Problem mit 532nm Laborlaser

[mephistopheles]

Hallo!

In der Hoffnung, dass hier evtl. jemand eine spontane Idee hat, trau ich mich mit meinem Problem mal hier rein.

Wir benutzen an unserem Institut DPSS Laser (von Crystalaser) für die Lasermikroskopie (über Singlemode Faser in ein QLC100 Nipkow-Disc System eingekoppelt). Eingesetzt wird ein 440nm Laser mit 30mW und ein 532nm Laser mit 25mW Leistung.

Wenn ich nun einen Langzeitscan mit einem (unveränderlichen) Farbstoffobjektträger mache, bekomme ich bei den Bildern, die mit dem 532nm Laser gemacht werden Signalschwankungen von bis zu 20%. Die Schwankung ist sinusförmig (man könnte selbst von Hand keine wesentlich schönere Sinuskurve zeichnen) und hat eine ungefähre Periodendauer von 12-18 Stunden (wenn das eine Rolle spielen sollte, kann ich den genauen Wert nachschauen).

Die beschriebene Störung taucht nur mit der 532nm Linie auf. Die Schwankungen der 440nm Linie bewegen sich in einem kleinen (=akzeptablen) Toleranzbereich.

Der naheliegende Gedanke wäre ein Laserdefekt (bzw. dass irgendetwas mit der Steuerelektronik nicht stimmt). Ich habe allerdings schon beides gegen ein an unserem Institut vorhandenes Ersatzgerät (ebenfalls 532nm DPSS von Crystalaser) ausgetauscht. Die Schwankungen sind mit dem Austauschlaser in identischer Form beobachtbar.

Meine Kollegen und ich sind mittlerweile mit unseren Ideen am Ende. Glasfaser und Koppler-Optik wurden erst vor kurzem eingeschickt und instandgesetzt. Dass beide getesteten Laser exakt den gleichen Defekt aufweisen halte ich ebenfalls für unwahrscheinlich (oder gibt es Erfahrungswerte mit Crystalaser-Produkten, die in diese Richtung gehen?). Hat evtl. einer der "Cracks" hier noch einen Spontaneinfall, wo des Pudels Kern liegen könnte? Manchmal sieht man ja den Baum vor lauter Wäldern nicht...

Niederfrequente Störungen im Hausstromnetz müssten sich doch, wenn überhaupt, auf beide Laserlinien auswirken, oder?

Viele Grüße
Andre

[gento]

Könnte es sein das die Räume nicht Klimatisiert sind und sich die Raumheizung in dem Sinus zeigt ?

Gento

[mephistopheles]

Zuerst: Danke für deine Antwort. An sowas triviales wie die Raumtemperatur hatte ich noch garnicht gedacht.

Im Klartext: Du meinst, dass die Temperaturschwankungen im Raum direkten Einfluss auf die Laserleistung nehmen könnten? Temperaturschwankungen kann ich sicherlich nicht vollständig ausschließen (vor allem nachts nicht - da bin ich eher selten anwesend). Der Raum ist allerdings an eine Klimaanlage angeschlossen, so dass ich Temperaturschwankungen maximal im Bereich +/- 3-4 °C erwarten würde. Aber ich kann ja zum Spaß mal ein MinMax-Thermometer im Raum lassen, wenn ich das nächste mal da bin.

Trotzdem wäre dann das beobachtete Sinus-Pattern noch sehr seltsam. Tagsüber ist die Temperatur ja mehr oder weniger konstant (zumindest gefühlt kann ich keinen großen Unterschied festmachen). Zumindest während der ersten 8 Versuchsstunden sollte also ein mehr oder weniger konstantes Signal zu beobachten sein.

Aber der Ansatz ist interessant und durchaus verfolgenswert. Habe eben noch an anderer Stelle gelesen, dass die Umgebungstemperatur direkten Einfluss auf die emittierte Wellenlänge hat. Nur: Wenn man das weiß (und ein Hersteller von für den Forschungsbereich entwickelten Lasern sollte das) - warum trifft man keine Maßnahmen, um eine konstante Temperatur des Lasermediums zu gewährleisten? Immerhin kosten die Teile mehrere Tausend Dollar - in dem Bereich sollte man das doch erwarten dürfen. Aber das ist dann wohl eher eine Frage, die ich dem Hersteller mal unterbreiten sollte

[rayman]

Habe eben noch an anderer Stelle gelesen, dass die Umgebungstemperatur direkten Einfluss auf die emittierte Wellenlänge hat.

