die meisten Detailangaben basieren auf der von der RP Photonics Consulting GmbH herausgegebenen Photonik-Enzyklopädie von Rüdiger Paschotta. Dabei handelt es sich um eine vorzügliche Quelle für alle Arten von Hintergrundwissen.

Kohärenzlänge: Die Entfernung, über die sich die Kohärenz signifikant verschlechtert. Eigentlich bezieht sie sich sogar auf die zeitliche Kohärenzlänge. Für unsere Zwecke reicht die obige Definition aber aus. Weitere Detailangaben und ein Rechner sind unter www.rp-photonics.com/coherence_length.html zu finden. Weiter unten in diesem Tutorial wird die folgende Formel verwendet: Δν = c/πL, wobei Δν die Bandbreite (bzw. Linienbreite), c die Lichtgeschwindigkeit und L die Kohärenzlänge ist.

Spektrale Auflösung: Die spektrale Auflösung bezeichnet die Beziehung zwischen der Bandbreite (in nm) und der Wellenlänge: R = λ/Δ λ. Im Fall eines Spektrographen bzw. allgemeiner eines Frequenzspektrums ist dies ein Maß für die Fähigkeit, Merkmale im elektromagnetischen Spektrum aufzulösen.

Zur Berechnung der Bandbreite in MHz aus einem nm-Wert kann die folgende Formel verwendet werden: Δν = Δλ*c/λ². Es ist auch möglich, einen der im Internet verfügbaren Rechner zu verwenden, z. B. den unter www.photonicsolutions.co.uk/wavelengths.php verfügbaren, der sogar die Umwandlung in cm-1 und vier weitere Bandbreiteneinheiten ermöglicht.

Bandpass: Bei einigen Sensoren für die Erkennung von Lasersignalen kommen Interferenzfilter für die Ausblendung von störendem Umgebungslicht zum Einsatz. Aus diesem Grund muss die Wellenlänge der Laserquelle innerhalb des schmalen Filterübertragungsbereichs gehalten werden. Für den Anbieter sind dies wichtige Informationen, in unserem Beispiel kann jedoch eine begrenzte Zentralwellenlängentoleranz vernachlässigt werden.

Die Strahlqualität kann verschieden definiert werden. Eine Möglichkeit besteht in der Angabe des M²-Faktors, der ausdrückt, wie stark ein Strahl der idealen Gaußform nahekommt. Ein Wert von 1,0 bezeichnet einen perfekten Gauß-Strahl. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Angabe des Strahlparameterprodukts (Beam Parameter Product, BPP). Dazu muss die Strahltaille im Fokus mit der Fernfelddivergenz multipliziert werden. Weitere Detailangaben sind unter www.rp-photonics.com/beam_quality.html zu finden.

Die Intensität bezeichnet die Laserleistung im Strahlbereich, vorzugsweise im Fokus. Die Einheit lautet demzufolge W/cm². Hier stellt sich die Frage, was als Strahlbereich anzunehmen ist. Eine detaillierte Erörterung dieses Themas ist unter www.rp-photonics.com/optical_intensity.html zu finden.

Das Strahlprofil ist die Bezeichnung für die Intensitätsverteilung im Laserstrahl. Es kann sich um eine Verteilung mit flacher Oberseite (rechteckige Verteilung) oder um eine gaußförmige Verteilung handeln. Monomode-Strahlen sind in der Regel (nahezu) gaußförmig, während Multimode-Strahlen in der Regel nicht gaußförmig sind. In Abhängigkeit von der Anzahl und der Intensitätsverteilung der gemischten Modi ist eine Vielzahl verschiedener Formen möglich.

Die Brillanz oder Helligkeit einer Laserquelle ist ein Maß für deren Ausgangsleistung und Strahlqualität, wobei diese in einem einzigen Wert zusammengefasst werden. Im Wesentlichen ist dies der Quotient aus der Laserleistung und dem Strahlparameterprodukt. Die Einheit lautet demzufolge W/cm²*Steradiant. Eine detaillierte Erörterung dieses Themas ist unter www.rp-photonics.com/brightness.html zu finden.

