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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Effekte in Laserdiode bei reflektiertem Strahl


Autor: Maik Fox (sabuty) Benutzerseite
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Hallo Forum,

ich bin aktuell auf der Suche nach tiefergehenden Informationen über 
einen Effekt in Laserdioden, der auftritt, wenn man einen Teil des von 
ihnen emittierten Lichts wieder in sie zurückreflektiert.

In einem Paper über Mikroskopie (Robert H Webb, 1996) habe ich folgendes 
gefunden, das die Möglichkeit nahelegt, eine Laserdiode gleichzeitig 
auch als Sensor zu verwenden:
"For detection the microlaser microscope can use an aligned detector 
array, but more simply it uses the lasers themselves. Remitted light fed 
back to a laser causes the laser to brighten, and that brighter light is 
a measure of the remission. A change in the drive voltage is a measure 
of this feedback, [...]"

Prinzipiell steht da: Ich betreibe die Laserdiode mit Konstantstrom, und 
wenn ich aufgrund externer optischer Effekte (zB reflektives Objekt im 
Strahlengang) einen Teil des Laserstrahls zurückreflektiere, ändert sich 
die Spannung über der Laserdiode.

Was ich nun konkret suche: Quantifizierbare Zusammenhänge, Paper über 
dieses Phänomen, eine Erklärung, ... etwas in dieser Richtung. Damit ich 
abschätzen kann, wie groß dieser Effekt ist und ob es sich lohnt, weiter 
in diese Richtung zu recherchieren.

Ich habe den Morgen (bin in GMT+8) mit Recherche verbracht, bisher aber 
nur Infos über Wellenlängenänderungen bei optischem Feedback etc. 
gefunden, aber nichts über das Spannungsphänomen.

Vielleicht hat jemand von euch Ideen/Wissen/Links/Paper/sonstige 
Anstöße...

Gruß Maik

Autor: Mitbastler (Gast)
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Bei LD mit integrierter Monitordiode kann zurückreflektiertes Licht die 
Leistungsregelung durcheinanderbringen.

Autor: Wolfgang Horn (Gast)
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Maik Fox schrieb:
> einen Teil des Laserstrahls zurückreflektiere, ändert sich
> die Spannung über der Laserdiode.

Hi, Maik,

Spannung? Eher nicht.
Verwandte Verhältnisse in der HF-Technik:

1. Dem Resonatorraum der LD entspricht ein Resonator, beispielsweise ein 
Hohlraumresonator oder ein Stück Koax-Kabel.

2. Dem Lasereffekt entspricht ein oszillierendes Element, z.B. 
Transistor in Colpitts-Beschaltung.

3. Der "Zurückreflexion" entspräche ein längeres Koaxkabel, das am 
Resonator locker angekoppelt ist.

Was passiert? Die reflektierte Welle verändert die komplexe Impedanz des 
eigentlichen Oszillators, die Schwingfrequenz ändert sich sowie die 
Gesamtverstärkung.

Folgen: Wenn Du die reflektierte Welle veränderst in Phase und 
Amplitude, veränderst Du auch die Phase und Amplitude der Laserwelle.
Die Monitordiode bemerkt die Amplitudenschwankung und regelt den 
Diodenstrom nach.
Das ist wohl der Effekt, der das "brighter" bewirkt. Ein Messsignal 
müßte an der Regelschleife abzugreifen sein.

Die Phasenverschiebung bleibt in erster Näherung. Ich ziehe die Messung 
der Phasen vor, da sind meist weniger Schmutzeffekte.

Folgerung:
Bau irgendeine Art Detektor für die Frequenz- und Phasenverschiebung, in 
der HF-Technik ist das selbst kein Problem.

Ciao
Wolfgang Horn

Autor: Maik Fox (sabuty) Benutzerseite
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Wolfgang Horn schrieb:
> Maik Fox schrieb:
>> einen Teil des Laserstrahls zurückreflektiere, ändert sich
>> die Spannung über der Laserdiode.
>
> Hi, Maik,
>
> Spannung? Eher nicht.
> Verwandte Verhältnisse in der HF-Technik:
>
> [...]
>
> Was passiert? Die reflektierte Welle verändert die komplexe Impedanz des
> eigentlichen Oszillators, die Schwingfrequenz ändert sich sowie die
> Gesamtverstärkung.