Das trifft nur bei direkt emittierenden Diodenlasern zu. DPSS Laser haben eine konstante Wellenlänge.
Hier hat die Temperatur aber einen Einfluss auf die Leistung, sofern der Laser nicht perfekt temperaturstabilisiert ist.

Ist der 440nm Laser wirklich ein DPSS? Die Wellenlänge passt eher zu einem Diodenlaser.
Bei Dioden hat die Temperatur nicht so einen großen Einfluss auf die Leistung.
Das würde also passen.

Nur: Wenn man das weiß (und ein Hersteller von für den Forschungsbereich entwickelten Lasern sollte das) - warum trifft man keine Maßnahmen, um eine konstante Temperatur des Lasermediums zu gewährleisten? Immerhin kosten die Teile mehrere Tausend Dollar

Das sollte man in der Preisklasse eigentlich erwarten können. Bei den billigen Lasern, die wir hier in der Regel für Lasershows einsetzen ist das was anderes. Da fallen ein paar mW mehr oder weniger auch nicht so auf.

Wenn die Periodendauer wirklich 12-18 Stunden ist, fällt mir da außer der Temperatur aber auch nicht viel zu ein.

[mephistopheles]

Der Blaue müsste ein frequenzverdreifachter Nd:YAG (die Linie mit 1320 nm) sein. Der Grüne ein frequenzverdoppelter Nd:YAG (1064 nm Linie).

Meine Hand würde ich dafür allerdings grade nicht ins Feuer legen (wobei Crystalaser meines Wissens fast nur DPSS herstellt). Die genauen Unterlagen kann ich erst einsehen, wenn ich das nächste Mal im Labor bin. Allerdings sehen beide Laser identisch aus (sowohl Gehäuse als auch Steuereinheit) - spricht ja schon irgendwie dafür, dass sie die gleiche Technologie verwenden.

Die Periodendauer stimmt so tatsächlich. Ihr könnt euch nicht vorstellen wie ich geflucht habe, als ich dem Problem (mehr oder weniger durch Zufall) auf die Schliche gekommen bin. Ich hatte vorher biologische Langzeitexperimente durchgeführt, in denen durch diese Laserschwankungen äußerst interessante molekularbiologische Ergebnisse "produziert" wurden. Hatte mich schon über meine Entdeckung gefreut und die Publikation dafür gedanklich schon vorbereitet

Wie auch immer: Temperatur scheint vorerst der vielversprechendste (und irgendwie auch einzige ) verbleibende Ansatz zu sein. Mal sehen, ob ich morgen irgendwo ein Mix/Max-Thermometer auftreiben kann...

Bis hierher nochmal vielen Dank an euch beide. Ich werde berichten, sobald ich eine vernünftige Temperatur-Messung durchführen konnte.

[xrayz]

Wenn die Periodendauer wirklich 12-18 Stunden ist, fällt mir da außer der Temperatur aber auch nicht viel zu ein.

Hm also entweder häng ich grad irgendwo fest im Kopf oder das macht auch nicht wirklich Sinn mit der Raumtemperatur.

Mal kurz durchgedacht wie man zu einer sinusartigen Änderung der Raumtemperatur kommen würde (ohne Klimaanlage):

Arbeitsbeginn: Alle kommen in einem gewissen Zeitbereich ins Büro, Raumluft erwärmt sich stetig, Laser wird wärmer -> Leistungsänderung
Tagsüber: Luft wärmt sich zunehmend auf, Leistungsänderung geht aufs erste Maximum
Feierabend: Alle gehen verstreut über einen Zeitraum, Raumluft kühlt wieder langsam ab -> Leistung ändert sich
Nachts: i.d.R. ist es Nachts generell kühler als tagsüber -> Luft kühlt weiter ab -> Leistungsänderung geht aufs zweite Maximum
Und dann geht es wieder von Vorne los.

Das ergibt schon irgendwie eine Art Sinuskurve bei der Temperatur, aber bei T=12-18h?
Dann müsste doch die Leistungsänderung in den anderen Stunden wo keiner da ist weniger stark ausfallen, als sonst oder die Leistung im entsprechenden Bereich halbwegs konstant bleiben. Insbesondere übers Wochendene, denn da ist vermutlich ja nun noch weniger los, ergo erwärmt sich auch der Raum nicht so stark?

