Laserdiode

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Eine Laserdiode (auch Halbleiterlaser) ist ein mit der Leuchtdiode (LED) verwandtes Halbleiter-Bauteil, das jedoch Laserstrahlung erzeugt.

Laserdiode im 5,6-mm-Gehäuse, wie es unter anderem in CD-Laufwerken verwendet wird (Größenvergleich: US-amerikanische 1-Cent-Münze)

In Laserdioden wird ein p-n-Übergang mit starker Dotierung bei hohen Stromdichten betrieben. Die Wahl des Halbleitermaterials bestimmt dabei die emittierte Wellenlänge, wobei heute ein Spektrum von infrarot bis ultraviolett abgedeckt wird.

Geschichte[Bearbeiten]

Die Idee, eine Halbleiterdiode als Laser zu nutzen, wurde nach dem Erscheinen der ersten Laser 1960 und auch schon vorher[1] von verschiedenen Physikern verfolgt. Anfang der 1960er Jahre lieferten sich mehrere Labors einen Wettlauf um den Bau des ersten Halbleiterlasers: Robert N. Hall von General Electric (Schenectady), Nick Holonyak von General Electric (Syracuse), Marshall Nathan von IBM und Robert Rediker vom Lincoln Laboratory des Massachusetts Institute of Technology (wo die Entwicklung unter Leitung von Benjamin Lax stand).[2][3] Sie basierten auf Galliumarsenid und hatten gemeinsam, dass sie noch wenig effizient waren, nur im Pulsbetrieb liefen und nur bei Kühlung mit flüssigem Stickstoff operierten. Im September 1962 schaffte es das Team von Hall mit knappem Vorsprung, den ersten Halbleiterlaser zum Laufen zu bringen (im Infraroten bei 850 nm, Holonyak demonstrierte kurz darauf den ersten Halbleiterlaser im Bereich des sichtbaren Lichts). In Russland gelang dies 1963 einem Team unter Nikolai Basow. Praktikable Halbleiterlaser entstanden erst, nachdem Herbert Kroemer in den USA und Schores Alfjorow und Rudolf Kasarinow in der Sowjetunion (Joffe-Institut) 1963 die Verwendung dünner Schichten in Sandwich-Anordnung (Heterostrukturen) vorschlugen (Alfjorow und Kroemer erhielten dafür 2000 den Nobelpreis in Physik). Auch hier kam es zu einem Wettlauf zwischen Russen und US-Amerikanern, 1970 brachten Teams bei den Bell Laboratories (Morton Panish, Izuo Hayashi) und vom Joffe-Institut (Alfjorow) kontinuierliche Halbleiterlaser bei Zimmertemperatur zum Laufen, wobei das Joffe-Institut etwas früher ans Ziel kam.

Funktion[Bearbeiten]

Die Emission von Licht entsteht durch Rekombinationsprozesse von Elektronen und Löchern am Übergang zwischen p- und n-dotiertem Bereich. Die Endflächen des Bauelements sind teilreflektierend und bilden somit einen optischen Resonator, in dem sich eine stehende Lichtwelle ausbilden kann. Liegt eine Besetzungsinversion vor, kann die stimulierte Emission zum dominierenden Strahlungsprozess werden. Die Laserdiode emittiert dann Laserstrahlung.

Das Erzeugen der Besetzungsinversion geschieht in Laserdioden durch elektrisches Pumpen, ein elektrischer Gleichstrom in Durchlassrichtung sorgt für stetigen Nachschub von Elektronen und Löchern. Der Pumpstrom, bei dem der Laserbetrieb einsetzt, wird auch als Laserschwelle oder Schwellenstrom Ith (von engl. threshold) bezeichnet.

Aufbau[Bearbeiten]

Aufgeschnittenes Gehäuse einer Laserdiode. Der eigentliche Laserchip ist der kleine schwarze Block im Vordergrund (Kantenemitter). Die Photodiode, zur Messung der Ausgangsleistung, ist der größere schwarze Block am Gehäuseboden.

Die meisten Laserdioden sind Kantenemitter (englisch edge emitter), d. h., das Licht verlässt den Kristall an dessen Bruchkante nahe an der Oberfläche quer zum Strom. Die Verlustleistung, je nach Wellenlänge 30 % bis 80 %, erwärmt den Kristall und muss durch eine geeignete Kühlung abgeführt werden. Bei mittleren Leistungen (500 mW) werden Kühlkörper eingesetzt, bei höheren mittleren Leistungen kommen Heatpipes und Flüssigkeitskühlungen zum Einsatz.

Die Überhitzungsgefahr stellt einen begrenzenden Faktor für die erreichbare Strahlungsleistung pro Einzelemitter dar. Um eine höhere Leistung zu erreichen, werden in einem streifenförmigen Chip mehrere nebeneinander liegende Dioden elektrisch parallel betrieben. Durch Zusammenfassung der einzelnen Strahlen lässt sich eine höhere Gesamtleistung erzielen. Eine solche Anordnung von mehreren nebeneinander auf einem Chip befindlichen Dioden wird als Barren (englisch bar) bezeichnet. Die 10 bis 25 Einzelemitter eines Barrens verhalten sich aufgrund des gemeinsamen Fertigungsprozesses elektrisch gleich und können daher parallel wie eine größere Diode betrieben werden. Man erreicht damit bei Strömen bis 80 A optische Leistungen bis 100 Watt im nahen Infrarot.

