Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß sein?

    Hallo Leute,


    um Gewindestanges Thread zum Diodengepumpten NdYAG nicht komplett zu kapern, lagere ich den weiteren Aufbau meiner "DDL"s hierher aus.


    Zuerst noch ein paar Bilder vom Gehäuse und dem TEC-Aufbau:


    -- IPG-Leergehäuse mit "innenliegendem" Kühlrippenprofil und 4 Lüftern zur Wärmeabfuhr:


    IPG-Leergehaeuse.jpg IPG-Leergehaeuse-Offen.jpg



    -- am Fräsen der Aluplatte über den Peltier-Modulen:


    Fraesen-1-2-Fertig.jpg



    -- Test mit 3x 30Watt-Peltiers (bei 6x und 30V @ 8A hat's etwa 5°C auf der Platte und 45°C an den Kühlrippen):


    3x30W-TEC-Test.jpg



    -- hier eine "Stellprobe" mit zwei von den 200W-Laserdioden, einem IGBT und verschiedenen Treiber-Varianten:


    Elektronik-Positionierung.jpg



    Mit den verschiedenen Treibern habe ich die Möglichkeit entweder mit meinen "intelligenten" Treibern pro Modul CW bis 12A (die grünen) oder bis 20A (die größeren goldenen) mit normalen MOSFET's auszugeben (gepulst bis zum doppelten Strom!) - die Treiber können auch parallel geschaltet werden, so daß bis zu max. 40A für die Dioden damit auch möglich wären -- wahlweise bei 12V für die Ansteuerung der Dioden separat, oder auch mit 24V, wenn in Serie.


    Rechts neben dem Gehäuse liegen ein paar von den "simplen" 5xLM338-Treibern, die ich für das "Forumsprojekt" konzipiert hatte - die können bei ausreichend Kühlung auch bis 20A CW pro "Streifen" und ebenfalls parallel geschaltet werden.


    Ob ich das mit "normalen" MOSFET's mache, oder mit den dicken IGBT-Ziegelsteinen, probiere ich noch aus - hängt vor Allem von der erforderlichen Schaltgeschwindigkeit ab, die ich später brauchen werde ...


    Viktor

    ... ich hatte vor Jahre mal Versuche mit den 9Watt@975nm-Dioden mit 0.1mm-Faser und Holz gemacht - das hat nur bei sehr dunklem Holz funktioniert, durch "normales" Sperrholz hat's größtenteils nur durchgeleuchtet :S


    Jetzt, mit den 200Watt-Dioden aus einer 0.2mm-Faser sollte sich das aber schon eher im "Arbeitsbereich" bewegen - ich versuche diese Woche mal einen vernünftigen 40Ampere-Treiber dafür aufzubauen und teste dann mal, wie die mit Holz zurechtkommen.


    "Refokussiert" auf 0.2 bis 0.3mm sollte das eigentlich nicht viel schlechter sein, als ein CO2-Laser ... die Frage ist nur - was für einer 8)


    Viktor

    ... nachdem das Forum fast zwei Wochen down war und ich das in den anderen Foren weiter gebloggt habe, poste ich hier zumindest die beiden Viedeos von den "Puls-Tests" mit 10A / 3ms auf Karton:


    https://vimeo.com/324298550


    - und mit 18.5A und zwei Doppelpulsen mit jeweils 2x1ms auf Karton und auf Edelstahl:


    https://vimeo.com/326086358


    Viktor

    ... hmmm ... ich muß mich doch mal etwas intensiver mit LIDAR-Treibern beschäftigen :awesome:


    Ich bin wohl nicht der einzige, der mehrere Treiber parallel pulst, um höhere Ströme und Leistungen schneller schalten zu können:


    Laserdriver_Fig_3.jpg



    - bei den LIDAR-Treibern geht's in Richtung wenige Nanosekunden Pulszeit mit Strömen über 100 Ampere!!


