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Eine Seite zu den Grundlagen der Laser-Diode

Nach einem ausführlichen Gespräch Anfang Februar 2020 mit den Experten der Firma IC Haus in Mainz lesen Sie hier die zusammen- gefaßten Ergebnisse.

Die Kenntnisse über die Wellenlängen des sichtbaren Lichtes muß ich hier voraussetzen. Das wird auf den anderen Seiten ausführlich beschrieben. Und die genauen physikalische Eigenschaften und Begriffe werden populär-sprachlich beschrieben.
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Wie ensteht das sogenannte "Laser-Licht" ?

Zwischen zwei Spiegeln wird ein sogenannter Resonator so lange mit Energie angereichert (voll gepumpt), bis ein Grenzwert überschritten ist und das "Licht" im Resonator anfängt, zu schwingen (zu resonieren).

Ein Resonator kann ein Gas oder ein Festkörper sein. Der gasförmge Resonator wird (mit seinen beiden Präzisions-Spiegeln) in eine Glasröhre "eingesperrt" (das Laser-Rohr). Ein Festkörper- Resonator kann in einem beliebigen Metall- oder Kunststoff-Gehäuse enthalten sein.

Einer der beiden Spiegel ist geringstfügig lichtdurchlässig und wenn der Resonator genügend Energie abbekommen hat, "entkommen" durch den einen Spiegel die sogenannten Photonen, das Laserlicht.
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Der Unterschied zwischen Laser-Rohr und Laser-Diode

Auf die Wellenlänge des Laser-Lichts hat der Abstand der beiden Spiegel keinen Einfluß. Das wird über die chemisch physikalische Zusammensetzung des Resonators bestimmt. Wichtigerer Unterschied ist der Wirkungsgrad und die Größe des Bauteils. Bei einem Laser-Rohr bekomme ich einen Wirkungsgrad von deutlich weniger als 2% geliefert. Also ein 100 Watt Laser-Rohr erlaubt eine Lichtausbeute oder Lichtleistung von allermeist weniger als 1 Watt. Ein kleines Laser-Rohr ist um die 20cm lang, Hochleistungs-Laser (im CERN zum Beispiel) sind bis über 1 Meter lang.
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Ein ganz enges Strahlenbündel aus dem Laser-Rohr

Dabei liefert das Laser-Rohr einen ganz extrem eng gebündeltes Strahlenbündel, welches oberflächlich betrachtet als quasi paralleles Licht gesehen werden kann. Auf 1000m Entfernung (oder sogar mehrere Kilometer - im CERN) kann solch ein Strahlenbündel am Ende durchaus einen Mini-Durchmesser von nur 1 mm haben. Und bezogen auf die klitzekleine Lichtaustritts- Öffnung des Laser-Rohrs sind diese z.B. 1 Watt Lichtleistung eine absolut gigantische Engergiedichte. Die beiden internen Spiegel wie auch die externen Spiegel und Prismen sind extrem kritisch bezüglich 100% Reflexion und Lichtdurchlass.
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Ein beinahe diffuses Strahlenbündel aus der Laser-Diode

Die Laser-Diode hingegen erzeugt das Laser-Licht in einem "klitzekleinen" Festkörper- Resonator, einem Halbleiter-Kristall, der auf beiden Seiten je eine Spiegelfläche angeschliffen bekommen hat.

Völlig anders ist die deutlich höhere Enerieausbeute der Lichtleistung von nahezu 50% der zugeführten elektrischen Leistung.

Dafür bekomme ich aber (nur) einen recht weit streuenden elypsoiden Lichtaustritt, also ein diffuses Strahlenbündel, dessen ovale Austrittswinkel von 15° bis 30° reichen.
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Die Eigenarten (und Nachteile) der Laser-Diode

Jeder Ingenieur zeichnet sein Diagramm etwas anders
Hier etwas deutlicher der gefährliche Knick in der Kennlinie
die Amerikaner sehen das lockerer

Die Vorteile der Laser-Diode, insbesondere die kleine Bauform, sind (in unseren Kreisen) allgemein bekannt. Jedoch ein Grundprinzip der Physik ist : zu allen Vorteilen gehören immer auch Nachteile.

