Laserdiodenleistung in Abh. zur Temperatur

Physikalische Grundlagen, Information und Fragen zu Lasern.

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hanz
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Laserdiodenleistung in Abh. zur Temperatur

Beitrag von hanz » Fr 04 Feb, 2011 11:05 am

Hallo,
ich bin noch ein totaler Neuling in Sachen Laser, habe aber so einige Fachkräfte um mich herum. Nun bekam ich von jenen den Auftrag einen gewissen Sachverhalt nachzugehen, welcher aber scheinbar nicht sonderlich gut dokumentiert ist, insofern hoffe ich dass man mir dabei etwas helfen kann.

Folgendes: das Frequenzverhalten einer Laserdiode bei leicht veränderter Temperatur (was man wohl Frequenzdrift nennt) kann man in einigen Dokumentationen gut nachlesen. Jedoch fiel auch auf, dass sich die Intensität bzw. Ausgangsleistung des Lasers auch bei variabler Temperatur verändert.
Bei der Durchforstung von Quellen bin ich im Grunde genommen nur auf sowas gestoßen:
http://www.stylobeam.de/laser.html#anchor4
Somit ist schonmal klarer, dass man bei niedrigerer Temperatur auch "schneller" im Sinne von weniger Betriebsspannung auf die jeweilige Leistung kommt. Jedoch wurden dabei, anders als im Bild dargestellt, Nichtlinearitäten, also auch Sprünge festgestellt, welche vermutlicherweise an den gleichen Stellen (Temperaturwerten) liegen wie die Frequenzsprünge.
Mangels Erklärungen kam ich leider nur auf die naheliegendste Formel E=h*f, welche ja eigentlich den Sachverhalt (aus meiner Anfängersicht :D ) klären könnte: da h konstant ist und f einen Ansprung erlebt springt auch die Ausgangsleistung, jedoch erscheint mir das etwas zu dürftig als Erklärung, es sei denn es steckt wirklich nicht viel mehr dahinter.

Insofern bedanke ich mich für das Durchlesen und hoffe, dass mir jemand den Verhalt etwas erklären könnte.

Grüße,
Hanz

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Dr.Ulli
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Re: Laserdiodenleistung in Abh. zur Temperatur

Beitrag von Dr.Ulli » Fr 04 Feb, 2011 12:14 pm

Somit ist schonmal klarer, dass man bei niedrigerer Temperatur auch "schneller" im Sinne von weniger Betriebsspannung auf die jeweilige Leistung kommt.
Es ist der Strom - nicht die Spannung!

Das mit den Sprüngen musst du nochmal ein wenig mehr erklären....Sprünge in der Intensität vs. Temperatur-Kurve bei festem Strom? Oder in der Intensität vs. Strom-Kurve bei festem T? Oder was?

Zu überlegen wäre, welchen Einfluss die Temperatur auf den Resonator hat....(Geometrie und optische Eigenschaften wie Brechungsindex).
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Re: Laserdiodenleistung in Abh. zur Temperatur

Beitrag von hanz » Fr 04 Feb, 2011 12:48 pm

Hallo, danke für die Antwort

natürlich meinte ich den Betriebsstrom :oops:

konkret meinte ich den Einfluss der Temperatur bei konstantem Betriebsstrom mit Auswirkung auf die Intensität
Was die Dimensionen angehen kann ich nicht genau sagen ob in meinem Datenblatt ausreichend Informationen stehen bzw. wie diese benannt wurden. 12X31.3+/-0.5mm ist zwar zu finden, aber was das genau aussagt ist mir schleierhaft.
Vielleicht hilft ja der Link zum Datenblatt: http://www.cleverwave.com.tw/product_detail.php?sid=70

zum Gruße

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guido
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Re: Laserdiodenleistung in Abh. zur Temperatur

Beitrag von guido » Fr 04 Feb, 2011 1:57 pm

Och Gott...
das sind übelste Pointermodule mit mieserablem Treiber und keinerlei Temperaturstabilisierung.

Zur Funktion: Eine 808nm Diode pumpt einen Kristall, dessen Output wird mit einem weiterem
Kristall frequenzverdoppelt.

Idealerweise hat die Diode eine Temperatur von um 25 Grad , der Kristall um 35 Grad und
der Verdoppler mag es wieder etwas anders. In dem Modul ist alles auf kleinster Fläche zusammengeklebt.
Ein vernünftiger Temperaturhaushalt ist so kaum möglich.