    Laserdriver_Fig_2_DBR_laser_905_nm.jpg



    Hier der Artikel von 2017 zu dem Thema mit den für mich doch sehr interessanten Werten:


    https://www.fbh-berlin.com/res…t-along-with-short-pulses


    Viktor

    ... neee - die Firmen sind auch noch nicht viel weiter :rolleyes:


    Für LIDAR-Anwendungen gibt's jetzt schon kommerziell verfügbare kleine Module mit 40 Ampere Spitzenstrom und 4 Nanosekunden Pulszeit (und keine Angabe über Wiederholraten).


    Für Hochleistungs-QCW-Treiber sind sie aber auch erst bei ab 3 Millisekunden, wo ich mit meinem OpAmp-Treiber doch schon etwas schneller schalten kann 8)


    https://picolas.de/wp-content/…-Channel-LIDAR-Driver.pdf


    Viktor

    ... so -- die Sache mit dem "verzögerten" Stromanstieg beim ersten Puls mit den 5xLM338 hat mir keine Ruhe gelassen ...


    Ich hatte ja schon die Idee, es (wie bei einem CO2-Laser) evtl. mal mit einem "tickle-Puls" zum Aufrechterhalten einer "Vor-Anregung" auszuprobieren.


    Hab's mal mit verschiedenen Pulslängen probiert - ab 7 Mikrosekunden Länge kommte der Puls durch - dann "sehen" ihn auch die Laserdioden.


    Darunter, bei 6 Mikrosekunden Puls und 1 Millisekunde Pause bleibt das aber "unsichtbar".


    Dann mit längeren Pulsen für Laser-Leistung probiert - bei den vorigen Tests hatte ich jeweils 1 Millisekunde Puls, 1ms Pause, 1ms Puls -- dann war der allerste Puls um etwa 300 Mikrosekunden "verzögert", die kurz danachfolgenden sahen sauber aus.


    Jetzt habe ich die Doppelpulse auf 100 Mikrosekunden verkürzt (irgendwo soll es ja auch was bringen ;) ) - und siehe da -- es hilft!!! 8o


    Hier im Bild ist es sehr gut zu sehen - links, ohne den "tickle-Puls" habe ich genau die 300 Mikrosekunden "verzögerung" ... rechts, mit den (unsichtbaren) 6 Mikrosekunden-Auffrischungspulsen, habe ich nur noch etwa 80 Mikrosekunden "Vezögerung" beim ersten Puls -- damit läßt sich doch gut leben 8)


    Tickle-Puls 6us.jpg


    Viktor

    ... so langsam wird's doch beängstigend! ;(


    Hab' die zweite 5xLM338-Bank paralel drangehängt, so wie das für eine der 200W-Dioden laufen wird - mit allen 10 LM338 an hat's dann 37 Ampere Puls- oder Konstantstrom!


    So schaut der Testaufbau dafür aus - bei den kurzen Pulsen und langen Pausen dazwischen braucht's das große Kühlgehäuse noch nicht:


    Pulstreiber 37A.jpg



    Und das ist die Kurvenform gegenüber dem vorherigen Test mit nur einer Bank und "nur" 18.5 Ampere (ich mußte bei 2 Bänken den "tickle" auf 5us reduzieren):


    Tickle-Puls 5us - 37 Ampere.jpg


    Viktor

    ... nu wird's langsam interessant ...


    Hab' den "tickle-puls" wieder weggelassen, dafür einen "Vor-Puls" von 5us Länge davorgesetzt und die Doppelpulse nochmal auf jeweils 50 Mikrosekunden Länge (und 50us Pause) verkürzt.


    Hierbei ist der 5us lange "Vorpuls" zu sehen, während er als "Dauer-tickle" nicht zu sehen war (leider komme ich mt dem Arduino Pro Nano nicht unter 5us ... müßte dafür einen Due oder einen Teensy3.6 nehmen, die aber beide nur 3.3V ausgeben).


