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Temperatur- und Konstantstromregelung für Halbleiter-Laser

Werner Zemliczka

Es wurde für ein Laserdiodenmodul LDM21 der Firma Thorlabs eine Regelung entworfen. In diesem Modul sind bereits ein Thermistor (temperaturabhängiger Widerstand) zur Temperaturmessung und ein Peltierelement zur Temperatursteuerung enthalten. Es können Laserdioden unterschiedlichen Typs und verschiedener Größen (Durchmesser 9 mm und 5.6 mm) verwendet werden.
Bei dieser Arbeit wurde eine AlGaInP Diode vom Typ HL6314MG der Firma Opnext (Hitachi) verwendet, diese hat eine Wellenlänge von 635 nm (rot) im sichtbaren Bereich und eine optische Leistung von maximal 3 mW.

Laserdioden benötigen sowohl eine Temperatur- als auch eine Stromregelung weil sich die Wellenlänge in deren Abhängigkeit verändert. Für präzise Messungen ist es aber notwendig die Wellenlänge konstant zu halten, das heißt, es dürfen sich die beiden Größen während einer Messung nicht ändern. Weiters sind Laserdioden sehr empfindlich gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD Problematik) und Stromspitzen was wiederum besondere Maßnahmen erfordert.

Zur Lösung der Regelungsaufgabe wurde ein Mikroprozessor verwendet und geeignete Ansteuer- und Auswerteschaltungen entworfen. Die Wahl fiel auf den ATmega 8 der Firma Atmel. Dieser verfügt über eine ausreichende Anzahl von Ein- beziehungsweise Ausgängen und einen SPI-Bus (Serial Peripheral Interface) über den Bauteile wie beispielsweise Analog-Digital-Konverter angesteuert und ausgelesen werden können.

Der Widerstandswert des Thermistors wird mittels einer Brückenschaltung ausgewertet, dazu wird die Differenzspannung mit dem Analog-Digital-Konverter gemessen und anschließend in eine entsprechende Temperatur umgerechnet. Ein im Mikroprozessor implementierter Regler gibt auf Grund der Temperaturdifferenz einen Strom für das Peltierelement vor. Dieses wird über einen Digital-Analog-Konverter angesteuert.
Die Laserdiode wird mit konstantem Strom betrieben. Dafür wird ein Laserschalter verwendet welcher einen Betrieb als spannungsgesteuerte Stromquelle ermöglicht. Außerdem hat dieser den zusätzlichen Vorteil, dass Stromspitzen beim Ein- und Ausschalten vermieden werden und alle Anschlüsse über einen ESD Schutz verfügen. Zur Auswertung der momentanen optischen Leistung wird eine Fotodiode, die in der Laserdiode integriert ist, verwendet.

Die Schaltungen zur Ansteuerung und Auswertung des Laserdiodenmoduls wurden auf einer Platine realisiert. Diese Platine wurde anschließend in ein Gehäuse eingebaut.

Abbildung 1: Fertig zusammengebautes Gerät

Abbildung 1: Fertig zusammengebautes Gerät

Das fertige Gerät (siehe Abbildung 1) verfügt über vier Taster zur Bedienung, einer Anzeige sowie den Anschlüssen für das Laserdiodenmodul und der Spannungsversorgung.
Weiters kann es via USB Anschluss mit einem PC verbunden werden.

Es kann autonom betrieben oder über den PC gesteuert werden.
Im ersten Fall wird die Solltemperatur und der Sollwert des Laserdiodenstroms mit den Tastern eingestellt, im zweiten Fall kann beispielsweise mittels Matlab eine automatisierte Messung und Steuerung durchgeführt werden.

03. Juli 2008