Die Revolution 2013 - Grüne Laserdioden
Bisher waren sämtliche Weißlicht Laserprojektoren (RGB) mit grünen DPSS-Modulen ausgestattet (aus dem englischen Diode Pumped Solide State). Diese Laserquellen basieren auf „NLO“ Konversion (Nicht Lineare Optik) einer Infrarot Laserdiode durch zwei bestimmte Laserkristalle. Infrarot (808nm) wird durch den ersten Kristall auf 1064nm konvertiert, der zweite Kristall (Frequenz Verdopplung) verdoppelt die Frequenz und halbiert dadurch die Wellenlänge - 532nm Grün entsteht.Die Konversion ist nicht ganz einfach und beruht auf Pumpdioden sowie Laserkristallen, die gekühlt oder erhitzt werden. Wirkungsgrad und Leistung eines DPSS Kopfes sind stark temperaturabhängig und das wirkt sich auch auf das Strahlprofil aus.
Unterschiede von DPSS-Quellen und Laserdioden
Nachteil der DPSS-Quellen ist die Empfindlichkeit dieser Quellen und deren Modulationsverhalten (wegen des Kristall-Aufbaus). Natürlich gibt es High-End DPSS Laserquellen, welche, dank mehrerer Temperaturkontrollschleifen und perfekter Optiken, ein sehr gutes Strahlprofil und eine gute Modulation ermöglichen. Dies ist bei günstigen DPSS Laserquellen leider oft nicht der Fall, somit verändern sich Strahlprofil und Modulationsverhalten mit der internen Temperatur eines DPSS Kopfes. Folgen sind schlechtere Strahlprofile und vor allem Leistungseinbrüche bei Modulation.
Einen Vorteil haben DPSS Quellen dennoch: sie sind günstig, kompakt und können hohe Leistungen erbringen. Weiterer Vorteil: Bisher gab es keine Alternative zu den grünen DPSS-Modulen (außer Coherent OPSL Laserquellen, die aber nicht für kleine Geräte geeignet sind).
Vor mehreren Jahren gab es eine vergleichbare Revolution beim Wechsel von blauen DPSS-Laserquellen hin zu blauen Dioden-Laserquellen. Die früheren blauen DPSS-Quellen hatten noch einen weiteren Nachteil: deren Wirkungsgrad war etwa um die Hälfte schlechter als der grüner Quellen.
Vorteile blauer Laserdioden sind:
- Laserdioden sind um ein vielfaches kleiner und kompakter als ein DPSS Kopf (zwischen 5 und 9mm Durchmesser auf 5mm etwa für eine blaue Laserdiode welche etwa 1W Ausgangsleistung bringt). Ein blauer DPSS Kopf, welcher 0,5W Ausgangsleistung bei 473nm Wellenlänge brachte, ist im Durchschnitt 155 x 77 x 60 mm groß! Nicht zu vergessen: das zugehörige Netzteil (oder auch Treiber genannt) von 238 x 146 x 94 mm
- Laserdioden brauchen keine komplexe Temperaturstabilisierung wie es bei DPSS Kristallen der Fall ist. DPSS-Quellen müssen entweder gekühlt oder leicht erwärmt werden (falls das Gerät sehr kalt ist). In DPSS-Quellen sind teilweise bis zu drei Temperaturstufen im Einsatz: die erste für die Pumpdiode (eine Abweichung der Nominaltemperatur wirkt sich sehr negativ auf die Wellenlänge aus, die zweite stabilisiert den „Laserkristall“ (Nd:YAG sehr oft) und die dritte stabilisiert den „Verdoppler“ (KTP oder LBO je nach Aufbau). Wenn eine dieser Temperaturschleifen nicht optimal eingestellt ist, führt dies zu Schwankungen, Flackern und zu Leistungsverlusten.
- Laserdioden besitzen keine beweglichen Teile, wie z.B. der Ausgangsspiegel in einem DPSS Kopf. Die Struktur (Aufbau als Halbleiter Sandwich) der Laserdiode bildet gleichzeitig die Laserkavität der Diode. Dadurch verstellen sie sich nicht, anders als bei DPSS Laserquellen. Vibrationen und ein harter Schock führen oft zu Leistungsverlusten, im schlimmsten Fall zu einem kompletten Ausfall der Laserquelle. Diese muss dann erneut justiert werden.
