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
Bei LD mit integrierter Monitordiode kann zurückreflektiertes Licht die Leistungsregelung durcheinanderbringen.
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
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 ;)
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
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.
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
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.
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
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!
Hat eine LED nicht auch die Eigenschaft, als Kondensator oder so zu reagieren, jenachdem wieviel Licht drauf trifft? Hat das vll etwas damit zutuen?
>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
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 ;)
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 ;)
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
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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