Auch wenn Schichtbetrieb herrschen sollte müsste sich diese Änderung anders äußern, denn dann gibt es ja nicht einen einheitlichen Arbeitsbeginn/-ende, sondern das geht fließend. Dadurch würde die Kurve auch anders beeinflusst werden, sodass die Amplituden deutlich geringer ausfallen müssten.

Die Klimaanlage sollte die Raumtemperatur ja stabil halten, eine so starke Änderung sollte hier also nicht auftreten.

Erscheint das soweit logisch oder hab ich was übersehen oder nen Denkfehler drin?

Sonst würden mir nur noch Störspannungen im Netz einfallen - aber gibt es die auch mit solchen extremen Periodendauern? (Stichwort: Harmonische Filter)

Mehr fällt mir jetzt auch nicht ein, was zu diesen komischen Periodendauern passt.

Gruß Max

/edit: Das einzige was mir noch einfällt: Bei den QSwitched Laserköpfen auf der Webseite von Crysalaser steht z.B.: "Power stability, rms 5% after warm-up, at 1k to 10kHz". Was sagt denn das Datenblatt der verbauten Köpfe dazu? (Bei den anderen DPSS ist sie mit 1% after warumup over 24h angegeben)

[mephistopheles]

Das ergibt schon irgendwie eine Art Sinuskurve bei der Temperatur, aber bei T=12-18h?
Dann müsste doch die Leistungsänderung in den anderen Stunden wo keiner da ist weniger stark ausfallen, als sonst oder die Leistung im entsprechenden Bereich halbwegs konstant bleiben.

Genau diese Regelmäßigkeit macht auch mir Kopfzerbrechen. Bei einer Netzstörung würde ich (wie eingangs erwähnt) erwarten, dass sie sich auf beide Laser auswirkt (beide hängen ja am gleichen Stromkreis - sogar an der gleichen Steckdose). Bei Lasern in der Preisklasse würde ich allerdings ohnehin einfach mal ganz frech davon ausgehen, dass die Netzteile entsprechend stabilisiert sind, um eine konstante Spannungsversorgung der Laser sicherzustellen.

OK - vielleicht noch 2 Worte zu den genauen Arbeitsumständen: Die Gerätschaften befinden sich in einem durch Schiebetüren abgetrennten Raum, der eigens der Lasermikroskopie gewidmet ist (ist ja auch sinnvoll vonwegen Lasersafety). In dem Raum befinden sich bei laufender Messung höchst selten Leute (ich selber steuere die Aufnahme die meiste Zeit auch aus der Ferne).

Andere Laser als die beschriebenen sind im Raum momentan (obwohl reichlich vorhanden) nicht in Benutzung. Das scheidet also schonmal als zusätzliche Wärmequelle aus. Die Laser selbst verfügen über einen "Remote-Interlock", den ich über eine Relay-Karte ansteuere. Relay geschlossen->Laser an. Die Zeit, zwischen den einzelnen Bildern (je 15 min) sind die Relays geöffnet, die Pumpdioden dementsprechend ausgeschaltet. Eine kontinuierliche Erwärmung der Pumpdioden respektive der Laserkristalle findet also sogut wie nicht statt.

Ich hänge mal ein Beispiel für den Signalverlauf während so eines Versuches an. Versuchsstart war so gegen 14 Uhr an einem normalen Arbeitstag. Gesamtversuchsdauer müsste so um die 22 Stunden gewesen sein (Aufnahmeintervall t=15 min). Der Kurvenverlauf ist bis auf kleinere Abweichungen reproduzierbar. Wie man sieht, beträgt die Schwankungsbreite lockere 20% - damit dürfte irrelevant sein, was im Datenblatt (das ich grade nicht verfügbar habe) steht - es ist in jedem Fall jenseits von Gut und Böse

PS: Es handelt sich nicht um QSwichted Modelle - soviel kann ich mit Sicherheit sagen.

PPS: Nochmal ganz lieben Dank, dass ihr euch hier mit meinem Problem beschäftigt. Ich weiß, dass ich mich wiederhole - aber man kanns garnicht oft genug sagen

[andythemechanic]

Hi Andre,

ich tippe auch auf ein Temperaturproblem, aber unahhängig davon: Die Laser sollten doch eine Leistungsmessung eingebaut haben. Der pragmatische Weg das Problem zu lösen wäre dann z.B. diese Leistungsmessung auszulesen und deine Kurve damit zu normieren. Es kann auch sein, dass sich die Faserkoppeleffizienz mit der Temperatur ändert (z.B. weil sich die Strahltaille verschiebt), in dem Fall muss die Leistungsmessung zur Normierung nach der Faser erfolgen.

