Hier ist eines der vielen Low-Cost Lasermodule zu sehen, die lediglich eine Versorgungsspannung benötigen und für einfache Markierungsaufgaben verwendet werden. Die Strahlleistung ist üblicherweise kleiner als 1mW, so dass bei der Verwendung keine Schutzmaßnahmen notwendig sind. Ein Hersteller lässt sich nicht ausmachen. Das vorliegende Modul stammt aus dem Infrarot-Thermometer DT8380.
Für eine zufriedenstellende und verlässliche Funktion benötigen Laserdioden einige elektrische und optische Hilfsstrukturen. Aus diesem Grund werden bei einfachen Markierungsaufgaben keine diskreten Laserdioden, sondern fertig konfektionierte Module wie das hier zu sehende verwendet.
Der schwarze Schrumpfschlauch am hinteren Ende des Moduls schützt eine kleine Platine, die den Strom durch die Laserdiode einstellt. Dazu wird in der Laserdiode die aktuelle Strahlleistung bestimmt und auf einen konstanten Wert geregelt.
Einen konstanten Strom einzustellen wäre nicht ausreichend, da die Strahlleistung einer Laserdiode stark von Produktionsschwankungen, Temperatur und Alterung beeinflusst wird. Erschwerend kommt hinzu, dass bei einem etwas zu geringen Strom die Laserschwelle nicht erreicht wird und die Laserdiode sich wie eine schwache Leuchtdiode verhält. Ist der Strom etwas zu hoch eingestellt, altert die Laserdiode sehr schnell und fällt frühzeitig aus.
Bei einem Laser darf die spezifizierte Strahlleistung aus Sicherheitsgründen niemals überschritten werden. Gleichzeitig sind optische Leistungsmessgerät oft nicht zur Hand. Das ist ein weiterer Grund dafür die Ausgangsleistung bereits bei der Fertigung einzustellen und direkt zu regeln.
Die Schaltung zur Leistungsregelung ist verhältnismäßig einfach aufgebaut. Der Transistor Q2 stellt den Strom durch die Laserdiode ein. Gesteuert wird Q2 von Q1. An der Basis von Q1 ist die Photodiode angeschlossen. Erhöht sich die Strahlleistung, so fließt mehr Strom durch die Photodiode, Q1 wird aufgesteuert, der Basisstrom von Q2 reduziert sich und damit auch der Strom durch die Laserdiode.
Als Transistoren kamen MMBT3904 zum Einsatz. Am Eingang der Schaltung befindet sich ein 100nF-Kondensator, der dafür sorgt, dass die Schaltung stabil arbeitet. Für eine schnelle Modulation eignet sich dieses Modul damit natürlich nicht.
In der Bohrung auf der Vorderseite ist eine Linse zu erkennen. Auf der Rückseite sieht man bereits, dass hier ein Bauelement in eine Metallhülse eingebaut wurde.
Schneidet man die Metallhülse auf, so wird die Linse im vorderen Bereich sichtbar. Es handelt sich um den sogenannten Kollimator. Laserlicht ist stark gebündelt, besitzt aber durchaus eine gewisse Divergenz. Folglich fächert sich auch ein Laserstrahl mit zunehmender Entfernung auf. Der Kollimator reduziert die Divergenz, so dass der Laserstrahl einem idealen Lichtstrahl noch näherkommt.
Bei genauerer Betrachtung zeigt sich, dass die obere Hülse ein Gewinde besitzt. Man hätte dieses Element, das mit Klebstoff gesichert war, wahrscheinlich auch abschrauben können. Eine Feder fixiert die Linse. Während der Herstellung kann man den optimalen Abstand der Linse durch ein einfaches Drehen der Hülse einstellen.
Man kann hier bereits die Laserdiode erkennen.
In der unteren Hülse befindet sich die Laserdiode. Die Bezeichnung Laserdiode ist üblich, wird der Baugruppe aber nicht ganz gerecht, da sich im Gehäuse auch die Photodiode zu Leistungsmessung befindet.