Auswahl des Lasertyps

Um die richtige Laserdiode für die eigene Anwendung zu finden, gehen Sie aller Wahrscheinlichkeit nach von bestimmten Parametern aus, die durch die entsprechende Anwendung gegeben sind. Das soll hier mithilfe eines Beispiels nachvollzogen werden. Dazu wird angenommen, dass ein ordentliches Laserinterferometer für Oberflächenprofil- oder Geschwindigkeitsmessungen gebaut werden soll.

Für dieses Gerät wird eine Laserdiode mit einer Kohärenzlänge von 1 bis 10 m benötigt. Das interferometrische Muster sollte bei Temperaturänderungen stabil bleiben (< 0,1 nm/K). Es wird ein kollimierter Gauß-Strahl benötigt, und die Leistung sollte mehr als 80 mW betragen. Der verwendete Detektor basiert auf Silizium, das nur für Wellenlängen von weniger als 1.100 nm geeignet ist. Die Zentralwellenlänge selbst und die Polarisierung sind in diesem Fall weniger wichtig. Im zweiten Schritt wird versucht, den Lasertyp genauer zu bestimmen. Hier wird der Anwender mit einer Vielzahl von Optionen konfrontiert. Die optimale Vorgehensweise besteht darin, die Optionen zu gewichten und den Lasertyp mit der höchsten Gesamtgewichtung auszuwählen. Das kann mithilfe von Tabelle 2 erfolgen. Die grau schattierten Felder zeigen die verschiedenen Optionen, die typischerweise für Einzelemitter-Laserdioden verfügbar sind.

Um eine Entscheidung fällen zu können, werden zunächst alle Felder markiert, deren Parameter unserer Anwendung (d. h. unserem Beispiel) entsprechen. In der Zeile „Wellenlängentoleranz“ ist keine Markierung vorhanden, da hier keine Beschränkungen vorgegeben wurden. Die Gewichtung ist demnach 0. Da für die Linienbreite Werte zwischen 10 und 100 MHz berechnet worden waren, ist ein Wert <50 MHz in der Spalte „RWS“ als angemessen anzusehen. Da es sich hier um einen kritischen Parameter handelt, erhält er eine Gewichtung von 2.

Jetzt wird die Markierung in den anderen Zeilen fortgesetzt. In der letzten Spalte wird die Gewichtung entsprechend der Bedeutung für unsere Anwendung eingetragen. In der letzten Zeile unter der Tabelle werden alle mit ihren Gewichtungen multiplizierten Markierungen aufsummiert. Als Ergebnis ergibt sich, dass die Spalte „Einzelfrequenzlaser/RWS-Typ“ mit 9 die höchste Gewichtung erhält. Demzufolge ist dieser Lasertyp für den angestrebten Zweck optimal geeignet.

Durch das Eintragen der Gewichtung in jede Zelle kann die Tabelle noch aussagekräftiger gestaltet werden. Das kann sinnvoll sein, wenn der Wert eines Parameters wesentlich besser ist als nötig (Gewichtung 0,5, d. h. praktisch, aber nicht unbedingt notwendig) oder aber geradeso innerhalb der Spezifikationen liegt (Gewichtung 2, d. h. kritisch). Hier können Feinanpassungen vorgenommen werden, wenn einer kostengünstigeren Lösung am Rand des Parameterraums der Vorzug gegeben wird bzw. der Anwender für diesen Parameter auf der sicheren Seite sein möchte.

Alle Abkürzungen werden auf der separaten Registerkarte „Glossar“ erläutert.

Tabelle 2: Parameterauswahl und -gewichtung, Referenztabelle, Beispiel fett markiert (Download als pdf-Datei hier möglich)

Lasertyp⇒

 

 

 

Parameter⇓

Multimode-Laser

(Typischer Name: BAL)

Monomode Laser

(Typischer Name: RWL,

Fabry-Perot-Laser)

Einzelfrequenz-Laser

 

FBG, VBG

Einzelfrequenz-Laser

 

RWS

Einzelfrequenz- Laser

 