Darüber gibt es massenhaft Paper und das wird auch für die 
Stabilisierung von Lasern angewandt. Also kann ich dem zustimmen ;)

> Folgen: Wenn Du die reflektierte Welle veränderst in Phase und
> Amplitude, veränderst Du auch die Phase und Amplitude der Laserwelle.
> Die Monitordiode bemerkt die Amplitudenschwankung und regelt den
> Diodenstrom nach.
> Das ist wohl der Effekt, der das "brighter" bewirkt. Ein Messsignal
> müßte an der Regelschleife abzugreifen sein.

Die Anordnung, die Webb da in seinem Paper beschreibt, hat keine 
Monitordiode und damit auch keine Regelschleife. Das mit der 
Regelschleife ist mir bewusst und war auch meine erste Idee.

Meine Theorie ging in die Richtung, dass man die LD mit Konstantstrom 
betreibt und sich durch die Vorgänge im Resonator die differentielle 
Widerstand der Laserdiode verändert, so dass die Konstantstromregelung 
die Spannung nachregeln muss. Dies würde dann folglich in einer 
Spannungsänderung über der LD resultieren. Allerdings konnte ich mir 
keinen Effekt vorstellen, der das bewirkt, und deswegen habe ich 
gefragt.

Es gibt noch ein weiteres Paper über das Thema, mal schaun, ob Webb da 
mehr darüber schreibt oder ob er da auf Photodioden ausweicht. Kann ich 
leider erst schauen, wenn ich wieder im Uni-Netz bin und auf die Paper 
zugriff habe ;)

Autor: Hagen Re (hagen)
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suche nach "Self Mixing Laser Diode Vibrometer/Velocimetry", mit dieser 
einfachen Technik werden per Interferenz Schwingungen, Geschwindigkeiten 
und Entfernungen mit LDs gemessen.Ein ziemlich neues Forschungsgebiet 
wie das Attachment zeigt.

Gruß Hagen

Autor: Maik Fox (sabuty) Benutzerseite
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Hagen Re schrieb:
> Ein ziemlich neues Forschungsgebiet
> wie das Attachment zeigt.

Danke für das Paper. Allerdings werden auch hier die resultierenden 
Modulationsprodukte mit der in der LD integrierten Photodiode gemessen. 
Was ja eigentlich auch straight-forward ist, sofern denn die verwendete 
LD eine eingebaute Photodiode hat ;)

Aber ich sehe mich langsam schon in meiner Vermutung bestätigt, dass es 
da keinen Effekt gibt, der sich elektrisch auf die LD auswirkt. Noch ist 
das aber nicht sicher.

Autor: Hagen Re (hagen)
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Also ich arbeite mich jetzt schon par Monate in dieses Thema ein. So wie 
ich das begriffen haben benötigt man die externe Photodiode nicht 
zwangsläufig. Man könnte auch direkt den Fehler zwischen eingestelltem 
Konstantstrom der LD zur real gemessenen Leistung der LD benutzen. Nur 
hat man dann noch viele andere störende Faktoren wie Temperatur, LD 
Eigenschaften, Mode Hopping der LD usw. mit zu berücksichtigen.
Auf alle Fälle kann ich mich daran erinnern mal ein PDF gelesen zu haben 
in dem es ohne externe PD beschrieben wurde.

Gruß Hagen

Autor: Maik Fox (sabuty) Benutzerseite
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Hagen Re schrieb:
> So wie
> ich das begriffen haben benötigt man die externe Photodiode nicht
> zwangsläufig.

Meinst du damit jetzt eine "externe" im Sinn von außerhalb des 
LD-Gehäuses oder generell, dass man überhauptkeine PD braucht?