Der verhältnismäßig dicke Boden ermöglicht eine effiziente Entwärmung. Das ist in manchen Anwendungen wichtig, da Temperaturschwankungen den Wirkungsgrad und die Wellenlänge stark beeinflussen.
Die Laserdiode ist hochkant auf einem dicken vertikalen Metallelement aufgelötet. Es handelt sich um einen Kantenemitter. Der Laserstrahl wird an der oberen Kante ausgekoppelt. Ein Teil des Lichts verlässt den Kantenemitter auch nach unten und wird genutzt, um die optische Leistung zu bestimmen. Dafür befindet sich unter der Laserdiode eine Photodiode. Die Photodiode ist auf einer Schräge befestigt, so dass dort reflektiertes Licht nicht zur Laserdiode zurückgestrahlt wird. Es könnten sich sonst Störungen wie Amplituden- und Wellenlängenschwankungen ergeben.
Der Bonddraht der Photodiode besitzt auf der einen Seite einen Ball-Bond. Auf der anderen Seite befindet sich der zugehörige Wedge-Bond. Die Laserdiode wurde grundsätzlich genauso angebunden, hier hat man allerdings auf den Wedge-Bond zusätzlich einen Ball-Bond aufgesetzt, um die Verbindung zu sichern. Eine solche Maßnahme nennt man Security-Bond. Anscheinend war der Bondverbindung bei der Laserdiode etwas kritischer, so dass die zusätzliche Sicherung notwendig wurde.
Die Abmessungen der Laserdiode betragen 0,29mm x 0,25mm x 0,1mm. Das Die befindet sich auf einem verhältnismäßig dicken Träger, der wiederum auf die Metallsäule des Gehäuses aufgelötet wurde.
Die vordere Kante des Dies ist sehr glatt, damit die Laserstrahlung möglichst wenig gestört wird. Das Die ragt ein Stück weit über den Träger hinaus. Auf der Unterseite kann man gerade so eine Metallisierung erahnen, die von den seitlichen Rändern etwas Abstand hält. Die inaktiven seitlichen Fächen wurden deutlich erkennbar schräg ausgeführt.
Die Oberfläche der seitlichen Kanten zeigt sich außerdem sehr kantig. Das ist an sich nichts außergewöhnliches, allerdings scheint auf beiden Seiten vor allem mittig Material herausgebrochen zu sein.
Die Photodiode besitzt keine besondere Struktur.
Eine Laserdiode liefert erst ab einem gewissen Strom Laserlicht. Diese sogenannte Laserschwelle kann man bestimmen, indem man den Strom durch die Laserdiode erhöht und gleichzeitig den Strom beobachtet, der in der Photodiode erzeugt wird. Ab 11mA steigt die Lichtleistung und damit der Photostrom stark an. Ab hier wird Laserlicht erzeugt. Davor dominieren verlustbehaftete Effekte, die die Effizienz stark reduzieren.
Bei einem Strom von 1mA, deutlich unter der Laserschwelle, leuchtet die Laserdiode bereits gut erkennbar.
Bei einem Strom von 15mA strahlt die Laserdiode deutlich heller und es wird zunehmend schwieriger qualitativ hochwertige Bilder davon aufzunehmen.
Die aktive Schicht befindet sich auf der Fläche, die dem Träger zugewandt ist. Das ist sinnvoll, weil die Wärmeleitfähigkeit des Halbleitermaterials relativ schlecht ist. Der kürzere Weg vom aktiven Bereich zum Gehäuse ermöglicht eine effizientere Entwärmung.
Im Betrieb wird die teilweise Metallisierung von unten deutlicher erkennbar. In den offenen Flächen rechts und links bildet sich jeweils eine Helligkeitsstufe ab, die sich durch die abgeschrägten Kanten ergeben. Der Strahldurchmesser beträgt ungefähr 20µm. Selbst bei einer Strahlleistung von nur 1mW ergibt sich auf dieser Fläche eine Leistungsdichte von 250W/cm².
