un Laser OPSL

Abstract: in questo post descriviamo l’utilizzo del laser P530 della Osram. Si tratta di un laser a stato solido pompato otticamente (OPSL). Il laser emette a 530 nm con potenza che può facilmente arrivare a 50-70 mW. Si tratta di una sorgente laser molto interessante per il costo contenuto e per la qualità del fascio. 

Introduzione

Per più di un decennio, i laser a stato solido hanno sostituito i tradizionali laser a gas in molte applicazioni. Anche i laser a stato solido però, nonostante le loro qualità di affidabilità e prestazione, hanno dei limiti sulle lunghezze d’onda e livelli di potenza ottenibili. Alla fine degli anni 1990, Coherent ha identificato una nuova tecnologia per una piattaforma basata sempre su semiconduttori che avrebbe superato queste limitazioni. Coherent ha aperto la strada a questo concetto e ha introdotto i cosìdetti Laser a semiconduttore pompati otticamente (OPSL). Nel 2001 è stato presentato il primo OPSL commerciale.

Una caratteristica fondamentale del laser OPSL è la scalabilità della lunghezza d’onda di emissione.  Gli OPSL con la loro elevata flessibilità di lunghezza d’onda, sono diversi da qualsiasi altro laser a stato solido. La lunghezza d’onda della emissione fondamentale di uscita nel vicino infrarosso è determinata dalla struttura del chip semiconduttore di guadagno InGaAs e può essere impostata tra 920 nm e 1154 nm, ottenendo un’uscita, raddoppiata o triplicata in frequenza, collocata tra 355 nm e 577 nm.

Altra caratteristica del laser OPSL è la sua intrinseca scalabilità di potenza. Aumentando la dimensione dello spot sul chip OPSL e la potenza del diodo di pompa IR permette di ottenere una elevata scalabilità di potenza.

l’elemento chiave di un laser OPSL è il chip OPS che funge sia da mezzo di guadagno che da specchio della cavità. Questo chip semiconduttore III-V monolitico contiene strati di GaAS per assorbire l’emissione IR di un diodo di pompaggio, alternati a pozzi quantici InGaAs. I portatori di carica generati dal pompaggio ottico negli strati di assorbimento alimentano la ricombinazione negli strati dei pozzo quantici e guidano il processo laser di emissione IR che avviene perpendicolarmente rispetto agli strati (questa è una delle ragioni della elevata qualità spaziale del fascio di emissione). La stechiometria e le dimensioni fisiche dei pozzi quantistici determinano la lunghezza d’onda  di emissione, proprio come con un diodo laser a semiconduttore convenzionale. Dietro questi strati di assorbimento/emissione, il chip OPS incorpora anche svariati strati aventi indice di rifrazione alto e basso alternati che agiscono come un riflettore di Bragg distribuito (DBR) ottimizzato per la massima riflettività alla lunghezza d’onda di uscita specifica dell’OPSL, e che forma quindi uno degli specchi della cavità. L’emissione di pompaggio nel vicino infrarosso, fornita da un array di diodi o da un singolo l’emettitore, è focalizzata sulla superficie frontale come indicato nella Figura 1. La cavità ottica viene completata da un altro specchio, dal cristallo SHG/THG (generazione di seconda o terza armonica) e dallo specchio dicroico che permette l’uscota di una parte del fascio.

Fig 1 – Schema di principio di un laser OPSL

In figura 2 riportiamo lo schema del nostro laser OPSL PL530 della Osram. Nella cavità ottica trova posto anche un filtro birifrangente (BRF) per selezionare con maggiore accuratezza la lunghezza d’onda di emissione. Il cristallo per la generazione di seconda armonica è posizionato su di un elemento riscaldante che ha lo scopo di ottimizzare l’efficienza di conversione.

Fig 2 – Interno del modulo OPSL Osram PL530

Alimentazione e controllo del Laser

Nello schema riportato in figura 3, tratto dal datasheet, si mostra il pin-out del componente. I pin 1 e 2 alimentano il diodo laser, mentre i pin 3 e 4 sono collegati al riscaldatore interno. I pin 3 e 4 non hanno polarità mentre per l’alimentazione del diodo laser va rispettata la polarità corretta. Il riscaldatore interno va pilotato con un alimentatore controllato in tensione, con voltaggio di circa 2 ± 0,2 V. Con questa tensione ed in funzione della temperatura del modulo si ottiene il massimo della potenza di uscita. Il diodo invece va pilotato con un alimentatore limitato in corrente: la corrente massima va configurata al valore di 450 mA, questa corrente, sempre in funzione della temperatura del modulo, viene prodotta con un voltaggio di circa 1,75 V.