DFB, DBR

Parameter-wert         

2    = kritisch

1    = wichtig           

0.5 = wünschenswert

0   = unwichtig

Wellenlängen-Toleranz

Ca. 10 to 20 nmCa. 5 to 10 nmCa. 2 nmCa. 3 nmCa. 0.5 to 2 nm0

Linienbreite

 

Ca. 3 to 5 nmCa. 1 nmCa. 300 GHz< 50 MHz < 2 MHz2

Wellenlängen-

Stabilität

Ca. 0.3 nm/KCa. 0.3 nm/KCa. 0.01 nm/KCa. 0.06 nm/KCa. 0.06 nm/K2

Transversaler

Mode

Multimode

(nicht gaußförmig)

TEM 00

(Gauß-Strahl)

TEM 00

(Gauß-Strahl)

TEM 00

(Gauß-Strahl)

TEM 00

(Gauß-Strahl)

2

M2

 

>> 2ca. 1.1ca. 1.1ca. 1.1ca. 1.12

Leistung

(Einzelemitter)

cw: 1-18 W

gepulst: 5-100 W

cw: 50-1000 mW

gepulst: < 3 W

cw: up to 600 mW

gepulst: < 1.5 W

cw: 5-400 mW

gepulst: < 1 W

cw: 5-400 mW

gepulst: < 1 W

1

Kumuliert 

Gewichtungs-ergebnis

15797



 

Auswahl des Lasermaterials

Die Wellenlänge ist für die Anwendung oft sehr wichtig. Ist Ihnen jedoch bekannt, warum ein bestimmtes Unternehmen nur einen bestimmten Wellenlängenbereich abdeckt? Es liegt am verwendeten Material, das bestimmte Wellenlängenbereiche zulässt bzw. ausschließt. In Tabelle 3 wird ein Überblick über bestimmte Materialien und ihre Wellenlängenbereiche gegeben. Da der Detektor in diesem Beispiel auf Silizium basiert, ist die Laseremissionswellenlänge auf weniger als 1100 nm begrenzt. Das bedeutet, dass Dioden aus Galliumnitrid (GaN) oder Galliumarsenid (GaAs) sinnvoll sein könnten. In der Regel sind UV-Lösungen kostenintensiver als Lösungen im sichtbaren oder NIR-Bereich. Eagleyard bietet Wellenlängen von 630 nm bis 1120 nm an.

Tabelle 3: Tabelle zur Lasermaterialauswahl

Emissionswellenlänge SpektrumLaserdiodenmaterial (Substrat) bzw. -struktur
380 - 470 nmUVGaN

630 - 1120 nm

VIS to NIR

GaAs

1120 - 1650 nm NIRInP
2 - 10 µm IRQCL (Quantum Cascade Laser

 

Erstellung der endgültigen Tabelle und Suche

Damit sind alle für die ordnungsgemäße Diodenauswahl benötigten Parameter bestimmt worden. In Tabelle 4 sind die auf der Grundlage der vorangegangenen Tabellen abgeleiteten Parameter sowie einige weitere Parameter angegeben, die nachfolgend erörtert werden.

Betriebsmodus (cw, gepulst oder moduliert): Dieser Parameter kann enorme Auswirkungen auf das Wärmemanagement und somit auf die Gehäusegestaltung haben. Bei gepulsten bzw. impulsmodulierten Dioden mit kurzen Einschaltdauern kann weniger Abwärme anfallen, sodass die Gehäuseabmessungen geringer sein können.

Strahlkollimation (Freiraum, mit integrierter Optik bzw. fasergekoppelt): Dies hängt stark von der jeweiligen Anwendung ab.

Gehäuseausführung: Liegt eine planare (z. B. Leiterplatte, Kühlkörper) oder eine zirkulare (rohrförmige) Umgebung vor? Im ersten Fall ist eine Butterfly- oder Flachgehäuselösung sinnvoll, im zweiten Fall ein TO-Gehäuse. Gibt es Beschränkungen hinsichtlich der Gesamtabmessungen? Müssen bezüglich der Kompatibilität mit bestehenden Lösungen Kompromisse eingegangen werden? Bei TO-basierten Gehäusen müssen die Anschlussbelegung (M-/N-P-Typ) und die Größe (5,6 mm bzw. 9 mm) bestimmt werden. Bei 14-Pin-Butterfly-Gehäusen muss zwischen der Telekommunikations- und Pumpanschlussbelegung unterschieden werden. 

