Adaptation

Optischer Aufbau

Laserdiode

Laserstrahlung zeichnet sich in der optischen Meßtechnik durch hohe zeitliche und räumliche Kohärenz aus. Beide Eigenschaften können bei natürlichen Lichtquellen nur unvollkommen durch schmalbandige Filter und enge Blenden erreicht werden. Dadurch wird die abgegebene Strahlung jedoch stark geschwächt. Demgegenüber liefert ein Laser eine hohe spektrale Leistungsdichte. Neben Festkörper- (Rubin, Neodym-YAG), Gas- (Helium-Neon, Argon, CO₂) oder Farbstoff-Lasern nimmt der Halbleiterlaser vor allem durch seine kleine Bauform und lange Lebensdauer eine Sonderstellung ein.

Bei Halbleiterlasern handelt es sich um Lumineszenzdioden mit pn-Sperrschicht, deren parallele Stirnflächen einen optischen Resonator ergeben – Abbildung 5-10. Durch Anlegen einer Spannung in Durchlaßrichtung erfolgt am pn-Übergang eine Ladungsträgerinjektion, die Injektionslumineszenz. Durch die Rekombination von Elektronen-Loch-Paaren wird durch spontante Emission Strahlung emittiert, Photonen werden ausgesendet.

Laseremission – stimulierte Emission – tritt ein, wenn ein Photon die Emission weiterer induziert, so daß sich das zusätzliche Photon zum primären mit identischer Wellenlänge, Phase und Polarisation addiert. Gleichzeitig muß der so entstandene Strahlungsgewinn die Verluste kompensieren, die durch Absorption im Halbleiterresonator sowie beim Auskoppeln der Laserstrahlung entstehen.

Eine Lasertätigkeit tritt jedoch erst beim Überschreiten der Schwellstromdichte ein – Abbildung 5-9. Unterhalb dieser verhält sich der Halbleiterlaser wie eine gewöhnliche Leuchtdiode und emittiert ein breites, kontinuierliches Spektrum.

   Abbildung 5-9: prinzipielle Steuerkennlinie einer Laserdiode aus [SAF96b]

Die emittierende Grenzschicht der Halbleiterstruktur mit einer Dicke von 1 .. 2 µm wirkt wie ein enger Spalt. Dadurch ergibt sich durch Beugung senkrecht zur Spaltrichtung ein stark divergent austretendes Strahlenbündel. Dieses besitzt durch die unterschiedliche Größe der Divergenzwinkel senkrecht – 20 .. 40 ° – und parallel – 7 .. 16 ° – zum pn-Übergang einen elliptischen Strahlquerschnitt – Abbildung 5-10. Es überlagern sich zwei Strahlkegel, deren örtliche Ursprünge sich unterscheiden. Ihre axiale Lage zueinander wird als astigmatische Differenz D As – bis zu 40 µm – bezeichnet.

   Abbildung 5-10: Halbleiterlaser AlAs aus [SAF96b]

Die Intensitätsverteilung entlang der Ellipsenachsen entspricht einer Gaußschen Glockenkurve. Die bei der Spezifikation einer Laserdiode angegebenen Divergenz-winkel q _p und q _s werden dabei den normierten 50 %-lntensitätswerten – FWHM: full width half maximum – der Gaußverteilung zugeordnet.
 

Abbildung 5-11: Mathematische Beschreibung der Gaußverteilung aus [SAF96b]

Die benötigte kurze Interferenzlänge ist, wie in Kapitel - Prinzip der Dickemessung - beschrieben, eine meist unerwünschte Eigenschaft, da vor allem die lange Kohärenzlänge ein hervorstechendes Merkmal von Lasern ist. Sie wird deshalb von den Herstellern nicht dokumentiert, wodurch die Wahl einer geeigneten Laserdiode erschwert wird.
 

Abbildung 5-12: Aufbau der Laserdiode SLD201V3 aus [SAF96b]

Aus der Untersuchung entsprechender Lichtquellen von Dorothea Gruber wird wie in der alten Version des Interferometers [KRO93], die Laserdiode SLD201V3 der Firma Sony eingesetzt. Sie weist die folgenden Eigenschaften auf:
 

Tabelle 5-3: Kennwerte der Laserdiode SLD201V3 aus [SAF96a]

Die folgende Graphik zeigt den Zusammenhang zwischen der optischer Ausgangsleistung und dem Diodenstrom, durch den diese geregelt wird:
 

Abbildung 5-13: Steuerkennlinie der Laserdiode SLD201V3 aus [SAF96a]

Bei der Speisung der Laserdiode müssen zwei gegensätzliche Faktoren berücksichtigt werden. Einerseits wird eine hohe optische Ausgangsleistung zur Justierung des Tastkopfes und zur Erkennung des optischen Reflexes der Hornhaut benötigt, andererseits erzeugt die Diode dabei Nebenmaxima, welche die Messung behindern. Diese zusätzlichen Maxima entstehen durch die Reflexion des Laserstrahls im Halbleiterresonator.

Zur Untersuchung der auftretenden Nebenmaxima wurde die Hornhauthalterung durch einen weiteren Referenzspiegel ersetzt, und ein Bereich von ± 5 mm um das Hauptmaximum abgetastet. Untersucht wurden Stromstärken von 70 bis 100 mA in Abständen von 2,5 mA.
 

  Abbildung 5-14: Interferenzsignal bei einer Stromstärke von 70 mA   Abbildung 5-15: Interferenzsignal bei einer Stromstärke von 80 mA   Abbildung 5-16: Interferenzsignal bei einer Stromstärke von 90 mA

Von 70 bis 77,5 mA besteht das Interferenzsignal nur aus dem Hauptmaximum – Abbildung 5-14. Ab einer Stromstärke von 80 mA sind die ersten Nebenmaxima im Abstand von 1012 µm schon deutlich zu erkennen – Abbildung 5-15. Bei größeren Strömen nehmen sie immer mehr zu – Abbildung 5-16, wodurch eine Vermessung der Hornhaut deutlich gestört wird.

Zur Justierung ist zwar ein höherer Diodenstrom für die bessere Sichtbarkeit notwendig, der jedoch für die Messung reduziert werden muß. Bei einer Stromstärke von 80 mA ergibt sich dann aus Abbildung 5-17 eine Kohärenzlänge von D l = 10,6 µm. Dies bedeutet eine mögliche Meßgenauigkeit von 5,3 µm.
 

Abbildung 5-17: Kohärenzlänge bei einer Stromstärke von 80 mA

Die Laserdiode wird waagrecht in einer Kollimationsoptik montiert. Die Justierung des Strahls kann so, ohne die Laserdiode zu manipulieren, über einen 100 %-Umlenkspiegel erfolgen.