    Die "Verzögerung" ist jetzt auch deutlich kürzer - der erste von den Doppelpulsen sieht schon gut aus!


    Allerdings habe ich jetzt beim Abschalten eine Oszillation mit "Unterschwingern" bis zu -20 Ampere!! - muß mal schauen, wo die herkommen (oder ob es nur "Artefakte" ohne echten Stromfluß sind) und wie ich sie ggf. wegbekomme:


    FP-50um.jpg


    Viktor

    *** ACHTUNG! *** -- dieser Post ist/war ein "1. April"-Scherz mit Halbwahrheiten ... also nicht für Voll nehmen :D


    ... hab' heute Morgen noch ein paar Sachen ausprobiert -- und weiß jetzt nicht, ob ich mich freuen, oder doch lieber heulen sollte ... oder ob demnächst Leute vom Geheimdienst oder vom Nobelpreis-Kommitee an der Tür klingeln werden ;(
    Aus den vorherigen Tests wußte ich ja schon, daß es auf der Fliese ziemlich gut "blitzt" - hier nochmal das Bild von einem der vorherigen "Fliesen-Flares":


    Linse30mm-5A-Fliese.jpg



    Nach einigen Anpassungen an der Leitungsführung und Einsatz eines größeren Filterkondensators und einer Drossel als Gegen-Induktion habe ich noch einige ziemlich gute "Blitze" rausbekommen und wollte noch ein Video davon machen.


    Wie ich das Video starte und den ersten etwas längeren Puls auslöse, höre ich ein ganz kurzes "Zischen" aus Richtung der Diode und des Netzteils und dann Knallt das mächtig auf der Fliese und auch noch auf dem Netzteil, das etwa 15 Zentimeter hinter der Fliese positioniert war !!!


    Hier die Bilder von dem Malheur - der Laserpuls hat ein kleines Loch komplett durch die Fliese geschossen:


    Fliese-Megapuls_kl.jpg


    - und danach noch die Anzeige vom Netzteil angeschmolzen!!


    Netzteil-Einschuß.jpg



    Auch das Auskoppel-Schutzfenster in der Diode hat mächtig was abbekommen:


    Diode-Fenster.jpg


    Die Diode scheint noch zu funktionieren (zumindest pulst sie noch sichtbar auf die Fliese, wenn auch nicht so heftig, wie bei dem "Mega-Blitz"), ich werde aber das Schutzfenster austauschen müssen.


    Jetzt frage ich mich, wie ich diesen "Mega-Puls" überhaupt hinbekommen habe ... und ob ich das wieder reproduzieren kann ... und ob ich das überhaupt nachverfolgen sollte, weil das schon ziemlich heftig in Richtung "Waffen-Entwicklung" geht, was ich doch schon immer abgelehnt habe :S


    Viktor

    ... hab' noch ein paar Tests mit 0.1 Ohm Lastwiderständen statt Diode gemacht, um den -20A-"Unterschwingern" nachzuspüren - dabei hat's mir wohl die Schalt-MOSFET's oder die kleinen Vortransistoren geschrottet (alle 10 LM338 funktionieren aber noch ordnungsgemäß) - vorher hat's aber zwei der Lastwiderstände "durchgeblitzt" - ein kurzer orangefarbener Blitz im Keramikgehäuse, ein Rauchwölkchen und kein Strom mehr ;(


    Was für Puls-Energien da geherrscht haben müssen, erkennt man z.B. auch daran:


    Widerstand durchgebannt3.jpg


    Beim ersten "durchgeblitzten" Lastwiderstand hat's nicht nur den Draht durchgebrannt, sondern auch das Gehäuse gesprengt! - ist eben ohne daß ich was damit genacht habe, einfach auseinandergefallen :shock:


    Viktor

    Das scheint ja Spaß zu machen mit den Dioden.
    Die scheinen ultrakurz ultraviel auszuhalten...
    Wie viel und lange ist die Frage.
    Das Problem mit dem Schutzglas erinnert mich an die Femtosekunden-Laser-Problematik, hier schafft man es nur mit Spiegeln die Leistung zu transportieren, alles andere raucht zu schnell ab wegen der hohen Pulsenergie.
    Soviel ich weiß könnte man hier noch Geld machen, mit einer "Faser"-Lösung um die Leistung zur Optik zu bringen.

    also das Loch ist echt vielversprechend. Den Umständen entsprechend sehr sauber und klein. Das jetzt auf Dauer hinbekommen... Pass nur mit Singularitäten auf.

    ... mit dem 20Watt-Faserlaser habe ich durch 0.5mm Chrom-Stahl auch schon ein 0.01mm dickes (bzw. oben 0.04mm, nach unten konisch auf 0.01mm), perfekt rundes Loch "gebohrt" - das war für eine Anfrage für einen Mikro-Dispenser, bei dem sie bisher die Bohrungen nur sehr kostspielig per Mikro-EDM gemacht haben ... sie haben sich aber noch nicht "durchgerungen" das auf meine Art zu versuchen :rolleyes:


    Mit den Dioden bekomme ich das so fein nicht hin und der Spot ist ohne Srahlformung auch nicht rund, sondern leicht oval (ist bei den Pulstest-Bildern gut zu sehen).


    Werd's dann mal bei Gelegenheit mit einem schäg angestellten konischen Spiegel probieren, den Strahl in der "breiten" Achse etwas stärker zu fokussieren, als in der "schmalen" - bei Vortests mit anderen Laserdioden hat das schon gut funktioniert!


    Ansonsten schaue ich dann mal, was mit dem "Multi-Dioden-Kopf" als kleinster Spot und größte Schnittiefe so geht 8)


    Viktor

    ... also, bevor das hier noch größere Kreise zieht, wie in ein paar der anderen Foren, kläre ich das wohl besser auf ;)


    Der "Mega-Puls" mit "Fliesen-Durchschuß" ist (eigentlich sehr, sehr Schade) nur ein "1. April"-Scherz mit Halbwahrheiten 8o


    Die Fliese sieht im Original so aus - die beiden Löcher links unten sind nur etwa 1mm tief reingeschmolzen und da hat es schon einige 100Watt-Pulse dafür gebraucht:


    Fliese-Megapuls-OK.jpg



    Das "angeschmolzene Netzteil-Display" habe ich auch nur auf die Schnelle "gemalt".


    Die verbrannen Widerstände sind echt -- allerdings war das beim Testen mit den kaputten(?) Schalt-MOSFET's auf "Dauer-AN", wo die Widerstände etwa 1 Sekunde überlebten, bevor der Widerstandsdraht weggebrannt war ... das "orangefarbene Leuchten" aus der Keramik heraus war aber wirklich schön 8)


    Viktor

    Für den Mikrodispenser gibt es aber industrielle Lösungen mittels Femtosekunden-Laser Bohren. Schafft bis zu ein paar µm kleine Details, feiner als Mikro-EDM. Standard-Anlagen, 3- bis 5-Achsig

    ... wie gesagt -- über mehrere Foren "gestreut", dann mußte ich es natürlich auch in allen "aufklären" :whistling:



    Zu dem "Mikro-Loch-Bohren" - es ging hierbei vor Allem um den Anlagenpreis und ob's eventuell ins Büro paßt.


    Ein FS-Laser, der sowas kann, kostet dann doch etwas mehr als unser 20Watt-Markierlaser für knapp 10k€ Netto :P


    Und fürs "echte Mikro-/Nano-Lasern" bin ich zum IMM und habe es da mit passenden Stahl-Masken im aufgeweiteten Strahl eines Excimer-Lasers auf 1 Mikrometer genau in XY und pro "Schuß" auf 200 Nanometer genau in Z "kalt" abgetragen 8)


    Viktor