Fig 3 – Schema delle connessioni del modulo PL530

Dal datasheet del laser riportiamo alcune curve caratteristiche dei parametri di funzionamento. In figura 4 è riportato l’andamento della potenza del fascio laser in funzione della resistenza del riscaldatore che viene modulata dalla sua stessa temperatura a sua volta modulata dalla potenza elettrica immessa. Si vede come la potenza massima si ottiene in corrispondenza del valore di circa 38 Ω, in funzione della temperatura del case.  Al fine di mantenere costante la potenza d’uscita è importante mantenere costante la temperatura del case – possibilmente entro valori di 30 °C ∼ 40 °C – e mantenere costante la resistenza del riscaldatore. Per la temperatura del case si può montare il laser su di un blocco di alluminio, che funziona da dissipatore, ed utilizzare una cella di Peltier per mantenere il blocco di alluminio a temperatura costante.

Fig 4 – Potenza in output in funzione della resistenza del dispositivo di riscaldamento

In figura 5 riportiamo la curva tensione – corrente del modulo laser. L’emissione del fascio laser comincia ad una tensione di circa 1,55 V, con corrente pari a 50-100 mA. La tensione può essere aumentata fino a circa 1,75 V che corrisponde ad una corrente di 450 mA. E’ importante pilotare il modulo laser con un alimentatore controllato in corrente in modo da configurare correttamente la corrente di lavoro. La corrente massima di funzionamento non dovrebbe superare il valore di 450 mA: valori superiori potrebbero velocemente danneggiare il dispositivo.

Fig 5 – Caratteristica tensione-corrente del diodo laser

In figura 6 riportiamo le curve della potenza emessa in funzione della corrente assorbita. Il valore nominale di riferimento è assunto come la potenza emessa in corrispondenza della temperatura del case di 40 °C con corrente assorbita di 450 mA.

Fig 6 – Potenza in output in funzione della corrente del diodo laser

Il Dispositivo

Il modulo laser viene messo a contatto con un blocco di alluminio e fissato con del nastro adesivo in poliammide, come mostrato nella figura 7. Per migliorare il contatto termico si può anche utilizzare della pasta termica interposta tra la superfice inferiore del modulo laser ed il blocco di alluminio. Il blocco di alluminio viene mantento a temperatura costante (cioè viene raffreddato) grazie all’utilizzo di una cella di Peltier, posizionata a sua volta, su di un dissipatore di calore. Sul blocco di alluminio viene fissato il sensore di temperatura PTC che serve per pilotare il driver della cella di Peltier.

Fig 7 – Montaggio del Laser su dissipatore di calore controllato da una cella di Peltier

Nella figura 8 viene mostrata l’elettronica utilizzata per pilotare il modulo laser. Vi è il driver della cella di Peltier, denominato TEC driver, con i collegamenti verso la cella e verso il sensore PTC, questo circuito ha un trimmer mediante il quale si configura la temperatura desiderata del blocco di alluminio. Vi è il driver del riscaldatore del laser, heater driver, costituito da un semplice alimentatore step-up controllato in tensione, la tensione viene regolata con un trimmer e visualizzata sul display. Vi è infine il vero e proprio driver del laser costituito da un alimentatore più sofisticato mediante il quale è possibile configurare sia la tensione che la corrente di output.

Fig 8 – Apparecchiatura Laser con alimentatore controllato in corrente per il diodo laser (in alto a sinistra), alimentatore controllato in tensione per il riscaldatore (in basso a sinistra), TEC driver per la cella di Peltier (in basso al centro), laser su blocco di alluminio (a destra) 

Per compensare la divergenza del fascio laser può essere utile una lente di collimazione (per 530 nm) posizionata di fronte alla finestra di uscita del fascio, come mostrato in figura 9.

Fig 9 – Dettaglio del Laser accoppiato ad una lente di collimazione del fascio

In figura 10 mostriamo il nostro laser in funzione. Con la corrente configurata a 450 mA e la tensione del riscaldatore a circa 2 V, la potenza del fascio, misurata con la termopila DIY, risulta di circa 70 mW.

Fig 10 – Fascio laser prodotto dal nostro dispositivo

Conclusioni

La sorgente P530 della Osram è un esempio di laser a stato solido a pompaggio ottico. E’ una sorgente molto interessante per via del suo costo contenuto, della sua compattezza e per la alta qualità del fascio laser. Con il nostro setup abbiamo raggiunto facilmente una potenza di oltre 70 mW. Un laser di questo tipo potrebbe essere convenientemente utilizzato come sorgente di eccitazione per spettroscopia Raman e per spettroscopia di fluorescenza.

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