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Re: Laserdiodenleistung in Abh. zur Temperatur

Beitrag von hanz » Fr 04 Feb, 2011 2:27 pm

Hallo,
für eine stabilere Temperatur und einen besseren Treiber wurde schon gesorgt, es geht wirklich nur um das Phänomen der Intensitätsschwankungen ... sollte es an der Konstruktion des Resonators liegen wäre es schon überlegenswert aber diese Eigenschaft tritt doch bestimmt noch bei mehreren Laserdioden auf....

Grüße

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Re: Laserdiodenleistung in Abh. zur Temperatur

Beitrag von Dr.Ulli » Fr 04 Feb, 2011 3:30 pm

Wie Guido schon schreibt - mit so einem Modul (Link) wirst du NIEMALS eine stabile Ausgangsleistung erreichen! Warum sind sonst die Laser von z.B. Linos so verdammt teuer? 100mW grün ca. 10kEuro.....
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Re: Laserdiodenleistung in Abh. zur Temperatur

Beitrag von guido » Fr 04 Feb, 2011 4:08 pm

Hallo Hanz,

hier in der Lasershowtechnik arbeiten wir üblicherweise mit Billig-Lasern zwischen 300 und 2000 Euro.
Fürs Labor wäre was aus dem Hause Coherent ( z.B. Atlas ) wesentlich besser geeignet.
Diese haben bis zu 4 TECs, Alle Bauteile bekommen schön Ihre "Wohlfühltemperatur"

Mit deinem Pointermodul arbeitest du derzeit mit dem "Bodensatz". Klingt böse, aber ist leider so.
Was du machen kannst ist das ganz Aussengehäuse kühlen und damit den Idealpunkt von vieleicht
einem der Bauteile finden. Das wird aber dein Problem nicht lösen.

Die Diode macht ihre 808nm bei einer bestimmten Temperatur. Nur bei der Wellenlänge
aber sicher nicht bei der Temperatur macht der Kristall sein Maximum. Dann haben wir
wie schon geschrieben noch den KTP als letztes Glied.

Ich denke das du die Probleme minimieren kannst wenn du das Modul weit unter
seiner max. Nennleistung betreibst wenns die eher um Stabilität geht.

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Re: Laserdiodenleistung in Abh. zur Temperatur

Beitrag von hanz » Fr 04 Feb, 2011 4:52 pm

Dass wir nur "Bodensatz" verwenden ist schon bewusst so gewählt um die Kosten niedrig zu halten, somit wird auch nicht besonders viel Beachtung auf die kleinsten µW gelegt, im groben ist die Leistung als stabil anzusehen, sobald der Laser (und das gesamte Kühl/Heizsystem drumherum) sich eine Weile eingearbeitet hat.
Es ist halt interessant zu erfahren ob man unsere Beobachtung der Leistungssprünge genauso physikalisch erklären kann wie die der Frequenzsprünge, oder ob es hierbei wirklich nur an den Ausschussdioden liegt, wobei die Sprünge ja schon recht gut reproduzierbar sind als dass man sie einfach als Systemfehler abstempeln kann.

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Re: Laserdiodenleistung in Abh. zur Temperatur

Beitrag von Dr.Ulli » Fr 04 Feb, 2011 7:07 pm

Leistungssprünge genauso physikalisch erklären kann
Das kann man sicherlich!
Aber hast du schon wirklich realisiert, dass das Modul nicht nur einfach eine Laserdiode ist?

Guido hat es doch beschrieben:
Eine 808nm Laserdiode "pumpt" einen NdYVO-Kristall (dies ist der eigentliche Laser - der Kristall ist als Resonator mit verspiegelten Endfächen gefertigt), dieser macht einen Laserstrahl mit 1064nm, dieses Licht wird wiederum durch einen weiteren "optisch nichtlinearen" Kristall (KTP? KDP...weiss jetzt grad nicht genau) frequenzverdoppelt - raus kommen also 532nm.

