Impulslaserdioden
Impulslaserdioden haben ihre Wurzeln in militärischen Anwendungen. Dank ihrer kurzen Pulsbreite und hohen Ausgangsleistung sind sie ideal für die Entfernungsmessung geeignet. Verbesserungen in Technologie und Kosteneffizienz haben neue Anwendungsbereiche in der Automobilindustrie, bei industriellen Sicherheitsscannern, in der Messtechnik und in der Medizin erschlossen. Laser Components bietet kostengünstige Laserdioden an, die kurze, aber intensive Lichtpulse von bis zu 650 W erzeugen.
ARBEITSPRINZIP
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Die meisten Laserdioden sind für die Emission im Dauerstrichbetrieb (cw) mit Leistungen von einigen Milliwatt bis einigen Watt ausgelegt. Solche Dioden sind nicht für eine Übersteuerung ausgelegt; wird die angegebene Höchstleistung auch nur kurzzeitig überschritten, kann der Laserresonator beschädigt werden, woraufhin die Laserleistung erlischt.
Impulslaserdioden sind jedoch dafür ausgelegt, kurzzeitig übersteuert zu werden. Um die von der Anwendung geforderten hohen Spitzenleistungen zu erreichen, muss das Tastverhältnis sehr niedrig gehalten werden, typischerweise 0,1 %. Auf einen 100-ns-Puls folgt zum Beispiel eine Pause von 100 µs, so dass sehr kurze Pulse mit Wiederholraten im kHz-Bereich verwendet werden können. Die maximal erreichbaren Pulslängen liegen daher typischerweise im Bereich von 200 ns. Zur Erzeugung dieser Lichtpulse werden Laserströme in der Größenordnung von einigen zehn Ampere verwendet, was schnelle Schalttransistoren und eine geeignete Schaltung mit möglichst kurzen elektrischen Verbindungen zur Verringerung der induktiven Verluste erfordert.
GERÄTESTRUKTUR
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Die ersten Halbleiterlaser waren einfache Homoübergänge, die durch die Bildung eines p-n-Übergangs in einem GaAs-Substrat hergestellt wurden. In der nächsten Entwicklungsstufe wurde eine einzelne
AlGaAs-Schicht auf einer Seite aufgewachsen und ein p-n-Übergang durch Diffusion von Zn in das n-Typ-Substrat gebildet. Diese als Einzelheterostrukturlaser bekannten Laser litten unter den Auswirkungen der Selbsterhitzung, die ihre Effizienz aufgrund der erheblichen nicht-strahlenden Rekombination von Ladungsträgern verringerte.
Bei Raumtemperatur emittierten sie bei 904 nm, aber bei 80 °C waren sie nicht mehr funktionsfähig. Die Effizienz und die Laserschwelle wurden durch die Einführung von Doppelheterostrukturen verbessert, bei denen die aktive Schicht, die die Wellenlänge steuert, in Schichten mit höherer Bandlücke eingeschlossen ist, um die geladenen Ladungsträger einzuschließen.
Die Natur ist großzügig und versieht diese aktive Schicht mit einem höheren Brechungsindex, um die Photonen einzuschließen und einen Wellenleiter zwischen den Schichten zu schaffen. Eine solche Struktur könnte GaAs in der aktiven Schicht verwenden, typischerweise im Submikrometerbereich, die zwischen zwei AlGaAs-Schichten eingebettet ist. Durch Hinzufügen kontrollierter Mengen von Al zur aktiven Schicht kann der Hersteller die emittierende Wellenlänge auf 800 nm senken.
In einer Quantentopfstruktur ist die Dicke der aktiven Schicht vergleichbar mit der Periode der Ladungsträgerwellenfunktion. In solchen Dioden ist der Potentialtopf so schmal (typischerweise < 10 nm), dass die Ladungsträger nur auf einem Niveau aktiv sind, was zu einer Quantisierung der Energieniveaus führt, die die Ladungsträger einnehmen können.
Quantentöpfe werden in der Regel durch die Verwendung von Heterostrukturen erreicht, z. B. GaInAsP/GaInAs oder AlGaAs/GaAs. Strukturen mit nur einem Well werden als Single Quantum Well (SQW) bezeichnet; sind mehrere Wells vorhanden, spricht man von Multiple Quantum Wells (MQW). Quantentopf-Bauelemente sind in der Regel hocheffizient und können so konstruiert werden, dass eine Überhitzung der Ladungsträger verhindert wird, so dass die Bauelemente auch bei Temperaturen jenseits von 100 °C betrieben werden können.
EIGENSCHAFTEN
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Die Emissionswellenlänge einer Laserdiode hängt in erster Linie von den Materialien ab, die in den aktiven und passiven Schichten des Halbleiters verwendet werden.
Typische Wellenlängen für handelsübliche gepulste Laserdioden sind 850 - 870 nm, 905 nm und
1550 nm. Die AlGaAs-Struktur der 905-nm-Geräte ist für ihre Zuverlässigkeit, Strahlcharakteristik und Temperaturstabilität bekannt. Der hohe Wirkungsgrad ermöglicht Leistungen von bis zu 40 W bei einzelnen Emittern und von bis zu 130 W bei gestapelten Geräten, bei typischen Pulslängen von 150 ns.
Gepulste Multi-Junction-Laserdioden ähneln der Nanostack-Technologie mit mehreren epitaktisch gestapelten Emittern. Einzelne Chips ermöglichen Leistungen bis zu 80 W, gestapelte bis zu 650 W. Zu den verfügbaren Gehäusen gehören hermetische Metalldosen (z. B. TO-18, 5,6 mm, 9 mm oder koaxial) und kostengünstige Kunststoffgehäuse.