Aus mehreren solcher Barren zusammengesetzte Stapel und daraus gefertigte Diodenlaser erreichen Leistungen im Kilowatt-Bereich. Oberflächenemitter (englisch VCSEL) haben geringere Leistungen, jedoch eine bessere Strahlqualität.

Stand der Technik[Bearbeiten]

Der Wirkungsgrad einer Laserdiode wird als Verhältnis der Strahlungsleistung zur aufgenommenen Leistung definiert. Die Angabe der Lichtausbeute macht bei Dioden, die auch im unsichtbaren infraroten oder ultraviolettem Bereich strahlen, wenig Sinn.

Der erreichbare Wirkungsgrad lag im Jahr 2011 zwischen 10 % (grün, 530–540 nm), 20 % (blau, 440 nm) und 70 % (rot und IR, ab 650 nm). 2012 erreichten blaue Laserdioden 27 % bei einer Leistungsaufnahme von 1,4 W in einem TO-56-Gehäuse (5,6 mm) mit einer Lebensdauer von 10.000 Stunden. [4] Die Herstellung geeigneter InGaN-Halbleitermaterialien für grüne Laser, die eine hohe Stromdichte vertragen, ist noch immer problematisch. Für Beleuchtungszwecke ist es deshalb preiswerter, mit kurzwelligem blauem Licht geeignete Leuchtstoffe im langwelligeren Bereich anzuregen.

Elektrische Ansteuerung[Bearbeiten]

Interne Beschaltung einer mit Photodiode kombinierten Laserdiode

Laserdioden werden häufig mit einer Photodiode zusammen in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.[5]

Dabei ist die Photodiode, in diesem Fall auch als Monitordiode bezeichnet, optisch mit der Laserdiode gekoppelt. Sie dient als Sensor in einem Regelkreis dazu, die optische Leistung der Laserdiode durch eine externe elektronische Schaltung konstant zu halten.

Durch die zusätzliche Photodiode weisen die Gehäuse von Laserdioden, wie sie in CD-Spielern und Laserpointern verwendet werden, drei Anschlüsse auf, wie in nebenstehender Abbildung an einer beispielhaften elektrischen Konfiguration der beiden Dioden skizziert.

Laserdioden vertragen nur geringe Sperrspannungen im Bereich von 3–5 V. Weiterhin sind sie empfindlich gegenüber elektrostatischen Entladungen und werden zum Transport üblicherweise kurzgeschlossen. Bei Handhabung und Einbau müssen Schutzmaßnahmen getroffen werden, die elektrische Spannungen zwischen den Anschlüssen verhindern.

Typische Parameter und Besonderheiten[Bearbeiten]

Ein Einzelemitter ist ca. 0,1 mm hoch, 0,5–2 mm lang und 0,5–1 mm breit, wobei die aktive Zone weniger als 1 µm hoch ist.

Die emittierte Lichtleistung beträgt je nach Diodentyp einige hundert Mikrowatt bis über 10 Watt pro Einzelemitter. Der hierzu erforderliche Strom beträgt ca. 0,1 bis 12 A pro Emitter, die Spannung beträgt bei Infrarot-Laserdioden 1,8–2,2 V. Im gepulsten Betrieb (sog. q-cw-Betrieb) lassen sich noch größere Leistungen erreichen. Die Modulationsfrequenzen können dabei bis zu 10 GHz betragen.

Laserdioden können sowohl im Multi-Mode-Betrieb (Laserlicht mehrerer verschiedener Schwingungsmoden gleichzeitig) als auch im Single-Mode-Betrieb (nur eine Schwingungsmode) arbeiten. Wenn für eine Anwendung Single-Mode-Betrieb notwendig ist, kann dies durch eine Strukturierung des Halbleitermaterials geschehen wie bei DFB- (englisch distributed feedback laser) oder DBR-Laser (englisch distributed Bragg reflector laser), oder durch einen zusätzlichen externen Resonator (englisch external cavity diode laser, ECDL) erreicht werden: Wie bei anderen Lasern kann sich auch bei Laserdioden der optische Resonator über die Länge des aktiven Halbleiters hinaus erstrecken, die Länge kann jedoch aufgrund der Divergenz nur gering sein, erschwerend ist auch der hohe Brechungsindex des Halbleitermaterials, welche an dessen Austrittsfläche bereits zu einer hohen Reflexion führt.

Die Frequenz des von der Laserdiode emittierten Lichts ist außer vom Material abhängig von der Temperatur, dem Pumpstrom sowie ggf. der optischen Rückkopplung durch einen externen Resonator. Durch Stabilisierung dieser Parameter kann eine Bandbreite des emittierten Lichts von weniger als einem Megahertz erreicht werden.