> Man könnte auch direkt den Fehler zwischen eingestelltem
> Konstantstrom der LD zur real gemessenen Leistung der LD benutzen. Nur
> hat man dann noch viele andere störende Faktoren wie Temperatur, LD
> Eigenschaften, Mode Hopping der LD usw. mit zu berücksichtigen.

Und die Leistung muss man dann ja auch noch irgendwie messen. Was ich 
suche, ist ja, ob es eine Möglichkeit gibt, das komplett ohne PD (weder 
intern noch extern) zu machen, und wenn ja, wie stark die dabei 
auftretenden Effekte sind. Und was das überhaupt für Effekte wären.

> Auf alle Fälle kann ich mich daran erinnern mal ein PDF gelesen zu haben
> in dem es ohne externe PD beschrieben wurde.

Was du im letzten Post angehängt hattest, ist ja auch ohne "externe" PD, 
es wird die in der LD integrierte PD Monitordiode verwendet.

Autor: Hagen Re (hagen)
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im Attachment sind alle drei Methoden beschrieben, es geht also auch 
komplett ohne PD. Aber schaue dir mal Grafik 4 rechts unten an. Dort 
siehst du den Output wenn man nur die Spannung an der LD misst im 
Vergleich zu den Meßergebnissen mit Photodioden. Viel mehr Rauschen.

Mich würde interessieren warum du unbedingt ohne PD auskommen möchtest. 
Nur LDs mit hoher leistung sind ohne PDs, LDs kleiner und mittlerer 
Leistung gibt es auch meistens mit PD. LDs mit zu hoher Leistung kannst 
du nicht mehr benutzen, mit denen funktioniert das nicht. Das liegt 
daran das diese Multimode arbeiten und deren Kohärenzlänge viel zu kurz 
wird.

Gruß Hagen

Autor: Maik Fox (sabuty) Benutzerseite
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Hagen Re schrieb:
> im Attachment sind alle drei Methoden beschrieben, es geht also auch
> komplett ohne PD. Aber schaue dir mal Grafik 4 rechts unten an. Dort
> siehst du den Output wenn man nur die Spannung an der LD misst im
> Vergleich zu den Meßergebnissen mit Photodioden. Viel mehr Rauschen.

Sehr cool, es ändert sich also wirklich bei Konstantstrom-betriebenen LD 
die Junction-Spannung. Ok, es rauscht ziemlich, aber es gibt einen 
messbaren Effekt. Jetzt muss ich nur den den Rest des Papers (nicht nur 
die Bilder...) verdauen, um zu begreifen, warum das passiert.

> Mich würde interessieren warum du unbedingt ohne PD auskommen möchtest.

Anwendung habe ich keine dafür aktuell, ich bin nur beim Durcharbeiten 
des im ersten Post erwähnten Papers eben auf die Stelle gestoßen, dass 
er seine Laser (in einem Array aus 250.000 VCSEL Lasern für konfokale 
Mikroskopie) gleichzeitig auch als Sensoren benutzen will, und ich dafür 
keine Infos gefunden habe. Ansich reine Neugier.

Und wenn ich dann doch mal eine Anwendung dafür haben sollte, und das 
Rauschen keine Rolle spielt, ist das so schon ziemlich elegant.

> Nur LDs mit hoher leistung sind ohne PDs, LDs kleiner und mittlerer
> Leistung gibt es auch meistens mit PD. LDs mit zu hoher Leistung kannst
> du nicht mehr benutzen, mit denen funktioniert das nicht. Das liegt
> daran das diese Multimode arbeiten und deren Kohärenzlänge viel zu kurz
> wird.

Es gibt mittlerweile auch Singlemode-LDs im 200mW-Bereich, sofern das 
für dich "hohe Leistung" ist ;) Und die haben nicht selten schon keine 
Monitor-PD mehr.

> Gruß Hagen

Gruß Maik und Danke!

Autor: raketenfred (Gast)
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Hat eine LED nicht auch die Eigenschaft, als Kondensator oder so zu 
reagieren, jenachdem wieviel Licht drauf trifft?

Hat das vll etwas damit zutuen?

