Diodelaser
En diodelaser er en laser hvis lys genereres av laserdioder , dvs. med halvledermaterialer. Diodelaser kan generere lyseffekter på over 60 kW.
Konstruksjonsmetoder og bruk
Enkel emitter
I sin enkleste form består en diodelaser av bare en laserdiode , muligens med kollimering og fokuseringsoptikk. Enkle emitterlaserdioder brukes for eksempel i laserpekere , for optisk dataoverføring eller i CD- og DVD-skannere eller -brennere. Individuelle emittere er produsert med kraft opp til noen få watt, er tilgjengelige montert på en varmeavleder og inneholder ofte allerede en strålekollisjon med en sfærisk eller asfærisk linse eller til og med en fiberkobling ( pigtailed ).
Enkel-emitter-diodelaser har ofte spesielle design som ikke brukes i multi-emitter-diodelaser beskrevet nedenfor. De viktigste spesialdesignene til enkeltemitterlasere (se også laserdiode ) er:
- DFB laser : laserdiode med eksternt Bragg speil
- Diodelaser med ekstern resonator ( engelsk ekstern hulromdiodelaser , ECDL)
- Surface emitter (VCSEL) se også laserdiode
Ingots
Siden individuelle laserdioder bare kan produseres til utganger på flere watt og avgir vidt forskjellige laserstråling, kombineres ofte flere laserdioder elektrisk og optisk: Man bruker barer (Engl. Bar ), side om side inneholdt på en strip-chip flere singler emitter. Disse betjenes elektrisk parallelt og monteres på en varmeavleder.
Slike diodelaser, også kjent som undermonteringer , har følgende typiske parametere:
- Driftsstrøm: 30 A til 100 A i kontinuerlig drift, ca. 150 A pulserende
- Terskelstrøm: 3,5 A til 15 A.
- Optisk utgangseffekt: opptil 90 W i kontinuerlig drift ved typiske bølgelengder fra 808 til 980 nm
- Spenning: ca. 2 V.
De 10–20 individuelle emitterene i en slik bjelke avgir hver en laserstråle som har en strålevinkel på ca. 40 ° ( rask akse ) i den ene retningen og ca. 12 ° ( langsom akse ) i den andre retningen . Den raske aksen har høyest mulig strålekvalitet (diffraksjon begrenset), mens den langsomme aksen har en relativt dårlig strålekvalitet. For å kombinere disse individuelle stråler, etter kollimering av de raskt aksen (ved hjelp av en mikro-optisk sylinderlinse), er de geometrisk dreies ved hjelp av ytterligere mikro- optikk og anordnet ved siden av hverandre, og deretter den såkalte langsom akse kollimasjon utføres.
En “laserstråle” generert på denne måten består faktisk av flere individuelle laserstråler og har en betydelig dårligere strålekvalitet enn andre lasere med samme effekt.
Produsenter tilbyr både undermonterte og hermetisk lukkede lasere, noen med faste fiberoptiske kabler eller tilkoblinger for fiberoptiske kontakter (for eksempel en F-SMA-kontakt ).
Anvendelser av slike lasere: metall- og plastsveising, selektiv herding, myk og hard lodding, oppbyggingssveising, pumping av solid state-lasere , spesielt fiberlasere .
stable
Flere av slike stenger kan (engl. Stacks stacks ) kombineres, hvor stengene er elektrisk koblet i serie og de enkelte bjelkene igjen blir kombinert optisk. Slike stabler kan generere optiske krefter på 0,5–1 kW. Undermonteringene som brukes til dette, må avkjøles med vann med såkalte mikrokanal-varmeavleder på grunn av den høye pakking og strømtetthet. Den optiske effekten til slike stabler brukes for eksempel til å pumpe solid state-lasere .
Multi-kilowatt diodelaser
Den lineære polarisasjonen og forskjellige bølgelengder av flere stabler brukes til å øke ytelsen ytterligere: Ved å bruke dikroiske og polarisasjonsavhengige speil kan strålingen fra flere stabler (for eksempel fire stabler med to forskjellige bølgelengder, hver montert ortogonalt til hverandre) teoretisk speiles inn i hverandre uten tap av kvalitet og ytelse. Laserstrålekilder med flere kilowatt optisk effekt oppnås med en relativt høy effektivitetsgrad (20–30%).
Slike høye ytelser brukes til materialbehandling (metallsveising, herding, omsmelting, pulverpåføring).
Diodelaser med ekstern resonator
Den linjebredden til strålingen er en laserdiode, uten ytterligere tiltak i området fra noen få MHz, og posisjonen til sitt maksimum som også er avhengig av temperatur og strøm. Med bølgelengdeselektiv tilbakemelding kan den reduseres og stabiliseres sterkt: hvis bare en frekvens blir matet tilbake med prioritet, kan bølgelengden bestemmes på denne måten, siden konkurransen i lengdemodus, som bestemmes av kortkrystallet og dens egenskaper, er eliminert. Til en slik frekvensselektive elementer er konstruksjoner alltid eksterne hulromdiodelaser ( E Xternal C avity D iode L aser).
Husede laserdioder er kjent som allerede har integrert et fiber- Bragg-gitter og dermed oppnår en temperaturuavhengig smalbåndsemisjon. De brukes for eksempel som frølaser (se også under fiberlasere ) for fiberlasere.
På grunn av den lille linjebredden og den gode avstengbarheten foretrekkes følgende ECDL for bruk i spektroskopi :
Littrow konstruksjon
Den nye bjelken kollimeres og treffer et diffraksjonsgitter med et høyt antall linjer. I Littrow-arrangementet (se Littrow-spektrometer ) reflekteres den første diffraksjonsordenen tilbake i dioden, mens diffraksjonens nullrekkefølge er koblet ut som en nyttig stråle. Den bakre fasetten, sammen med gitteret, danner nå resonatoren. Ved å rotere rutenettet, f.eks. B. ved hjelp av en piezo-aktuator kan laserens bølgelengde avskrives.
Littmann kropp
I Littman-arrangementet reflekteres ikke den første ordningen med diffraksjon tilbake i dioden, men treffer et speil som reflekterer lyset tilbake i dioden via gitteret. Laseren avskrives ved å dreie speilet. Fordelen med dette noe mer komplekse arrangementet er at svinging av den utkoblede strålen unngås hvis laseren blir avstemt.
Fordeler og ulemper
Fordeler med diodelaser:
- Veldig kompakt design
- Enkel elektrisk pumping
- Forholdsvis høy elektrisk / optisk effektivitet på 25 til over 50%
- Lange vedlikeholdsintervaller sammenlignet med lampepumpede lasere
- Kobling og transport av strålingen i fiberoptiske kabler er mulig
- Svært lang levetid med noen ganger mer enn 30.000 timer
- Nedbrytning med lav ytelse; mye mindre enn 1% / 1000 timer ved drift med nominell strøm
Ulemper med diodelaser:
- Sammenlignet med andre lasere er strålekvaliteten dårligere (spesielt ved høye krefter), derfor neppe egnet til skjæring og bare egnet i begrenset grad for dyp lasersveising av metaller
- Sterk stråledivergens hvis dette ikke korrigeres av passende optikk
- Kostnader: Laserdioder, montering på varmeavleder og justering av mikrooptikken er fortsatt en høy kostnadsfaktor for et diodelaseranlegg