Unsere Experten vergleichen: 520 nm Laserdioden und 532 nm DPSS Laser

D77-074

Sie ist da! – Die direkt emittierende grüne Laserdiode auf Halbleiterbasis; sie wird als Alternative zu den Miniatur-DPSS Lasern nun auch in unseren FLEXPOINT^® Lasermodulen eingebaut. Was sich mit den direkt emittierenden Dioden wirklich verändert, beantworten uns unsere Produktionsabteilung und der Gruppenleiter des Vertriebsteams Lasermodule, Jochen Maier. Wir bieten Ihnen einen Vergleich zwischen den 532 nm Diode Pumped Solid State (DPSS)-Lasern und 520 nm Laserdioden und vielmehr noch einen persönlichen Erfahrungsbericht unserer Experten!

Auch bei LASER COMPONENTS werden seit vielen Jahren die kleinen DPSS Laser in die FLEXPOINT^® Lasermodule verbaut. Kämpften wir am Anfang noch mit Temperaturproblemen und der Leistungsstabilität, so ist heutzutage die DPSS Technologie sehr stabil und findet Einsatz in vielen industriellen und medizinischen Anwendungen.     

Grün: Das Hellste, was wir dem Auge zu bieten haben!
Grün strahlt für uns am hellsten! Da liegt es nahe, dass die grünen Laser dort eingesetzt werden, wo der Laserstrahl mit dem Auge beobachtet werden soll. Mit grünen Kreuzen und Linien positionieren wir Maschinen oder Teile, grüne Punkte zeigen dem Arzt, wo sein Bearbeitungslaser auf das menschliche Gewebe auftreffen wird, in der Materialbearbeitung wird gezeigt, wo Material geschweißt oder getrennt wird.
Das Farbempfinden ist von Mensch zu Mensch unterschiedlich. Grundsätzlich wird aber die Wellenlänge 532 nm des DPSS Lasers als sattes und kräftiges Grün wahrgenommen. Die derzeit verfügbaren Laserdioden haben eine Wellenlänge von 520 nm – also einen leichten Blau-Stich, der eher etwas kälter wahrgenommen wird.  
    
Strahlprofil: Markante Unterschiede
Vergleicht man beide Technologien weiter, findet man den größten Unterschied im Strahlprofil: Physikalisch bedingt erzeugt der DPSS Laser einen gleichmäßigen runden Strahl mit gaußförmiger Leistungsverteilung und einem M2-Wert von nahezu 1,0. Der Halbleiterlaser mit seiner Schichtstruktur strahlt dagegen einen elliptischen Strahl im Verhältnis von etwa 1:3 ab. Er ist gut geeignet, Linien zu formen; zusammen mit diffraktiven optischen Elementen können diverse Muster generiert werden. Der DPSS Laser bleibt weiterhin die erste Wahl für Punktlaser – besonders im medizinischen Bereich.    

Temperaturbereich: Eiskalt bis heiß
Die ersten marktreifen Miniatur DPSS Laser hatten einen sehr limitierten Temperaturbereich: typische Werte waren 10 - 30 °C oder 15 - 40 °C. Aktuell erhältliche Versionen liegen bereits bei - 5 °C bis + 50  °C!
Ungeschlagen bleiben bei unserem Vergleich die Laserdioden:
Bis zu einer Leistung von 50 mW bieten die 520 nm Dioden durchweg einen Betriebstemperaturbereich von - 20 °C bis + 60 °C.  
Die Betriebstemperatur bezieht sich auf die Laserquelle. Wird sie in ein Gehäuse verbaut, so ist die zusätzliche Wärmeerzeugung im Gehäuse zu berücksichtigen.

Leistungsstabilität: Abhängig von der Wärmeerzeugung
Wärmeerzeugung beeinflusst die Leistungsstabilität der Laser maßgeblich: Miniatur DPSS Laser sind extrem temperatursensitiv. Mit aufwändiger Elektronik schaffen wir es, unsere FLEXPOINT^® DPSS-Module auf Leistungsschwankungen < 5 % zu stabilisieren. Voraussetzung sind DPSS Laser, die vom Hersteller mit einer zusätzlichen Fotodiode ausgestattet werden – hierdurch können wir einen effektiven Regelkreis zur Stabilisierung der optischen Leistung realisieren.
Unproblematisch ist die Leistungsstabilisierung bei den Modulen mit direkt emittierender Laserdiode: Monitor-Dioden sind hier standardmäßig eingebaut. Im
Zusammenspiel mit der von uns entwickelten digitalen Laseransteuerung erreichen wir Leistungsschwankungen < 2 %.       