Die bei uns im CD-Spieler verwendete "dauerleuchtende" Laser-Diode besitzt eine abknickende Kennlinie, so nennen wir die grafische Darstellung der Stromzufuhr und die damit erzielte Lichtausbeute, die Lichtleistung.

Beginne ich die Stromzufuhr bei Null und steigere sie linear bis zu diesem Knickpunkt in der Kennlinie, leuchtet die Laser-Diode allermeist wie eine LED. Die abgegebenen Wellenlänge ist mehr oder weniger monochrom und wird durch die Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials vorgegeben.

Aber so ziemlich genau ab diesem Knickpunkt (siehe Bild) kippt das System vom diffusen LED-Licht zu einem "einwelligen" farbigen Licht mit vergleichsweise ungeheurer Stärke.

In diesem Knickpunkt ändert sich auch das lineare Verhältnis von zugeführtem Strom zu abgegebener Lichtleistung dramatisch, aber weiterhin linear. Bei jetzt nur noch geringfügiger Stromerhöhung erhalte ich auf einmal eine völlig andere deutlich höhere Lichtleistung.

Und damit wird natürlich die abgegebene Wärme (das sind ca. 50% der zugeführten Leistung) auch dramatisch erhöht und die muß ja irgendwo hin. Von jetzt an ist das "System Laser-Diode" sehr sensibel gegen zu hohen Strom. Also nur noch ein "Bischen mehr an Strom" und die Laser-Diode ist hinüber.
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Der Strom der Laser-Diode muß akribisch geregelt werden

auch noch, der Einfluß der Temperatur

Ausschlagebend ist also nur der fließende Strom, nicht die an die laser-Diode angelegte Spannung. Und dieser Strom muß unbedingt auf die maximalen Grenzdaten hin begrenzt werden, besser noch  ein wenig darunter.

Weiterhin ändert sich mit zunehmender Temperatur auch die Wellenlänge des erzeugten Laser-Lichtes, weil sich die Eigenschaften des Resonators verändern und die sind frequenzbestimmend. Somit muß die Temperatur (im Kristall) ebenfalls gemessen werden (und das ist überhaupt nicht trivial) und die fließt in die Stromregelung auch noch mit ein.

Unsere Spot-Abtastung der Datenspur der CDs/DVDs ist dazu auch noch Intensitäts- sensibel. Die "Helligkeits-Unterschiede" des von der Spur reflektierten Lichtes werden in digitale Datenströme gewandelt. Deshalb muß das Laser-Licht (also sowohl vom Laser-Rohr wie auch von der Laser-Diode) eine absolut gleichbleibende (kohärente) Lichtleistung erzeugen - immer - eben solange, bis sie nicht mehr ausreichend hell "leuchtet" = strahlt.
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Die Alterung der Laser-Diode ist ein ungelöstes Geheimnis

Anfänglich (in den 1980er und 1990er Jahren) wurde es uns (gemeint sind wir, die CD-Player-Käufer) verschwiegen, daß auch eine Laser-Diode altert, also an Lichtleistung verliert. Bei gleichbleibendem (geregelten) Strom wird die abgegebene Lichtleistung weniger. (Grafische Darstellungen der Hersteller über den Verlauf der Alterung suchen wir noch.)

Da wir den elektrischen Strom (das sind diese ominösen 50 Milliampere -siehe Diagramme oben) über die Abfrage der empfangenen Lichtleistung der internen Monitor-Diode (die ist in fast jedem Gehäuse integriert) ganz gut regeln können (es gibt natürlich auch bessere externe Monitor-Dioden), kann man das über diese Regelung (in Grenzen) nachregeln.