PREISE: Bei den Preisen von Diodenlasern gilt vor allem eine wichtige Regel. Wenn die absolute Zentralwellenlänge nicht genau festgelegt ist, können Laser aus der Massenproduktion verwendet werden. Einige der großen Anbieter (z. B. Lumentum oder Sony) bieten bestimmte Dioden für Verbraucheranwendungen wie Spielekonsolen oder Smartphones an. Im Industriebereich gibt es einige weit verbreitete Wellenlängen wie 852 nm oder 980 nm für das Pumpen von Faserlasern oder die Spektroskopie. Diese Dioden sind wesentlich billiger als andere.

Andererseits haben kundenspezifische Dioden den Vorteil, dass mehr Sicherheit für die Serienfertigung besteht: Der Anwender kann strategischer Partner des Diodenanbieters werden, sodass bei regelmäßiger Bestellung die Produktion nicht ohne Vorankündigung eingestellt wird. Dies ist wichtig, wenn von einzelnen Geräten auf Chargen von bis zu hunderten oder zehntausenden von Laserdioden pro Jahr übergegangen werden soll. Derartige Mengen liegen noch weit unterhalb der Stückzahlen von Massenmarktanbietern.

Auf der Grundlage der in Tabelle 4 angegebenen Beispieldaten kann Kontakt mit einem Laserdiodenanbieter aufgenommen oder eine eigene Google-Suche durchgeführt werden. Wenn eine direkte Suche durchgeführt werden soll, können bereits die ersten vier Stichwörter (RWS, Einzelfrequenzlaser, 630 - 1120 nm/GaAs, cw, > 80 mW) ausreichen, um eine erhebliche Anzahl sinnvoller Kontakte zu finden.

Bei der Suche nach einem Diodenlaseranbieter kann mit dieser Tabelle viel Zeit gespart werden. Der Anbieter versteht die Anforderungen sofort, und langwierige Diskussionen über Lösungen, die für die eigene Anwendung nicht infrage kommen, können entfallen.

Tabelle 4: Laserdioden-Parametertabelle - Referenztabelle - Beispiel fett markiert (Download als pdf-Datei hier möglich) 

Parameter Stichwörter (Beispiele):
Leistung> 80 mW

Strahlqualität

M2 = 1.1

Lasertyp (Ergebnis von Schritt 2) RWS, Einzelfrequenzlaser
Wellenlänge/Material (Ergebnis von Schritt 3) 630 - 1120 mn/GaAs
Strahlkollimation kollimierte Freiraumoptik
Betriebsmodus cw
Polarisierung TM oder TE
Gehäusetyp/Anschlussbelegung TO-Gehäuse/M-Typ

 

Abkürzungen

BALBroad Area Laser (Breitstreifen-Laser)

DBR

Distributed Bragg Reflector (Bragg-Spiegel)
DFBDistributed Feedback (verteilte Rückkopplung)
ECDLExternal Cavity Diode Laser (Diodenlaser mit externem Resonator)
FBGFiber Bragg Grating (Faser-Bragg-Gitter)
MOPAMaster Oscillator Power Amplifier (Mutteroszillator-Leistungsverstärker)
RWLRidge Waveguide Laser (Laser mit Stegwellenleiter)
RWSStabilized Ridge Waveguide Laser (stabilisierte Laser mit Stegwellenleiter)
SHGSecond Harmonic Generation (Erzeugung der zweiten Oberwelle, dient zur Verdopplung der Laserfrequenz)
TEMTransverse Electro-magnetic Mode (transversaler elektromagnetischer Modus)
VBGVolume Bragg Grating (Volumen-Bragg-Gitter)
VCSELVertical-Cavity Surface-Emitting Laser (oberflächenemittierende Laser)

Abbildung 1: Bei den verschiedenen Laserdiodentypen ist eine höhere Strahlqualität in der Regel mit geringerer Ausgangsleistung verbunden.

 

 

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