- Laserdioden sind einfacher zu modulieren als DPSS-Laserquellen, da der Strom geringer ist als bei DPSS-Quellen. Durch deren Aufbau sind Laserdioden deutlich effizienter als DPSS-Laserquellen und produzieren dadurch weniger Abwärme bei gleichzeitiger geringerer Leistungsaufnahme.
- Einen Nachteil haben Laserdioden dennoch: die geringe Ausgangsleistung. Aktuell sind Laserdioden (je nach Wellenlänge) zwischen 150mW und 1-1,5W an Ausgangsleistung limitiert.
Dies wirft also die Frage auf „ Wie bekommt man mehr Leistung? „
Durch einfaches Koppeln von Laserdioden kann man höhere Leistungen erreichen, dies ist aber wiederum durch das Strahlprofil (Durchmesser & Divergenz) der einzelnen Dioden limitiert (siehe FAQ : Knife edge usw)
Wie zuvor mit Blau hat die Ankunft der grünen Laserdiode den kompletten Lasermarkt revolutioniert. Viele Produkte wurden umgerüstet, bei Laserworld sogar neu entwickelt, um das maximale Potential dieser neuen Dioden nutzen zu können.
Welche Vorteile hat ein reiner Dioden-Projektor im Vergleich zu „Dioden-DPSS“?
- Durch die extrem kompakten Laserdioden sind Laserprojektoren mit hohen Leistungen in sehr kleinen Gehäusen realisierbar, das beste Beispiel: PM-3800RGB Pure Diode oder besser noch RTI ATTO RGB 2.5.
- Divergenz ist ebenfalls ein sehr wichtiger Aspekt im Showlaser Bereich. Je geringer diese ist, desto „schärfer“ wird der Laserstrahl. Geringe Divergenzen machen sich vor allem bei Grafikprojektionen bemerkbar, dank scharfen & feinen Projektionslinien.
- Stromverbrauch und Wärmeentwicklung sind dank Dioden-Technologie ebenfalls stark reduziert, bei Pure Micro Geräten sogar halbiert worden.
- Modulationsverhalten: dieser Aspekt ist sicherlich der wichtigste für Lasershow Programmierer und Designer. Dank linearer Modulation sind die Ausgangsfarben äußerst präzise einstellbar, Flackern und Leistungsschwankungen gehören nun der Vergangenheit an.
- Durch die neue Halbleiter-Technologie verlängert sich ebenfalls die Lebensdauer einer Laserquelle, da keine mobilen Teile mehr in der Laserquelle vorhanden sind. Da keine Laserkristalle mehr verbaut werden (Nd:YAG / KTP) entfällt auch das Problem der Kälte-Empfindlichkeit: Laser-Dioden können problemlos bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden. Leider ist dies nicht der Fall bei temperaturabhängigen DPSS-Quellen:
- Wellenlänge der Pumpdiode verändert sich mit der Temperatur wenn der DPSS Kopf zu kalt wird, dann liefert die Pumpdiode keine 808nm mehr, sondern evtl. nur noch 804-802nm.
- Der Nd:YAG Kristall (Neodym Yattrium Aluminium Granated) hat seinen höchsten Wirkungsgrad bei 808nm Pumpwellenlänge. Verändert sich diese, dann bricht der Wirkungsgrad zusammen. Daraus folgt deutlich weniger Leistung mit 1064nm Wellenlänge
- Der Frequenzverdopplungskristall muss temperaturstabilisiert sein, da ansonsten dessen Wirkungsgrad auch zusammenbricht.
Die vergangenen Revolutionen im Showlaser Bereich haben gezeigt, dass die Halbleiter-Technologie und damit auch die grüne Laserdiode immer häufiger eingesetzt wird (ob Laserdiode oder OPSL Coherent Köpfe, welche ebenfalls auf Halbleitern basieren).
Glossar :
NLO : Nicht-lineare Optik
Knife edge: Technik zur Koppelung mehrerer Laserdioden zu einem gebündelten Strahl
Divergenz : „Aufweitung“ eines Laserstrahls
DPSS : Diode Pumped Solid State - Dioden gepumpter Festkörper Laser
Nd:YAG : Neodym Yattrium Aluminium granated : Wandelt 808nm -> 1064nm
KTP : Frequenz Verdoppelungskristall. Wandelt 1064nm -> 532nm (grün)
OPSL: Optically Pumped Semiconductor Laser - Optisch gepumpter Halbleiterlaser
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