Man kann also die Stromzufuhr über einen komplexen elektronischen Regelkreis so geschickt anpassen, daß die Lichtleistung weitgehend (jedenfalls über die erwartete Lebensdauer) stabil bleibt. Ist innerhalb dieser (Nach-) Regelung irgendwann der maximal mögliche bzw. erlaubte Grenzstrom erreicht, hat meist auch die abgegebene Wärme ihren Maximalpunkt bereits erreicht und mehr geht dann mit dieser Laser-Diode nicht mehr. Sie ist "End of Life" - also unbrauchbar.
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Gedanken zum Austausch solcher Laser-Dioden

Eine moderne Laser-Diode aus 2010,
ein kleines fummeliges Teil

Wie weiter oben beschrieben, erzeugt die Laser-Diode einen relativ breit streuendes Strahlenbündel (im Vergleich zum Laser-Rohr) in der Form einer Elipse. Da wir von der Laser-Diode so viel Licht-Energie wie nur irgend möglich benutzen müssen, wird diese Elipse mit einer speziellen Konvergenz-Optik "eingefangen" und in ein rundes aber jetzt paralleles Strahlenbündel gewandelt.

Damit dieses Strahlenbündel wirklich parallel wird, ist natürlich der optisch wichtige "virtuelle" Schnittpunkt der Erzeugung des Strahlenbündels wichtig. Der nämlich bestimmt den Abstand des Lichtaustritts aus der Laser-Diode zu der ersten Linse dieser Konvergenz-Optik.

Weiterhin muß oder sollte die vorgefundene Winkel-Lage des ovalen Lichtaustritts bzw. die Drehrichtung der verbauten alten Laser-Diode vorher festgestellt werden, weil ein Verdrehen der neuen Diode die notwendige Lichtleistung im optischen Strahlengang erheblich reduziert.

Und jetzt kommts : die bisherigen Kriterien für einen Austausch einer Laser-Diode ........
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Die Kriterien für einen Austausch einer Laser-Diode .....

Aufgrund dieser vorangegangenen Informationen summieren sich die Austausch-Kriterien beachtlich (eine vorläufige Liste, die noch weiter ergänzt wird) :

  1. Umfangreiches feinmechanisches Werkzeug muß verfügbar sein
  2. Umfangreiches elektronisches Meß-Equipment muß verfügbar sein
  3. Das Service-Manual des Gerätes muß in gut lesbarer Qualität verfügbar sien.
  4. Die Laser-Einheit muß überhaupt zu demontieren und zu öffnen sein
  5. Die Laser-Dioden-Type mit den technischen Daten muß verfügbar sein
  6. Eine elektrisch gleiche Äquivalenztype muß verfügbar sein
  7. Die Bauform der Äquivalenztype muß übereinstimmen
  8. Der Ist-Zustand muß fotografisch festgehalten werden
  9. Die Folien-Leiterbahnen müssen ablötbar und anlötbar sein
  10. Die Diode muß sowohl von der Drehung zunächst veränderbar positioniert werden.
  11. Die Diode muß auch vom Abstand zunächst veränderbar positioniert werden.
  12. Eine Meß-Platte (CD nach Erstellungs-Anleitung) muß auf einem intakten CD-Writer erstellt worden sein.

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Da dieses Thema sehr komplex und anspruchsvoll ist, ....

... sind hier mehrere fundierte Artikel zu lesen, die aber einige Nächte verschlingen werden. Aus dem Buch von Professor Fischer habe ich einige Teile der Entwicklung des Laser-Lichts eingebracht. Das dient zum allgemeinen Verständnis, worüber wir überhaupt reden.

Aus zwei weiteren Büchern von englischen SONY Mitarbeitern kommen (in Kürze) weitere physikalische Grundlagen und Feinheiten der SONY CD-Spieler sowie der ganzen PCM Technologie. Diese Grundllagen haben sich seither nicht geändert.

In zwei weiteren Büchern werden die Methoden der Reparaturen von CD Spielern - aber aus den Jahren 1993 und 1995 - beschrieben, aber auf dem Wissensstand dieser Zeit - aber da hat sich viel geändert, weil es schon lange keine Ersatzteile mehr gibt.

Nach unseren Informationen hatte SONY eine eigene Laser-Dioden Fertigung, die in der für SONY turbulenten Zeit nach 2000 aufgegeben oder verkauft wurde.

Informationen hierzu sind sehr willkommen. Ebenso sind alte Laser-Dioden Kataloge sehr willkommen.
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