Die im mittleren IR-Bereich erhältlichen 1550-nm-Bauelemente können mit höherer Spitzenleistung als 905 nm betrieben werden und gelten dennoch als augensicher, da die Laserstrahlung nicht direkt auf die Netzhaut fokussiert wird. Diese Dioden basieren auf InP mit zusätzlichen InGaAsP-Schichten und können entweder durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) hergestellt werden. Dank des Wirkungsgrads von 0,5 W/A können mit gestapelten Bauelementen Spitzenleistungen von bis zu 50 W erreicht werden.
ANWENDUNGEN
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Selbst bei Lichtgeschwindigkeit benötigt ein Photon eine gewisse Zeit, um eine bestimmte Entfernung zwischen einem Entfernungsmesser und dem zu messenden Objekt zurückzulegen. Da die Lichtgeschwindigkeit für ein bestimmtes Material mit bekanntem Brechungsindex (z. B. Luft) bekannt ist, kann die Laufzeit zur genauen Berechnung der von einem Lichtimpuls zurückgelegten Entfernung verwendet werden.
Laser-Geschwindigkeitskanonen sind eine typische Anwendung für gepulste Laserdioden. Mit Pulslängen von < 10 ns und Leistungen von bis zu 50 W können Fahrzeuggeschwindigkeiten von bis zu 250 km/h bei Entfernungen von bis zu 1000 m leicht gemessen werden. Die Genauigkeit solcher Messungen beträgt typischerweise 1 - 3 %. Jäger verwenden augensichere Entfernungsmesser, um die Entfernung zu ihren Zielen zu messen. Weder das Wild, auf das der Jäger zielt, noch andere Personen in der Nähe müssen sich Sorgen um ihr Augenlicht machen. In diesem Fall liefert das Lasergerät der Klasse 1 genaue Informationen innerhalb einer Sekunde, mit einer Genauigkeit von 2 m bei Entfernungen von 600 m. In anderen Anwendungsbereichen verwenden Golfer Laser-Entfernungsmesser, um ihr Handicap zu verbessern, und Autofahrer werden vor herannahenden Gefahren gewarnt.
Lasersensoren werden auch häufig als Navigationshilfen für Schiffe, insbesondere in Häfen, und zur Messung der Wolkenbasis auf Flughäfen sowie im Vermessungs- und Bauwesen eingesetzt. Lasersicherheitsscanner, die auf gepulsten Laserdioden und hochempfindlichen Avalanche-Photodioden (APD) basieren, erzeugen einen Laserlichtvorhang, der die Anwesenheit von Personen oder Gegenständen in potenziell gefährlichen Bereichen, z. B. in automatisierten Fertigungsstraßen, erkennt. Schließlich gibt es eine Reihe medizinischer Anwendungen wie Laserakupunktur und -therapie.
ZUVERLÄSSIGKEIT
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Die Emitterlänge ist ebenso wichtig - wenn die Leistung halbiert oder die Emitterlänge verdoppelt wird, erhöht sich die Lebensdauer um das Vierundsechzigfache.
Wie bei anderen Lichtquellen ist die Lebensdauer einer gepulsten Laserdiode stark von den Betriebsbedingungen abhängig. Ohne Schaden zu nehmen, können die Geräte für kurze Zeiträume einer erheblichen Übersteuerung ausgesetzt werden, oder wenn die Pulsenergie durch Verwendung von Pulsdauern von nur 2 ns reduziert wird. Der Benutzer sollte das Gerät und die Betriebsbedingungen entsprechend der Anwendung und der erforderlichen Betriebsdauer auswählen. Während
Lebensdauern von weniger als einer Stunde für bestimmte militärische Anwendungen wie Thyristorzündungen ausreichen, müssen industrielle Sicherheitsscanner im Dreischichtbetrieb Zehntausende von Stunden zuverlässig arbeiten.
Die folgende Formel wurde aus langjähriger Erfahrung mit gepulsten Laserdioden abgeleitet und gibt einen Hinweis auf die mittlere Zeit bis zum Ausfall (MTTF) in Abhängigkeit von einer Reihe von Parametern:
MTTF = 3,9 x 1020 x {Po /L} -6 · tw-2 · F -1 · f(T)
(Schätzung für Triple Junction Laser: MTTF = 1 · 11 x 1021 · {Po /L} -6 · tw-2 · F -1 · f(T))
wobei
MTTF (Stunden) = Mittlere Zeit bis zum Ausfall
Po (mW) = Optische Spitzenleistung
L (µm) = Emitterlänge
tw (ns) = Pulslänge
F (kHz) = Wiederholrate
F(T) = Temperaturabhängiger Multiplikationsfaktor (= 1 bei 25°C)
Beispiel: Bei Raumtemperatur beträgt die typische MTTF für eine gepulste 4-W-Laserdiode mit 75-µm-Emitter, 100-ns-Pulslänge und 10-kHz-Wiederholrate ca. 170.000 Stunden. Wird die Leistung auf 6 W erhöht, wobei alle anderen Parameter unverändert bleiben, reduziert sich die Lebensdauer auf 15.000 Stunden.
ZUSAMMENFASSUNG
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Die kurzen, leistungsstarken Pulse von Impulslaserdioden ermöglichen eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen cw-Laserdioden aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht eingesetzt werden können. Mehrere Hersteller bieten Geräte bei 850 nm, 905 nm und 1550 nm für solche Anwendungen an. Einzelne Emitter und gestapelte Geräte bieten eine breite Palette von Ausgangsleistungen und Emissionsbereichen.
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