Laserdiode

Eine Laserdiode ist ein der Leuchtdiode (LED) verwandtes Halbleiter-Bauteil, welches Laserlicht erzeugt. Dazu wird ein p-n-Übergang mit starker Dotierung verwendet. Je nach gewünschter Wellenlänge kommt eine Vielzahl von Halbleiter-Materialien zum Einsatz.

Funktion

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

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 bezeichnet.

Aufbau

Die meisten Laserdioden sind Kantenstrahler (engl. edge emitter), d. h. das Licht verlässt den Kristall an dessen Bruchkante nahe an der Oberfläche quer zum Stromfluss. Etwa 40% der elektrischen Energie wird in Licht umgewandelt. Der Rest erwärmt den Kristall. Wie bei allen technischen Halbleitern besteht bei zu hohen Temperaturen die Gefahr, dass er geschädigt wird. Daher werden Laserdioden zur Kühlung auf eine Metalloberfläche gelötet, die die Wärme abführt.

Mehrere, nebeneinander auf einem Chip befindliche Dioden werden als Barren (engl. bar) bezeichnet. Die 10...25 Einzelemitter eines Barrens verhalten sich elektrisch gleich und können daher parallel wie eine größere Diode betrieben werden. Man erreicht damit bei Strömen bis 80 A optische Leistungen bis ca. 100 Watt im nahen Infrarot.
Aus mehreren Barren zusammengesetzte Diodenlaser erreichen Leistungen bis in den kW-Bereich.

Vertikal strahlende Laserdioden (sog. VCSEL) haben geringere Leistungen, jedoch eine bessere Strahlqualität.

Typische Parameter und Besonderheiten

Ein Einzelemitter ist ca. 0,1 mm hoch, 0,5...2 mm lang und 0,5...1 mm breit, wobei die aktive Zone nur <1 µm hoch ist.
Die emittierte Lichtleistung beträgt je nach Diodentyp einige hundert µW bis über 10 Watt pro Einzelemitter. Der hierzu erforderliche Strom beträgt ca. 0,1...12 Ampere pro Emitter, die Spannung beträgt bei Infrarot-Laserdioden 1,8...2,2 V.
Die Modulationsfrequenzen können 10GHz betragen.

Größere Leistungen lassen sich im gepulsten Betrieb (sog. q-cw-Betrieb) erreichen.

Laserdioden können sowohl im Multi-Mode-Betrieb (Laserlicht mehrerer verschiedener Schwingungsmodi 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 (DFB – distributed feedback oder DBR – distributed Bragg reflector) oder durch einen zusätzlichen externen Resonator erreicht werden. Die Frequenz des von der Laserdiode emittierten Lichts ist abhängig von der Temperatur, dem Pump-Strom 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 der Brechzahl im Halbleitermaterial auf, da diese stark von der Ladungsträgerdichte abhängig ist. Die Änderung der Brechzahl entspricht einer Variation der optischen Länge des Resonators bei gleich bleibender geometrischen Länge des Resonators. Somit verändern sich die Wellenlängen, deren ganzzahlige Vielfache der geometrischen Resonatorlänge entspricht. Der Laser verändert somit seine Emissionswellenlänge oder geht aus.

Die Bruchfläche (Facette) ist äußerst empfindlich gegenüber Verschmutzung, da im Bereich des Strahlungs-Austritts aus der schmalen aktiven Zone sehr hohe Strahlungsflussdichten herrschen. Zu hohe Stromimpulse können dort sogar ohne Verschmutzung zu optisch induzierten, thermischen Zerstörungen der Facette führen. Dieser Zerstörmechanismus wird als COD (catastrophic optical damage) bezeichnet.
Laserdioden vertragen nur geringe Sperrspannungen (3...5 V). Daher sind sie empfindlich gegenüber elektrostatischen Entladungen und werden zum Transport üblicherweise kurzgeschlossen. Beim Einbau sollten Schutzmaßnahmen getroffen werden, die elektrische Spannungen zwischen den Anschlüssen verhindern.

Vor- und Nachteile

Laserdioden sind sehr klein und erfordern nur wenig Aufwand zum Betrieb.
Eine nützliche Eigenschaft von Laserdioden ist ihre hohe Modulationsbandbreite. Durch Modulation des elektrischen Stromes, der durch die Diode fließt, erreicht man eine dazu nahezu lineare Änderung der Ausgangsleistung. Bedingt durch die hohe Bandbreite und die kurze Resonatorlänge sind Modulationen bis in den Gigahertz-Bereich möglich.
Diodenlaser sind die effizientesten Strahlungsquellen im nahen Infrarotbereich und haben Wirkungsgrade bis über 50%.

Nachteilig ist der stark divergente, nicht kreissymmetrische Strahl von ca. 12...15° (slow axis, horizontal) bzw. ca. 35...40° (fast axis, vertikal), weshalb fast immer eine Kollimation mit mikrooptischen Zylinderlinsen erfolgt.
Diodenlaser sind empfindlich gegenüber Rückreflexionen.

Anwendungen

Laserdioden finden vielfältige Anwendung, zum Beispiel

in Laserdruckern
in Laserpointern
in Lichtschranken
zur optischen Vermessung (LIDAR, Laserpistole)
zur optischen Daten-Abtastung, z. B. in Barcodelesegeräten, CD-Spielern und DVD-Geräten
zur optischen Datenübertragung im Freien oder über Glasfaserkabel
im wissenschaftlichen Bereich, insbesondere in der Spektroskopie (TDLAS), chemischen Analytik, Spurenanalyse und Quantenoptik
als Pumpenergiequelle für andere (nicht Halbleiter-) Laser, meist Festkörperlaser (hier insbesondere der Scheibenlaser und der Faserlaser)
zur direkten Materialbearbeitung (Laserschweißen, Umschmelzen, Härten) mit Hochleistungs-Diodenlasern (Leistungen bis in den Kilowattbereich)
zur Bebilderung (Belichtung) von Druckformen
in der Zahnmedizin (Abtöten von Bakterien und Viren in der Parodontologie und Endodontie; Herpesbehandlung; Behandlung von Aphthen ;kleine chirurgische Eingriffe)

Siehe auch

Diodenlaser

Weblinks

Britney's Guide to Semiconductor Physics (englisch)

Halbleiterbauelement | Laser | Festkörperphysik