Autor: Hagen Re (hagen)
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>Es gibt mittlerweile auch Singlemode-LDs im 200mW-Bereich, sofern das
>für dich "hohe Leistung" ist ;) Und die haben nicht selten schon keine
>Monitor-PD mehr.

200mW damit brenntst du schon Löcher, klar ist das hohe leistung. Ich 
meine <= 5mW also eher für Signalaufgaben statt für 
Materialberarbeitung.

Micht würde interssieren ob du Links zu diesen Single Mode LDs hast. ZZ. 
benutze ich grüne Laserdioden mit externer PD (Beamsplitter) da diese 
LDs extern über einen per IR-LD angeregten Kristall den grünen 
Laserstrahl erzeugen. Diese sind von Hause aus TEM00 Single Mode und 
haben meist ein gaussian Strahlprofil (sind also runde Strahlen).

Entscheidend ist nämlich beim Self-Mixing-Interferometer das die LD 
möglichst stabil im TEM00 arbeitet und kein Mode Hoppuing auf zb. 
TEM01/TEM11 usw. erfolgt.

LDs, so wie ich es verstanden habe, nutzen Fabry-Periot-Resonatoren. An 
der Vorderseite also einen teildurchlässigen Spiegel. Dieser lässt den 
Laserstrahl in beiden Richtungen durch. Wird nun der Strahl wieder 
zurück reflektiert in diesen Resonator dann interferiert das aktuelle 
Lasermedium mit dem zurück refelktierten Strahl. Interferenz bedeutet 
Auslösung/Verstärkung des Laserstrahl in deisem Resonator. Das fürht zu 
verändertem Stromverbrauch den man extern über die veränderte Spannung 
bei Konstantstromspeisung messen kann. Die LD wirkt also auch wie eine 
PD.

Ich denke theoretisch müsste das auch mit normalen LEDs gehen, kenne 
mich da aber auch nicht so gut aus.

Gruß Hagen

Autor: Maik Fox (sabuty) Benutzerseite
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raketenfred schrieb:
> Hat eine LED nicht auch die Eigenschaft, als Kondensator oder so zu
> reagieren, jenachdem wieviel Licht drauf trifft?

Hat sie, unter bestimmten Betriebsbedingungen.

> Hat das vll etwas damit zutuen?

Ich interessiere mich ja nicht für die Kapazität, sondern für eine 
Spannung. Ich habe keine Ahnung, ob sich die Flussspannung einer LED 
ändert, wenn man ihr Licht auf sie zurückwirft ;)

Autor: Maik Fox (sabuty) Benutzerseite
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Hagen Re schrieb:
> Micht würde interssieren ob du Links zu diesen Single Mode LDs hast.

Natürlich. Hängt allerdings stark von der Wellenlänge ab, ne SM LD 
>150mW findet man im NIR aber schon bei Roithner

http://www.roithner-laser.com/ld_diverse.html

Sogar bis 300mW @ 905nm.

Da der Markt im Rot/NIR-Bereich wegen dem Ausstieg von Sanyo nach wie 
vor etwas im Umbruch ist, ist die Lage etwas unübersichtlich, aber 
Firmen wie Opnext haben interessante Dinge im Angebot:

http://www.opnext.com/products/diodes/Red-Infrared-LD.cfm

> ZZ.
> benutze ich grüne Laserdioden mit externer PD (Beamsplitter) da diese
> LDs extern über einen per IR-LD angeregten Kristall den grünen
> Laserstrahl erzeugen. Diese sind von Hause aus TEM00 Single Mode und
> haben meist ein gaussian Strahlprofil (sind also runde Strahlen).

Die üblichen LDs haben ohne Korrekturoptik alle ein elliptisches 
Strahlprofil (unterschiedliche Divergenzen fast/slow).

Was mich eher wundert, wenn du ein Setup mit Frequenzverdoppler 
verwendest, wie es dann noch zu einem Self-Mixing kommen kann. Das 
sollte ja trotzdem in der IR-Pump-LD stattfinden? Oder ist dein Kristall 
garkein Frequenzverdoppler sondern ein Festkörperlaser?

