Die Messungen wurden an einer temperaturstabilisierten
AlGaInP-Laserdiode (vom Typ RTL6615G von Roither Lasertechnik)
durchgeführt. Sie hat eine typische Wellenlänge von , die
maximale Ausgangsleistung beträgt
. 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.
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-Element5.1montiert, welches von einer Temperaturstabilisierungssteuerung
kontrolliert wird. Diese ist mit einen
Temperatursensor5.2 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
[12]) sehr genau ausgeglichen werden.
Das Gitter, die optische Diode und die Spiegel
Das verwendete Gitter hat eine Strichdichte von
sowie eine Reflektivität von etwa
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 Diode5.3 gelenkt (schwarzer Kasten, mit gelbem Laserwarnsymbol versehen, links im Bild).
Als Stromquelle für die Laserdiode dient eine Konstantstromquelle mit
etwa im verwendeten Stromstärkebereich.
Diese Messung ist sehr interessant, da man bei ihr das abrupte Einsetzen der Laseroszillation5.4 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 (
,
bzw.
), 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 .
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 freilaufenden5.5 Laserdiode ist ein besseres Ergebnis zu erwarten.
Versucht man, die Messergebnisse durch eine aus zwei Geraden zusammengesetzte Funktion anzunähern5.6 (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
bis
[12] gesteigert.
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-Elemente5.7 montiert sind.
Ein Funktionsgenerator erzeugt eine Zick-Zack-Spannung. Diese dient als
Trigger für das Oszilloskop und wird, auf einige verstärkt, an
die Piezo-Elemente des zweiten (Analyse-) Resonators angelegt (siehe
schematischer Aufbau, Abbildung 5.1, Seite
).
Passt ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge
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
stabilisiert.
Zunächst eine Übersicht aller Meßergebnisse des Modenspektrums:
Nicht bei jeder Stromstärke läuft der Laser gleich ,,sauber``; bei manchen Stromstärken läuft er besonders Frequenzrein, bei anderen besonders unsauber.
Bei Schritten von 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.
Hier sind zwei Modenspektren mit dem geringen Unterschied von
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.
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.
Bei dieser Stromstärke läuft der Laser instabil und emittiert auf mehreren Moden gleichzeitig.