Halbleiterlaser
Lebensdauer von Laserdioden
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Beispiele aus der Praxis
Als erstes Beispiel wird die Lebensdauer eines 40-W-Barrens, der bei einer Wellenlänge von 808 nm emittiert, untersucht. Diese Barren dienen zum Pumpen von Nd-YAG-Lasern. Durch die lange Lebensdauer verlängern sich hier die Wartungsintervalle im Vergleich zu mit Blitzlampen gepumpten Lasern. Bei +45 °C Wärmesenkentemperatur liefert das Experiment bei 40 W optischer Leistung eine mittlere Lebensdauer von 15 000 h (Bild 4).
Mit Hilfe der Gleichungen ergibt sich bei Kenntnis von Ea (hier circa 0,5 eV) eine Lebensdauer von 50 000 h bei T1 = +25 °C und P1 = 40 W. Im zweiten Beispiel geht es um die Lebensdauer eines Breitstreifen-Emitters, der in der Druckindustrie eingesetzt wird. Diese 830-nm-Laserdiode mit 1 W zeigt keine Degradation, sondern nur den abrupten Ausfall. Ein Maß für die Lebensdauer ist in diesem Fall die mittlere Zeit zwischen den Ausfällen (MTBF). Häufig sind bis zu 100 solcher Laserdioden in einem Druckkopf. Da diese Systeme bis zu 5000 h im Jahr laufen und es wünschenswert ist, dass weniger als eine Diode pro Jahr ausfällt, muss die MTBF mindestens 500 000 h betragen.
In Bild 5 ist der beschleunigte Lebensdauertest für 1,4 W und +70 °C (Wärmesenkentemperatur) für 18 Dioden abgebildet. Über 3500 h hinweg ist kein Ausfall aufgetreten. Dies liefert 72 000 Diodenstunden ohne Ausfall. Es wurden weitere Messungen mit insgesamt 54 Dioden durchgeführt mit dem Ergebnis von 170 000 Diodenstunden ohne Ausfall.
Aus dieser Zahl lassen sich mit obiger Gleichung und Ea = 0,5 eV bzw. n = 2,5 für die spezifizierten Betriebsbedingungen von 1 W und +35 °C (Wärmesenkentemperatur) 1 500 000 Diodenstunden ohne Ausfall berechnen. Um nun hieraus auf die MTBF zu schließen, muss noch berücksichtigt werden, dass nur 54 Dioden untersucht wurden. Um auf eine größere Anzahl von Dioden zu schließen, wird ein Prozentsatz eingeführt, der die Zuverlässigkeit der Vorhersage beschreibt.
Bei 60% erhält man für die MTBF 1 600 000 h, während für eine größere Zuverlässigkeit von 90% nur 600 000 h erreicht werden. Dieser Wert ist aber immer noch deutlich über den Anforderungen der Druckindustrie. Die Ausführungen zur Lebensdauer einer Laserdiode können immer nur die Diode alleine berücksichtigen und nicht die Einflüsse der Umgebung in einer bestimmten Anwendung.
Insbesondere chemische Verunreinigungen und elektrostatische Entladungen beim Umgang mit Laserdioden können die Lebensdauer negativ beeinflussen. Werden Laserdioden aber sorgfältig und nach den Anweisungen des Herstellers verarbeitet und eingesetzt, so lassen sich Lebensdauern, wie sie hier beschrieben wurden, erreichen.
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