Grüße
Andreas

[mephistopheles]

So - ich war eben mal im Labor und habe ein Mix/Max-Thermometer mit in die Laserbox gelegt. Mal sehen, ob es wirklich signifikante Temperaturschwankungen gibt. Fiebermessen bei Laborlasern - spannende Sache

Die momentane Testmessung verläuft bemerkenswert konstant. Wenn ich die erste Stunde mal außen vor lasse, bewegen sich die Schwankungen bis jetzt (nach insgesamt 4 Stunden) im 2%-Bereich.

Das würde ja die "Temperaturthese" irgendwie stützen. Außer mir war heute nur eine einsame Person am Institut zu sehen - und die hat in anderen Labors gearbeitet. Es dürfte heute also kaum betriebsbedingte Temperaturschwankungen gegeben haben. Ich habe aber auch mal die Steckdose gewechselt - evtl. lags auch daran

Und hier noch die genaue Bezeichnung der Laser, um die es geht:
BCL-030-440 (blau)
GCL-532-025-L (grün)

Definitiv beides DPSS (auf den Laserköpfen steht "solid state"). Was mich ein bisschen wundert: Im Datenblatt des blauen Lasers steht was von "internal TEC temperature-stabilized, no additional heat sink required". Diese Angabe fehlt bei dem grünen gänzlich.

Nunja - mal sehen, wie sich die aktuelle Messung weiterentwickelt und was das Thermometer morgen sagt.

[rayman]

Definitiv beides DPSS (auf den Laserköpfen steht "solid state").

Das trifft auch bei Diodenlasern zu.
Ich tippe beim blauen immer noch auf Diode.

Hier gibt es eine eigene Spezifikation für den Diode Pumped 473nm. Da ist auch der Kristall angegeben. Beim grünen ebenfalls.
Bei den anderen blauen nicht.
http://www.crystalaser.com/new/bluelaser.html
Auch die kurze Aufwärmzeit, der größere Strahldurchmesser und die niedrige Leistungsaufnahme deuten auf Diode hin.

Hier ist ebenfalls nur beim 473nm der Hinweis auf DPSS. http://www.crystalaser.com/DL375-488.pdf
UND: Der Ellipsenförmige Beam (1,5x2,2mm) ist ein weiterer ganz klarer Hinweis auf eine Diode.

[mephistopheles]

Das trifft auch bei Diodenlasern zu.
Ich tippe beim blauen immer noch auf Diode.

Ist das so? Nach meinem Verständnis ist ein Festkörperlaser (solidstate) immer ein Kristall, der optisch gepumpt wird. Dioden laufen in meiner persönlichen Terminologie (und auch nach allem was ich bisher gelesen habe) unter "Halbleiterlaser" (semiconductor). Falls ich da einem terminologischen Irrtum aufgesessen bin, lass ich mich gerne aufklären. Ich bin Bioinformatiker, der Laser zugegebenermaßen nur als Werkzeuge benutzt (aber trotzdem gerne dazulernt)

"Mein" blauer Laser ist auf der verlinkten Website übrigens nicht aufgeführt. hier gehts zu einem PDF Datenblatt, wo er bei ist (allerdings nicht in 30mW). Wie man dort sieht, ist der Beam nicht elliptisch, sondern kreisförmig. Was außerdem für Solidstate spräche, ist, dass auf dem Laserkopf mehre Wellenlängenbereiche angegeben sind, in denen emittiert wird - darunter auch irgendwas im 800nm-Bereich (also ziemlich genau die Frequenz, mit der ein Nd:YAG Kristall gepumpt werden würde) und irgendwas um 1320nm (Wellenlänge des Nd:YAG vor der Frequenzverdreifachung).

Dass im Datenblatt allerdings kein Kristall angegeben ist, stimmt. Das ist das Einzige, was mich in dem Zusammenhang etwas stutzig macht.