> Entscheidend ist nämlich beim Self-Mixing-Interferometer das die LD
> möglichst stabil im TEM00 arbeitet und kein Mode Hoppuing auf zb.
> TEM01/TEM11 usw. erfolgt.
>
> LDs, so wie ich es verstanden habe, nutzen Fabry-Periot-Resonatoren. An
> der Vorderseite also einen teildurchlässigen Spiegel. Dieser lässt den
> Laserstrahl in beiden Richtungen durch. Wird nun der Strahl wieder
> zurück reflektiert in diesen Resonator dann interferiert das aktuelle
> Lasermedium mit dem zurück refelktierten Strahl. Interferenz bedeutet
> Auslösung/Verstärkung des Laserstrahl in deisem Resonator. Das fürht zu
> verändertem Stromverbrauch den man extern über die veränderte Spannung
> bei Konstantstromspeisung messen kann. Die LD wirkt also auch wie eine
> PD.

Ganz verdaut habe ich das Paper noch nicht, da wird hauptsächlich der 
Kleinsignalfall diskutiert. Jedenfalls wird ein E-Feld gestört durch die 
zusätzliche Strahlung, dadurch Ladungsträger transportiert und damit hat 
man einen messbaren Effekt.

> Ich denke theoretisch müsste das auch mit normalen LEDs gehen, kenne
> mich da aber auch nicht so gut aus.

Keine Ahnung ;)

Autor: Hagen Re (hagen)
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Die optische Interferenz findet "ausserhalb" der LD statt, im optischen 
Resonator. Genauso wie bei jedem anderen Interferometer, am besten 
vergleichbar mit dem Fabry-Periot-Interferometer. Das ist ja überhaupt 
der Grund warum man mit einer externen PD ein Selfmixing Interferometer 
aufbauen kann. Hinzu kommt nun noch der Fakt das der optische Resonator 
bei einer LD die LD selber ist. Und dann kann man über die Spannung bei 
Konstantstromspeisung die Interferenzen messen.

Bei grünen Lasern wird mit einer IR-LD ein Kristal gepumpt als 
Frequenzverdoppler. Dieser Kristal arbeitet als optischer Resonator und 
am Ausgang sitzt, bei geregelten Lasern, ein Strahlteiler und eine 
externe PD. Ich entferne die Leistungselektronik (PD geregelter 
Konstantstrom) und ersetzte das durch eine eigene präzise und digital 
einstellbare Konstantstromquelle. Die PD nutze ich über einen eigenen 
Transimpedanzverstärker zur Auswertung. Der Effekt den du ausnutzen 
möchtest geht da sicherlich nicht zu nutzen.
Die meisten grünen Laser die nach diesem Prinzip arbeiten sind TEM00 
Single Mode und haben ein rundes Strahlprofil und eine gaussian 
Strahlverteilung bzw, Wellenfront. Das ist für die Interferometrie 
vorzuziehen.

Bei solchen grünen geregelten Laserpointern kann man schon mit Hilfe 
eines einfachen Spiegels und der Regelung der externen Spannung gut 
beobachten wie sich die Strahlintensität verändert je nachdem ob man mit 
dem Spiegel den Strahl zurück reflektiert oder nicht. Im Allgmeinen 
versucht man diese Rückreflektion zu vermeiden da sie im Grunde negative 
Effekte erzeugen (also bei herkömlichen Interferometeraufbauten).

Gruß Hagen

Autor: Maik Fox (sabuty) Benutzerseite
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Hagen Re schrieb:
> im Attachment sind alle drei Methoden beschrieben, es geht also auch
> komplett ohne PD. Aber schaue dir mal Grafik 4 rechts unten an. Dort
> siehst du den Output wenn man nur die Spannung an der LD misst im
> Vergleich zu den Meßergebnissen mit Photodioden. Viel mehr Rauschen.

Dieses Paper hat mich auf das folgende geführt:
http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?uri=ao-33-4-578
in dem dann auch alle meine Fragen beantwortet werden. Und das schon vor 
16 Jahren ;) Danke nochmal.

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