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Die Ansteuerung von Laserdioden ist kein „Hexenwerk“, wenn man sich dabei an ein paar Grundregeln hält, die sich im wesentlichen aus den Eigenschaften der Laserdiode ergeben.

Bild 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Laserdiode mit ihren verschiedenen Halbleiterschichten. Die Kantenlänge beträgt nur einige 100µm. Das Laserlicht entsteht in der nur wenige nm (Nanometer) dicken „aktiven Zone“ und tritt an der halbverspiegelten Stirnfläche aus (Pfeil).

Die Spiegel an den Stirnflächen des „Laserwürfels“ sorgen für eine stehende Lichtwelle in der aktiven Zone (optischer Resonator nach Fabry-Perot). Dies ermöglicht erst die induzierte Emission und somit die „Lichtverstärkung“, den eigentlichen Laser-Effekt.

Unterhalb des Schwellstroms emittiert die Laserdiode lediglich LED-Licht (spontane Emission). Ab der Schwellstromstärke beginnt die Diode Laserlicht zu erzeugen. Oberhalb des Schwellstroms steigt die optische Ausgangsleistung sehr stark mit wachsendem Diodenstrom an (hoher differentieller Wirkungsgrad). Der Zusammenhang zwischen optischer Ausgangsleistung und Diodenstrom ist bis zur Maximalleistung (CW oder Pulsbetrieb) linear (Bild 2).

Die vom Hersteller angegebene maximale Ausgangsleistung darf auf gar keinen Fall überschritten werden. Überstrom oder Überspannung, selbst für kurze Zeit, können eine Schädigung oder gar den Totalausfall der Laserdiode verursachen.

Die Einstellung der Ausgangsleistung muss auf jeden Fall mit Hilfe eines optischen Leistungsmessgerätes oder einer kalibrierten großflächigen Photodiode erfolgen.

Aufgrund der großen Toleranzen bzw. Exemplarstreuungen der Laserdioden reicht es nicht aus, den Laserstrom entsprechend den Angaben im Datenblatt des Herstellers einzustellen.

Schon bei kurzzeitiger Überlastung tritt meist eine Schädigung der Spiegel ein, erkennbar durch ein „fleckiges“ Strahlbild und eine deutlich gestiegene Stromaufnahme bei gleicher Ausgangsleistung.

Laserdioden sind ebenfalls extrem empfindlich gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD = Electro-Static Discharge). Daher sind die von den Laserdiodenherstellern bei der Handhabung empfohlenen Erdungs-Armbänder und eine geerdete Arbeitsunterlage im Labor nicht übertrieben.

Ein oft vernachlässigter aber entscheidender Effekt ist der Einfluss der Temperatur auf den Zusammenhang zwischen optischer Ausgangsleistung und Laserdiodenstrom (Bild 2). Mit steigender Temperatur erhöht sich der Schwellstrom. Die optische Ausgangsleistung und der differentielle Wirkungsgrad hingegen sinken. Eine geregelte Ansteuerschaltung sollte daher eine Begrenzung oder Sicherheitsabschaltung besitzen, da sonst eine Temperaturänderung über einen weiten Bereich zur Zerstörung der Laserdiode führen könnte.

Für Ansteuerschaltungen von Laserdioden braucht man sehr gut gesiebte Netzteile, die Störquellen wie induktive Lasten möglichst gut abblocken. Der Batteriebetrieb ist hier deutlich unkritischer. Einkopplungen können generell durch kurze Verbindungen speziell zwischen Laserdiode und Treiberschaltung verringert werden.

Wichtig ist, dass Laserdioden immer mit einem geregelten Treiber angesteuert werden; entweder im

1. Konstantstrom- (ACC = Automatic Current Control) oder
2. Konstantleistungsbetrieb (APC = Automatic Power Control).

Ein Standardlabornetzteil ist nicht dazu geeignet, Laserdioden direkt zu betreiben!

Integrierte Ansteuerschaltungen sind diskreten Lösungen vorzuziehen. Die erhältlichen Lasertreiber-ICs bieten eine große Funktionalität und eine Vielzahl von Schutzmechanismen für die Laserdiode und benötigen nur wenige zusätzliche Bauelemente. Die Arbeitspunkteinstellung ist meist ganz einfach über einen Trimmer möglich. [1]
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Die Wellenlänge von Laserdioden variiert mit der Temperatur. Bei einer typischen GaAlAs-Diode sind das etwa 0,25 nm/°C. Dabei steigt die Wellenlänge nur jeweils in kleinen Bereichen monoton mit der Temperatur an, dazwischen kommt es zu treppenartigen Sprüngen, den Moden-Sprüngen (Mode Hopping).

Im Konstantstrombetrieb mit präziser Temperaturregelung der Laserdiode erzielt man daher die beste Stabilität der optischen Ausgangsleistung. Wegen des oben beschriebenen Temperaturverhaltens ist der Konstantstrombetrieb ohne Temperaturregelung nicht zu empfehlen; die Ausgangsleistung wäre nicht konstant und könnte leicht den Grenzwert überschreiten.

In Industrieapplikationen wie Lichtschranken oder Abstandssensoren, in denen die Umgebungstemperatur variiert, bevorzugt man der Einfachheit halber meist APC.

Typische Treiberschaltungen mit APC beinhalten außerdem einen weichen Anlauf und filtern Spannungsspitzen, Überspannung und andere Transienten heraus. [1] Die Leistungsregelung stellt auf einfache Weise eine konstante Ausgangsleistung sicher.

