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.
