Messungen an einer Laserdiode

Die Messungen wurden an einer temperaturstabilisierten AlGaInP-Laserdiode (vom Typ RTL6615G von Roither Lasertechnik) durchgeführt. Sie hat eine typische Wellenlänge von $660\ nm$, die maximale Ausgangsleistung beträgt $15\ mW$. Sie ist auf einer Seite antireflexbeschichtet (allerdings ist schon einige Zeit in Verwendung und wird wegen dem Qualitätsverlust bei der Beschichtung durch eine neue ersetzt) und wird mit einem externen Resonator (Gitter) betrieben und frequenzstabilisiert.

Der Laserstrahl wird entweder in ein ,,Powermeter`` zur Bestimmung der Laserleistung oder in einen zweiten Resonator zur Analyse des Modenspektrums geleitet. Dieser kann über ein Oszilloskop ausgelesen werden.

Für diese Arbeit wurden insgesamt 6569 Meßwerte erfasst.

Versuchsaufbau

Die Laserdiode mit Kühlung und Linse, vergleiche Abbildung 5.1 Die Laserdiode ist von einem Metall-Körper zur Wärmestabilisierung und -leitung umgeben. Dieser ist auf ein Peltier-Element^5.1montiert, welches von einer Temperaturstabilisierungssteuerung kontrolliert wird. Diese ist mit einen Temperatursensor^5.2 an dem Metallkörper verbunden und kann so die Temperatur auf den gewünschten Wert stabilisieren.

Die Fassung der Linse ist über eine Schraube im Abstand zur Laserdiode fein justierbar, dadurch kann die Divergenz des Strahls (typischerweise $9 \pm 5 ^\circ$ [12]) sehr genau ausgeglichen werden.

Das Gitter, die optische Diode und die Spiegel Das verwendete Gitter hat eine Strichdichte von $1800 \frac{1}{cm}$ sowie eine Reflektivität von etwa $99 \%$ und kann zur Justierung um 2 Achsen gedreht werden (die beiden großen Knöpfe mit grauer Unterlage im Vordergrund des Bildes).

Um störende Rückkopplung durch eine spätere, unerwünschte Reflexion auszuschliessen, wird der Laserstrahl durch eine optische Diode^5.3 gelenkt (schwarzer Kasten, mit gelbem Laserwarnsymbol versehen, links im Bild).

Als Stromquelle für die Laserdiode dient eine Konstantstromquelle mit etwa $2.5\ V$ im verwendeten Stromstärkebereich.

Messung der Laserleistung
bei verschiedenen Stromstärken und Temperaturen

Diese Messung ist sehr interessant, da man bei ihr das abrupte Einsetzen der Laseroszillation^5.4 gut beobachten und messen kann.

Statt der Blende und dem zweiten Resonator in Abbildung 5.1, Seite (hellgrauer Kasten) wird direkt in einen ,,Powermeter`` gestrahlt, der auch gleich die Umrechnung des Photostroms in die Laserleistung übernimmt.

Die Laserdiode wird bei einer Temperatur stabilisiert ( $20.0\ ^\circ C$, $17.0\ ^\circ C$ bzw. $15.0\ ^\circ C$), dann wird die Stromstärke langsam erhöht und die Laserleistung gemessen.

Man sieht an diesem Diagramm sehr schön das schlagartige Einsetzen der Laseroszillation bei einer Schwellenstromstärke von etwa $30.0\ mA$.

Dieser Wert ist von der Temperatur abhängig; bei niedrigen Temperaturen setzt die Laseroszillation im Allgemeinen früher ein. [4,11]

An den Meßergebnissen ist dies leider nicht zu erkennen, erklären lässt sich dieses mit der geringen Temperaturdifferenz und durch die Gitterstabilisierung. Bei einer freilaufenden^5.5 Laserdiode ist ein besseres Ergebnis zu erwarten.

Versucht man, die Messergebnisse durch eine aus zwei Geraden zusammengesetzte Funktion anzunähern^5.6 (dünne Linien), so lässt sich allerdings ein schwacher Trend zu höheren Laserleistungen bei niedrigeren Temperaturen erkennen.

In der Praxis ist dieser Unterschied erheblich, auch die Lebensdauer ist bei niedrigen Temperaturen höher. Neue Laserdioden werden daher meist bei einer Temperatur von wenigen Kelvin entwickelt und dann durch Verbesserungen auf eine Betriebstemperatur von typischerweise $-10 ^\circ C$ bis $+50 ^\circ C$ [12] gesteigert.

Messung des Modenspektrums

Der Versuchsaufbau ist wie in Abbildung 5.1, Seite dargestellt.

Der Laserstrahl wird nach der optischen Diode durch eine Blende auf einen feinen Strahl reduziert (der Strahl nimmt an seinem Rand in der Qualität stark ab) und dann in einen zweiten Resonator eingeleitet.