Modulationsverhalten und Q-Switch Phänomen
Das digitale Modulationsverhalten und die analoge Leistungseinstellung bei den Miniatur DPSS Lasern werden durch das sogenannte Q-Switch Phänomen beschränkt: Es handelt sich dabei um ein störendes Rauschen mit sehr hohen Peak-Intensitäten im Frequenzbereich von 200 kHz bis 2 MHz. Weiterhin kann sich eine weitere Mode im DPSS Laser ausbilden, die einen zweiten Ausgangsstrahl zur Folge hat. Dieses unerwünschte Erscheinen tritt besonders häufig bei kleinen Leistungen auf und betrifft deshalb vor allem dimmbare Laser. Beide Störeffekte sind sehr temperaturabhängig und oft nicht reproduzierbar. Die maximalen Modulationsfrequenzen sind deshalb bei den FLEXPOINT^® DPSS Lasermodulen auf wenige kHz, in manchen Fällen auch unter 1kHz limitiert.
Die 520nm Laserdioden zeigen das Q-Switch Phänomen nicht und können je nach Ansteuerelektronik mit >100 MHz moduliert werden. Bei einfachen Lasermodulen sind Modulationsfrequenzen mit mehreren 100 kHz bis 2 MHz üblich.       

Abmessungen:
Wenn die Größe ausschlaggebend ist
Soll es richtig klein werden, so punkten die Laserdioden: Die kleinsten verfügbaren 520 nm Laserdioden stecken in einem TO-Gehäuse mit nur 3,8 mm Durchmesser – das gesamte Modul inkl. elektronischer Ansteuerung passt daher in Gehäuse mit 11,5 mm Durchmesser – eine weitere Miniaturisierung auf nur 6 mm ist möglich! Die Gehäuselänge ist abhängig vom gewünschten Strahlprofil und dem Umfang der elektronischen Ansteuerung.
Die Miniatur DPSS Laser werden größtenteils mit 10 mm oder12 mm Durchmesser angeboten. Wenige spezielle Varianten haben einen reduzierten Durchmesser von 5,6 mm. Die Gehäuselänge wird bei DPSS Lasern aufgrund ihres komplexeren Aufbaus und der benötigten Strahlformung immer größer sein als bei Versionen mit Laserdiode.

Ausgangsleistung
520 nm Laserdioden sind aktuell mit Ausgangsleistungen bis 80 mW verfügbar. Bis zu mehreren Hundert Milliwatt erreichen die Miniatur DPSS Laser.    

Kosten: Im Sinkflug
Seit der Markteinführung der 520 nm Laserdioden ist deren Preis rapide gesunken. Sie sind bereits kostengünstiger als DPSS Laser mit Leistungen > 10 mW.
Es ist davon auszugehen, dass die Kosten für grün emittierende Laserdioden sehr bald auf dem Level von rot emittierenden Laserdioden ankommen werden. Durch die im Vergleich zum DPSS Laser einfachere elektronische Ansteuerung ist die grüne Laserdiode bereits jetzt die kostengünstigere Alternative.   

Unser Fazit
Grüne Laserdioden haben sich rasant verbreitet und sie werden viele Bereiche der Projektionstechnik dominieren; trotzdem werden die 532nm DPSS Laser für einige Anwendungen erste Wahl bleiben. Besonders wenn das Strahlprofil Priorität hat, kann der DPSS Laser seine Vorteile ausspielen. Spielen, Bauform, Temperatur, Leistungsstabilität, Modulationsverhalten oder der Preis die erste Rolle, so wird die grüne Laserdiode zum Einsatz kommen. 

DOEs zur Strahlprofil-Änderung
Diffraktive Optiken zur Strahlprofiländerung gibt es jetzt auch abgestimmt auf grüne Wellenlängen.

Photonik Forschung Deutschland
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt im Rahmen der Förderinitiative „Optische Komponenten und Systeme für Volumenmärkte“ Projektpartner, Technologien voran zu treiben. MOLAS (01.12.2007 – 31.03.2012) brachte mit einem Projektvolumen von 18,70 Mio. EUR die Technologien für ultrakompakte und mobile Laser-Projektions­systeme voran. In dem Projekt PICOLO wurde vom 01.07.2012 bis 29.02.2016 die Pico-Projektion mit RGB-Laserdioden in mobilen Endgeräten und Automotive Applikationen gefördert.

 

	DPSS Modul	Laserdiode
Wellenlänge	532 nm	520 nm
Strahlprofil	rund	elliptisch- etwa 3:1
Temperaturbereich	-5°C bis 50°C	-20°C bis 60°C
Leistungsstabilität	<5%	<2%
Modulationsfrequenz	<1 kHz	>100 MHz möglich
max. Ausgangsleistung	>100mW	80mW

 

 

Datenblatt:

Weitere Produktinformationen:
Lasermodule

Hersteller:
LASER COMPONENTS Germany / Lasermodule

Kontakt:

Ansprechpartner:	Stephan Krauß
Firma:	Laser Components Germany GmbH
Adresse:	Werner-von-Siemens-Str. 15
PLZ / Ort:	82140 Olching
Telefon:	+49 (0) 8142 2864-32
Fax:	+49 (0) 8142 2864-11
E-Mail:	stephan.krauss@lasercomponents.com