Ohne Temperaturregelung kann es jedoch nach wie vor zur Verschiebung der Wellenlänge und zu Modensprüngen kommen. Selbst in Applikationen, in denen dies unkritisch ist, muss auf ausreichende Wärmeabfuhr geachtet werden.

Ansonsten sinkt mit steigender Temperatur (z.B. Eigenerwärmung) der Wirkungsgrad der Laserdiode, was die Regelschaltung durch immer höheren Laserstrom ausgleicht, um die Ausgangsleistung konstant zu halten. Ohne eine Strombegrenzung oder Sicherheitsabschaltung droht hier sonst eine Schädigung oder Zerstörung der Laserdiode.

In den meisten Anwendungen, speziell CW-Betrieb, ist ein Kühlkörper für die Laserdiode unerlässlich, um einen zu starken Anstieg der Chip-Temperatur und damit eine Schädigung oder Zerstörung der Laserdiode zu verhindern (s. o.). Generell verlängert eine niedrigere Betriebstemperatur die Lebenserwartung der Diode. Mit einer Reduzierung der Betriebstemperatur um etwa 10°C wird sich die Lebensdauer der Laserdiode - statistisch gesehen - verdoppeln.

Selbst bei Ansteuerung der Laserdiode durch einen geeigneten integrierten Treiber ist stets auf einen sorgfältigen Aufbau zu achten. Ohne Sicherheitsabschaltung oder Strombegrenzung im Treiberbaustein kann eine Leitungsunterbrechung z.B. im Monitorpfad zur Zerstörung der Laserdiode durch Überstrom führen.

Beim Einsatz eines Trimmers zur Leistungs- oder Stromeinstellung sind bei der Schaltungsauslegung die möglichen Fehlerbilder des Trimmers zu berücksichtigen (kein Kontakt des Schleifers, Kurzschluss, etc.). Die Verbindung zwischen Treiber und Laserdiode darf auf keinen Fall über einen Schalter oder ein Relais unterbrochen werden. Zum schaltspitzenfreien Ein- und Ausschalten bzw. Pulsen der Laserdiode bieten die verschiedenen Treiberbausteine entsprechende Funktionalität [1].

Für eine maximale Lebensdauer und stabilen Betrieb von Laserdioden benötigt man entweder eine Kombination aus Konstantstrom- und Temperaturregelung oder alternativ eine Leistungsregelung. Dabei ist stets zu beachten, dass jenseits des Schwellstromes schon kleine Stromerhöhungen erhebliche Ausgangsleistungserhöhungen bewirken und dabei sehr schnell der Grenzwert der optischen Ausgangsleistung überschritten werden kann. Kühlmaßnahmen sind sowohl im ACC- als auch im APC-Modus entscheidend für den stabilen Betrieb und für eine lange Lebensdauer der Laserdiode.

Dipl.-Ing. Uwe Malzahn - iC-Haus GmbH - D-55294 Bodenheim

Dipl.-Ing. Uwe Malzahn studierte an der TU-Darmstadt Elektrotechnik, Fachrichtung Festkörperelektronik. 1991 trat er bei iC-Haus ein als ASiC-Entwickler und Designer von Mixed-Signal-Bipolar- und CMOS-ASiCs. Im ASSP-Vertrieb und -Marketing ist er seit 2000 auch für die Applikationsbetreuung, speziell von Laserdiodentreibern, zuständig.

Gesammelte und vor allem "unsortierte" Fragen (die sich stellenden Fragen werden fortlaufend erweitert) :
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1. Unterschied zwischen Laser-Rohr und Laser-Diode in den Feinheiten des Laser-Strahls insbesondere bezüglich der Streuung des Strahls
2. Trägt eine grundsätzliche Strombegrenzung zur verbesserten (Über-)Lebensdauer bei ?
3. Warum nimmt man nicht gleich eine doppelt so starke Laser-Diode wie benötigt und betreibt sie bei der Hälfte der Strahl-Leistung ?
4. Wo werden beim CD-Spieler in der APC-ACC Steuerung die Grenzwerte gespeichert ?
5. Wo tritt die Leistungsminderung bei der Alterung auf, an der Lichtquelle oder den beiden Spiegeln ?
6. Wo findet man technische Daten über die 1985 verbauten Laser-Dioden samt Äquivalenz-Typen?
7. Ist das Laser-Licht der laser-Diode bereits polarisiert  oder wird das erst später mit den Prismen gemacht ?
8. Welche erschwinglichen Strahlungs-Energie- Meßgeräte gibt es noch ?
9. Welche Parameter wurden bei der Montage der Laser-Diode in das Gehäuse des Strahlsystems benötigt bzw. beachtet ?
10. Sind die Dioden-Gehäuse oder Bauformen standardisiert ?
11. Ist der Streu-Winkel (oder Strahlungswinkel) einer Laserdiode für den Austausch / Ersatz ein Kriterium ?
12. Wäre demnach der Abstand der Front-Fläche der Laser-Diode zur ersten Linse der Parallelisier-Optik in wichtiges Maß ?
13. Wie groß ist die qualitative Streuung der Laser-Dioden- Qualitäten bezüglich Strom und Lichtleistung ?
14. Gibt es Literatur über die (Massen-) Produktion bzw. Justage von Laser-Einheiten für CD-Laufwerke bzw. AUDIO-CD-Spieler oder auch Computer-CD/DVD- Laufwerke ?

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