Durch das Pumpen tritt auch eine periodische Änderung des Brechungsindex im Halbleitermaterial auf, da diese stark von der Ladungsträgerdichte abhängig ist. Die Änderung des Brechungsindex entspricht einer Variation der optischen Länge des Resonators bei gleich bleibender geometrischer Länge des Resonators. Somit verändert sich die Wellenlänge, d. h., der Laser verändert seine Emissionswellenlänge.

Auch die Erwärmung des Lasers führt zu Wellenlängenänderungen. Die Verschiebung beträgt etwa 0,25–0,3 nm/K, das Maximum der Strahlung verschiebt sich bei Erwärmung durch Verringerung des Bandabstandes hin zu längeren Wellenlängen.

Die Bruchfläche (Facette) ist äußerst empfindlich gegenüber Verschmutzung, da im Bereich des Strahlungsaustritts aus der schmalen aktiven Zone sehr hohe Strahlungsflussdichten bestehen. Zu große Stromimpulse können dort sogar bereits ohne Verschmutzung zu optisch induzierten, thermischen Zerstörungen der Facette führen. Diese Art der Zerstörung wird als COD (englisch catastrophic optical damage, dt. „katastrophaler optischer Schaden“) bezeichnet.

Anwendungen[Bearbeiten]

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Rote Laserdiode in Betrieb

Die handelsüblichen Wellenlängen von Halbleiterlasern und deren Anwendungen sind:

  • 405 nm – Basierend auf dem Halbleitermaterial Indiumgalliumnitrid. Blau-violette Laser, Anwendung in Blu-ray-Disc- und in HD-DVD-Laufwerken.
  • 445 nm – Verwendung als Leuchtmittel in Videoprojektoren.
  • 515 nm – Basierend auf dem Halbleitermaterial Indiumgalliumnitrid. Noch im Laborstadium.[6]
  • 531 nm – Basierend auf dem Halbleitermaterial Indiumgalliumnitrid. Noch im Laborstadium.
  • 635 nm – Qualitativ gute rote Laserpointer. Anwendung auch zur optischen Vermessung bei LIDAR.
  • 650 nmDVD-Laufwerke, Laserpointer
  • 670 nm – Minderwertige und kostengünstige rote Laserpointer. Einsatz auch bei Barcodelesegeräten.
  • 760 nm – Gasspektroskopie: Sauerstoff.
  • 780 nmCompact Disc-Laufwerke, Laserdrucker, Lichtschranken.
  • 808 nmPumplaser (DPSS) bei Nd:YAG-Laser. Anwendungen sind Pumplaser bei grünen Laserpointern oder bei Diodenlasern und deren Arrays.
  • 980 nm – Pumplaser (DPSS) bei Nd:YAG-Laser.
  • 1064 nm – Anwendungen bei Glasfasernetzen zur Datenübertragung.
  • 1310 nm – Anwendungen bei Glasfasernetzen zur Datenübertragung.
  • 1480 nm – Pumplaser (DPSS) bei Nd:YAG-Laser.
  • 1512 nm – Gasspektroskopie: Ammoniak.
  • 1550 nm – Anwendungen bei Glasfasernetzen zur Datenübertragung.
  • 1625 nm – Anwendungen bei Glasfasernetzen zur Datenübertragung. Im Rahmen von Wavelength Division Multiplex (WDM) üblicherweise für den Dienstkanal zur Netzwerksteuerung benutzt [7]
  • 1654 nm – Gasspektroskopie: Methan.
  • 1877 nm – Gasspektroskopie: Wasserdampf.
  • 2004 nm – Gasspektroskopie: Kohlendioxid.
  • 2330 nm – Gasspektroskopie: Kohlenmonoxid.
  • 2680 nm – Gasspektroskopie: Kohlendioxid.
  • 3030 nm – Gasspektroskopie: Ethin.
  • 3330 nm – Gasspektroskopie: Methan.

Weitere allgemeine Anwendungsgebiete sind:

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Diode lasers – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Einen ersten Vorschlag legte John von Neumann 1953 nieder. Er wurde erst 1987 veröffentlicht:  J. Neumann: Notes on the photon-disequilibrium-amplification scheme (JvN), September 16, 1953. In: IEEE Journal of Quantum Electronics. 23, Nr. 6, 1987, S. 659–673, doi:10.1109/JQE.1987.1073414. vgl.  R. Dupuis: Preface. In: IEEE Journal of Quantum Electronics. 23, 1987, S. 658, doi:10.1109/JQE.1987.1073438.
  2. Russell Dupuis: The Diode Laser – the first 30 days 40 years ago. In: Optics and Photonics News. Bd.15, 2004, S. 30 (IEEE Online im Webarchive).
  3. Noriaki Horiuchi Semiconductor Laser. In: Nature Milestones. 15. 1. Mai 2010.
  4. Osram: blaue Laserdioden (2012)
  5. Datenblätter verschiedener Laserdioden von Sony (engl.).
  6. Laborerfolg: Direkt emittierender grüner InGaN-Laser mit 50mW. Osram, 13. August 2009 (Pressemeldung).
  7. Laser Diode Wavelengths (engl.)