Ein besserer Laser für Entfernungsmesser

Laser werden seit Jahrzehnten als Entfernungsmessgeräte eingesetzt. Bereits im Jahr 1962 ließen Wissenschaftler am MIT starke Laserpulse aus Rubin auf den Mond prallen, um dessen Entfernung von der Erde zu messen. Im Jahr 1969 ließen die Astronauten der Apollo 11 Mission Retroreflektoren auf dem Mond zurück, die von den Astronomen des Lick-Observatoriums genutzt wurden, um noch genauere Messungen der Mondentfernung zu erhalten. Bei erdgebundenen Lasern werden diese Reflektoren noch heute verwendet! 

Die Miniaturisierung in der Mikroelektronik, die uns Smartphones und tragbare Fitnessgeräte beschert hat, hat auch Laser-basierte Entfernungsmesser zu tragbaren Geräten schrumpfen lassen. Laser-basierte Entfernungsmesser können die Entfernung zu einem Punkt über eine Reichweite von mehreren hundert Metern messen und werden in Sportarten wie Golf, Bogenschießen und Jagen eingesetzt. Sie werden auch im gewerblichen Bereich eingesetzt, z. B. im Hoch- und Tiefbau und in der Fertigung. In der Produktion ist die Abstandsmessung mit Lasern unerlässlich, um sicherzustellen, dass die Produkte einheitlich und mit hoher Präzision montiert werden.

Bau eines besseren Lasers zur Messung der Entfernung 

Entfernungsmesssysteme basieren in der Regel auf Dioden- oder Faserlasern. Diodenlaser werden in der Regel für tragbare oder Handgeräte bevorzugt, da sie kleiner, leichter und robuster sind, einen höheren elektrischen Wirkungsgrad haben und in der Regel kosteneffizienzer als andere Laserquellen sind. Es gibt jedoch eine Vielzahl von Anwendungen, die als „Laserentfernungsmessung” klassifiziert werden können – von scannenden LiDAR-Systemen für autonome Fahrzeuge bis hin zu Entfernungsmessern für Golfer. Ebenso vielfältig sind die Arten von Diodenlasern, die diese Dienste leisten.

Coherent stellt Diodenlaser für all diese Anwendungen her. Darüber hinaus produziert das Unternehmen auch Faserlaser für LiDAR-Systeme. Für Entfernungsmesser im Endverbraucherbereich haben wir eine Quelle entwickelt, die speziell darauf ausgelegt ist, das von diesem Markt geforderte Gleichgewicht zwischen Leistung, Kosten und verschiedenen praktischen Eigenschaften (wie Gewicht oder Batterielebensdauer) zu bieten.

Bei der Coherent SS905A13-TO-01 handelt es sich um eine kantenemittierende Laserdiode mit einer Wellenlänge von 905 nm, die über eine Triple-Junction-Struktur verfügt. Das bedeutet, dass drei separate Laseremitter auf einem Chip integriert sind und als eine Quelle fungieren.

Ein Triple-Junction-Diodenlaser ist eine Anordnung von drei getrennten Laserquellen in vertikaler Richtung auf einem Chip. Jeder Laser ist von seinem Nachbarn durch eine „Tunnelverbindung“ getrennt. Diese Schicht ist notwendig, um die Bildung eines p-n-Übergangs zwischen den einzelnen Lasern zu verhindern. Sie muss aber dünn genug sein, damit die Elektronen auf quantenmechanischem Weg durch sie hindurch „tunneln” können, um den Stromfluss zu ermöglichen. Die Gesamteffizienz des Lasers hängt stark von der Leistung der Tunnelverbindung ab. Coherent hat Methoden entwickelt, um die Verluste in dieser Schicht zu minimieren.

Diese Dreifachkonfiguration führt zu einer deutlich höheren Ausgangsleistung von bis zu 140 W Spitzenleistung im Vergleich zu herkömmlichen Diodenlasern mit einem Übergang bei vergleichbarer Größe und elektrischen Eigenschaften. Dieser Ansatz eignet sich nicht für den Dauerbetrieb oder den gepulsten Betrieb mit hoher Einschaltdauer, da die eng beieinander liegenden Laserübergänge viel Wärme erzeugen. Er ist jedoch ideal für Anwendungen mit kurzen Pulsen und geringer Einschaltdauer, wie z. B. Distanzmessungen, bei denen der Laser nur kurz aktiviert wird.

Der Coherent SS905A13-TO-01 bietet mehrere Vorteile gegenüber konkurrierenden Diodenlasern, die für die Entfernungsmessung entwickelt wurden – sogar gegenüber denen, die ebenfalls die Triple-Junction-Struktur verwenden. So ist zum Beispiel der SS905A13-TO-01 im Vergleich zu Produkten von Wettbewerbern um bis zu 10 % effizienter. Dadurch wird die Lebensdauer der Batterie verlängert. Der Produktentwickler hat mehr Flexibilität bei der Wahl der Stromquelle und der Verpackung des Geräts.

Darüber hinaus weist der Coherent Laser eine bemerkenswerte Leistungsstabilität bei Temperaturschwankungen auf. Damit sind auch bei stark wechselnden Betriebsbedingungen genaue und zuverlässige Messungen gewährleistet.

Warum 905 nm

Die meisten Entfernungsmesser und LiDAR-Systeme in Verbraucheranwendungen arbeiten entweder bei 905 nm oder bei 1.550 nm. Coherent stellt Diodenlaser mit diesen beiden Wellenlängen (und vielen anderen) her, aber wir glauben, dass 905 nm die kosteneffizientere Wahl für Entfernungsmesser ist.

Ein Grund dafür ist, dass Laser mit einer Wellenlänge von 1.550 nm aus InP hergestellt werden, während Laser mit einer Wellenlänge von 905 nm aus GaAs hergestellt werden. InP-Substrate und deren Herstellung sind teurer als GaAs, während der Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung bei GaAs-Chips 45 % gegenüber weniger als 10 % bei InP-Bauelementen beträgt. Im Vergleich zu Produkten von Wettbewerbern erhöhen diese Faktoren den Wert der 905-nm-Dioden.

Zusätzliche Kostenvorteile, die sich direkt auf den Produktpreis auswirken, bieten unterstützende Komponenten für 905-nm-Laser, wie z. B. Detektoren. Dies liegt daran, dass 905-nm-Laser Detektoren aus weit verbreitetem (d. h. preiswertem) CMOS-Silizium verwenden können, während 1550-nm-Laser wesentlich teurere Komponenten auf InGaAs-Basis benötigen. 

Die Entfernungsmessung ist nur eine der laserbasierten Sensortechnologien, die zunehmend in so unterschiedlichen Produkten wie LiDAR, -Smartphones, VR-Headsets und Consumer-Geräten für den industriellen Markt, z. B. im Baugewerbe, eingesetzt werden. Coherent ist weiterhin bestrebt, Laser und andere photonische Komponenten zu entwickeln, die das erforderliche Preis-Leistungs-Verhältnis bieten, um diese Anwendungen in die Praxis umzusetzen. Dies erreichen wir durch die einzigartige Kombination unserer Kompetenzen in den Bereichen Halbleitermaterialien, Laser und Optik.

Erfahren Sie mehr darüber, wie der Coherent SS905A13-TO-01 bei der Entfernungsmessung zum Einsatz kommt.

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