Alle Komponenten haben ihre eigenen Temperaturabhängigkeiten! Also kann es wohl leicht zu Sprüngen der Intensität kommen, wenn die (EINE) Temperatur für alle Komponenten sich GLEICHZEITIG ändert. Für die eine Komponente vielleicht in die "positive" Richtung für die andere in die "negative" in Betracht auf die optimale Leistungsausbeute.
:freak:
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Re: Laserdiodenleistung in Abh. zur Temperatur

Beitrag von dyak » Sa 05 Feb, 2011 1:13 am

Hi

Ich denke mal in dem Modul ist ein Crystal ala Casix DPM verbaut. Dort ist der ND:YVO4 direkt mit dem KTP verklebt. Das heißt dann natürlich auch das beide ca die gleiche Temperatur haben.
http://www.casix.com/products/crystal-p ... chip.shtml

Die wichtigste Temperatur dürfte hier allerdings die 808nm Diode sein. Wenn man sich mal die Absorbtionskurve eines ND:YVO4 ansieht:
Nd30Curve.JPG
Quelle: http://www.u-oplaz.com/crystals/crystals20-1.htm

Sobald die Temperatur der Laserdiode zu hoch oder zu niedrig ist ändert sich die Wellenlänge. Dadurch bricht die Absorbtion ein. Der Kristall erzeugt kaum noch Leistung.
u.A. Grund warum alle low cost DPSS Laser ersmal etwas Zeit brauchen um Temperatur aufzubauen.

Ich hoffe das stimmt so alles :wink:

mfg Dirk
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Re: Laserdiodenleistung in Abh. zur Temperatur

Beitrag von hanz » Di 08 Feb, 2011 12:45 pm

Hallo, entschuldigt die lange Antwortzeit aber ich hatte die letzten Tage gewissen Internetprobleme :|
Dr.Ulli hat geschrieben: Aber hast du schon wirklich realisiert, dass das Modul nicht nur einfach eine Laserdiode ist?
Hm ... nun mittlerweile schon :oops:
Dank eurer beiden Erklärungen kann ich es mir nun doch realitätsbezogener vorstellen :D
Eine saubere Erklärung wird aufgrund der 3 Komponenten zwar nicht so leicht zu finden sein aber die günstige Konstruktion lässt es einfach nicht zu.

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Re: Laserdiodenleistung in Abh. zur Temperatur

Beitrag von tracky » Di 08 Feb, 2011 6:37 pm

Die "Kunst" ist es ja egal bei welchen Betriebsstrom, die LD immer im optimalen Fenster zu halten, damit diese auch ihre 808nm sauber produziert. Bei diesen passiv gekühlten Komponenten wird immer der Kristall (Casix) "Resonator" durch die Wärme des Pumpstrahls betrieben. Kein Mensch macht sich die Mühe hier den optimalen Strom einzustellen, damit alle Komponenten optimal laufen.
Ein weiteres Problem ist bei DPSS das Modulationsverhalten. Bei kontinuierlichen Betriebsstrom wirst Du vom Kaltstart an ein ziemlich steiles Abfallen der optischen Leistung messen. 532nm Leistung geht in den Keller, IR Strahlung nimmt zu, da sie nicht mehr im Kristall verbleibt und somit am OC austritt.
Viele Kistenschubser nehmen sich dieser leider unschönen Tatsache an und deklarieren ihre Laser falsch.
Hochwertige rauscharme DPSS kosten daher auch ein Vermögen. Es gibt soviel verschieden arten von Aufbau, dass man sich sein Preissegment schnell zusammenstellen kann.
Pointermodule, wie in Deinem Fall sind absolute Billigkomponenten und für Show, sowie Laborzwecke gänzlich ungeeignet. Keine Temperaturstabilisierung und Modulation vorhanden. Dann gibt es Hersteller, die ihre LD auf ein TEC pappen, den Resonator auf Alu und Kupfer bringen, schön parallel verkleben und dann unkolimiert auf die Diode schmeissen. Für Einsteiger sicherlich schön erschwinglich, aber meist schnell wieder abgestossen, da das Modulationsverhalten enorm schlecht ist. Meißt sind Einbrüche bis zu 60% festzustellen. Ja ja, die liebe CW Leistungsangabe macht wieder blind. Dann gibt es Hersteller, die zumindestens LD und Resonator getrennt mit TEC's versehen. I.d.R. sind diesee DPSS auch nur gekühlt und benötigen extrem lange Anlaufzeit, Modulationseinbrüche sind auch hier zu verbuchen. Also sollte es schon ein aktives TEC System sein, wo beim Kaltstart alle Komponenten angeheizt werden und dann erst umschalten auf Kühlen. Hier ist die kleinste Temperaturdrift und damit verbundene Modulationssprüngen zu verbuchen, was für unser Hobby sich als optimal rausstellte, da die Farben immer schön gleich bleiben.
Gruß Sven

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