Dieser Resonator hat zwei verschiebbare Spiegel, die auf Piezo-Elemente^5.7 montiert sind.

Ein Funktionsgenerator erzeugt eine Zick-Zack-Spannung. Diese dient als Trigger für das Oszilloskop und wird, auf einige $kV$ verstärkt, an die Piezo-Elemente des zweiten (Analyse-) Resonators angelegt (siehe schematischer Aufbau, Abbildung 5.1, Seite ).

Passt ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge $\lambda / 2$ in den Resonator, so lässt er das Licht passieren und auf eine Photozelle auftreffen; andernfalls wird das Licht ungünstig reflektiert und absorbiert.

Diese Photozelle ist an einem Oszilloskop angeschlossen, das eine qualitative Messung des Modenspektrums ermöglicht.

Verwendet man ein digitales Oszilloskop, das mit dem Computer ausgelesen werden kann, so kann man die Ergebnisse bequem miteinander vergleichen. Die folgenden Diagramme wurden aus einem solchen Oszilloskop ausgelesen und mit GNUPlot dargestellt.

Das Ergebnis ist durch die Zick-Zack-Spannung (eine Sägezahnspannung wäre für das Oszilloskop natürlich schöner, ist aber für die Piezo-Elemente im Resonator durch den abrupten Sprung unbrauchbar) symmetrisch, diese Symmetrie wurde zur besseren Übersicht herausgefiltert.

Der zur Messung verwendete Resonator hat eine schlechtere ,,finess`` (Genauigkeit) als das Gitter mit der Laserdiode; dadurch sind die Linien im Spektrum relativ stark in die Breite gezogen, in Realität sind sie deutlich schmäler.

Die Laserdiode wurde auf $19.0 ^\circ C$ stabilisiert.

Übersicht über die Messungen

Zunächst eine Übersicht aller Meßergebnisse des Modenspektrums:

Abhängigkeit des Modenspektrums von der Stromstärke

Nicht bei jeder Stromstärke läuft der Laser gleich ,,sauber``; bei manchen Stromstärken läuft er besonders Frequenzrein, bei anderen besonders unsauber.

Bei Schritten von $1.0\ mA$ scheint eine einfache Translation des Modenspektrums stattzufinden: es sieht bei jeder Messung ähnlich aus, lediglich ein kleines Stück verschoben. Diese Verschiebung ist allerdings nicht gleichmäßig, wie man im nächsten Diagramm sieht.

Ein Modensprung herausgegriffen

Hier sind zwei Modenspektren mit dem geringen Unterschied von $0.2\ mA$ in der Stromstärke herausgegriffen. Man kann hier den schlagartigen Wechsel im Modenspektrum erkennen. Diesen schlagartigen Wechsel bezeichnet man als Modensprung.

Das Frequenzverhalten von Halbleiterlasern ist durch solche Modensprünge gekennzeichnet, daher ist die Temperatur- und Stromstabilisierung so wichtig.

Für physikalische Messungen kann es sehr wichtig sein, das ein Laser ,,monomodig`` läuft; dies kann man nur durch eine genaue Einstellung der Stromstärke erreichen.

Die nächsten Diagramme zeigen Stromstärken, die bei meinen Messungen besonders günstig bzw. ungünstig waren.

Eine Stromstärke, bei der der Laser besonders sauber läuft

Bei dieser Frequenz arbeitet der Laser besonders schön; er lasert nur auf einem einzigen Mode (im betrachteten Bereich). Dieser Mode ist außerdem sehr scharf geschnitten, besonders da die sichtbare Unschärfe in erster Linie vom Analyseresonator erzeugt wird.

Eine Stromstärke, bei der der Laser instabil läuft

Bei dieser Stromstärke läuft der Laser instabil und emittiert auf mehreren Moden gleichzeitig.

Fußnoten

... Peltier-Element^5.1

Halbleiterbauelement zur Kühlung und/oder Erwärmung, siehe Anhang C, Seite

... Temperatursensor^5.2

eine Temperaturänderung ändert auch die Leitfähigkeit dieses Halbleiters, siehe Anhang C, Seite

... Diode^5.3

eine optische Diode lässt das Licht nur in einer Richtung passieren, siehe Anhang C,

... Laseroszillation^5.4

Lasertätigkeit durch induzierte Emission und Rückkopplung, siehe Anhang A.2.3, Seite

... freilaufenden^5.5

Laserdiode ohne externen Resonator, siehe Anhang A.1.4, Seite

... anzunähern^5.6

Von GNUPlot mit den Parametern $x_0$, $c$ und $m$ an die Funktion

$$f: x \mapsto \begin{cases} x < x_0 & c, \\ x \ge x_0 & c + m \cdot (x - x_0) \end{cases}$$

angenähert

... Piezo-Elemente^5.7

Halbleiter, die durch das Anlegen einer Spannung bewegt werden können, siehe Anhang C,