Bisherige Ergebnisse (nach mittlerweile 10 Stunden Versuchsdauer) machen die Sache nicht minder mysteriös: Grüner Laser -> Schwankung im 5% Bereich. Blauer Laser -> Schwankung im 10%-Bereich. Beide Schwankungen scheinen diesmal weitgehend synchron zu verlaufen. Der blaue Laser ist powermäßig diesmal auf ein Minimum reduziert (grüner läuft auf Maximum) - evtl. kommt daher die größere Schwankungsbreite).

[Dr.Ulli]

Wie wäre es, die Laserleistung direkt (an irgendeinem Reflex, oder abgezwacktem Strahl) mit zu messen und als Referenz-Größe in der Messung mitzuverwenden? (I = I(Mess)* I(Mittel-Referenz)/ I(Referenz))
Dadurch sollten Schwankungen der Laserintensität aus den Messergebnissen "verschwinden"...

[mephistopheles]

An und für sich sehr gute Idee. Das Problem ist, dass ich aktuell kein Powermeter zur Verfügung habe, dass sich elektronisch auslesen ließe. Und um das einigermaßen benutzerfreundlich (das sind größtenteils Biologen, die einfach nur ihre Proben scannen wollen) ablaufen zu lassen, müsste es schon automatisiert sein. ...abgesehen davon, dass mir mit einer Beseitigung der Ursache wohler wäre

Außerdem bin ich mittlerweile nicht mal mehr sicher, dass es Schwankungen der Laserintensität selber sind. Ich habe gestern genau das gemacht, was du vorschlägst. Wärend das aufgezeichnete Mikroskop-Bild um etwa 3% geschwankt hat, war mit dem Powermeter keine Änderung messbar. Wahrscheinlicher ist für mich daher eher, dass sich die Koppeleffizienz in die Faser verändert. Wenn ich daran denke, was das Einkoppeln für eine elendige Frickelei war, kann ich mir gut vorstellen, dass kleinste Verschiebungen (wie sie z.B. durch thermische Gradienten entstehen könnten), zu einer Signalveränderung führen würden.

[Dr.Ulli]

Nun- dann müsstest du das Referenzsignal hinter der Faser aufnehmen...
Auch wenn du es nicht direkt mit in die Messung einrechnen kannst - da könntest du wenigstens sehen, ob die Beleuchtung wirklich so schwankt, wie du berichtest. Vielleicht kannst du dann auch gezielt an der Stelle, welche die Schwankungen verursacht, Aktionen zur Stabilisierung unternehmen (z.B. die Koppelung in eine termostatisierte Kiste stellen - falls es daran liegt).


EDIT: Wenn man mal nach GCL-532-025-L googelt, findet man ja schon mehrere wissenschaftliche Anwendungen des Lasers - und keiner "meckert" bisher darüber...der sollte also wohl stabil genug sein.

[mephistopheles]

Genau - das wird der nächste Schritt sein. Auf die Weise kann ich zumindest ausschließen, dass der Farbstoffobjektträger seine Eigenschaften ändert oder die Akquise-Software Bugs hat. Ist zwar beides nicht sonderlich wahrscheinlich, aber man weiß ja nie

Mittwoch bin ich wieder für längere Zeit im Labor - dann werde ich das mal in Angriff nehmen.

edit: Rubrik in Sam's LaserFaq zu diesem Laser: http://www.repairfaq.org/sam/laserscl.htm#sclcl1

[mephistopheles]

Hmmm... Temperaturschwankung im Raum während der ganzen Versuchsdauer war <2°C. Das Powermeter zeigte heute auch noch den gleichen Wert wie gestern an (0.5-0.6 % Schwankung wollen wir mal unter Messfehler abhaken).

Das macht Schwankungen der Koppeleffizienz nun endgültig zum Favoriten (die Koppeleffizienz ließ sich von mir adhoc durch leichtes Ändern der Justierung um 2mW anheben - für beide Laser). Ich werde das am Mittwoch mal checken. Die Frage ist nur: Wenn es nicht temperaturbedingt ist (und die Wahrscheinlichkeit dafür halte ich bei 1°C Schwankung für minimal) - was ist dann der Grund?

Wie auch immer - das ist natürlich kein Laserproblem mehr im eigentlichen Sinne. Trotzdem nochmal danke an alle Beteiligten - manchmal hilft es auch einfach schon, mit unbeteiligten über ein Problem zu sprechen. Immerhin erspart mir das, den Laser nach Nevada zu schicken - wär ja auch wieder Aufwand gewesen.