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Laserdiode

 

[leɪzə-], Abkürzung LD, auch Diodenlaser, stromgepumpter Halbleiterlaser. Laserdioden enthalten einen in Flussrichtung gepolten p-n-Übergang als aktives Medium. Die Besetzungsinversion wird durch einen genügend großen Strom erzeugt, durch den von der n-Seite des Übergangs Löcher, von der p-Seite Elektronen zum p-n-Übergang transportiert werden. Die optische Rückkopplung erfolgt durch Spiegel oder Bragg-Reflektoren.

 

Bauformen von Laserdioden:

 

Laserdioden werden als Kanten- und als Flächenstrahler hergestellt. Ein Kantenstrahler besteht im Wesentlichen aus einer Folge dünner Schichten mit unterschiedlicher Breite der verbotenen Zone, die zum Teil n-, zum Teil p-dotiert sind (Halbleiterheterostruktur). In der Raumladungszone des p-n-Übergangs befindet sich die dünne ( 1 μm) aktive Schicht mit einer Breite der verbotenen Zone, die kleiner ist als die der beiden angrenzenden Barriereschichten (Doppelheterostruktur). Die Breite der verbotenen Zone der aktiven Schicht bestimmt die Quantenenergie (Farbe) des emittierten Lichts, die Barriereschichten dienen zum Stromtransport, zur Konzentration der Ladungsträger in der aktiven Schicht (»elektrisches Confinement«) und zur Lichtführung entlang der aktiven Schicht (»optisches Confinement«). Zwei gegenüberliegende planparallele Endflächen senkrecht zur Fläche des p-n-Übergangs, die durch Spalten des Kristalls hergestellt werden, dienen als Rückkopplungsspiegel und bilden zusammen mit der lichtführenden Schicht einen Wellenleiterresonator. Hochwertige Laserdioden arbeiten auch mit verteilter Rückkoplung (realisiert durch periodische Dickenänderungen der aktiven Schicht), sie werden DFB-Laser (Abkürzung für englisch distributed feedback laser) genannt.

 

Bei niedrigem Injektionsstrom wirkt eine Laserdiode wie eine Lumineszenzdiode und emittiert infolge spontaner Emission schwache inkohärente Strahlung. Oberhalb eines bestimmten Injektionsstroms, der als Schwellstrom bezeichnet wird, dominiert infolge der optischen Rückkopplung durch den Resonator die induzierte Emission, und die Laserdiode emittiert senkrecht zu den Spiegelflächen intensive kohärente Strahlung.

 

Bei Flächenstrahlern (Vertikallaserdioden, Abkürzung VCSEL, für englisch vertical cavity surface emitting laser) wird der Resonator aus zwei Bragg-Reflektoren gebildet, die parallel zueinander unter und über der aktiven Schicht angebracht sind. Die aktive Schicht mit dem p-n-Übergang hat eine optische Weglänge von einer halben Wellenlänge, so dass sich zwischen den Spiegeln eine stehende Lichtwelle ausbildet. Die Stromzufuhr erfolgt über die beiden Spiegel. Das Material der aktiven Schicht wird häufig von Quantengräben gebildet (die entsprechenden Lasertypen werden Quantenfilmlaser genannt);perspektivisch werden auch Quantenpunkte in beim Wachstum selbstorganisierten Schichtanordnungen genutzt werden.

 

Vorteile von Laserdioden:

 

Laserdioden zeichnen sich durch extrem kleine Abmessungen (Kantenlänge 1 mm), hohe Verstärkung, sehr guten Wirkungsgrad und einfache Modulierbarkeit der Laserstrahlung durch Modulation des Pumpstroms bis in den Frequenzbereich von 20 GHz aus. Außerdem lässt sich ihre Strahlung sehr gut in Lichtwellenleiter einkoppeln.

 

Wirksame Spektralbereiche und Leistungsgrößen:

 

Mit ternären und quaternären III-V-Verbindungen aus den Elementen Al, Ga und In sowie N, P und As wird heute der gesamte sichtbare und nahinfrarote Spektralbereich bis etwa 5 μm überdeckt, die Lichtleistungen liegen im Bereich von 100 mW bis zu mehreren Watt, wobei Wirkungsgrade der Umwandlung von elektrischer Energie in Lichtenergie von über 50 % erreicht werden. Höhere Leistungen bis etwa 50 W werden durch Laserarrays (parallel in einer Ebene strahlende, phasenstarr gekoppelte integrierte Kantenstrahler) erzielt. Durch Stapelung der Arrays erhält man so genannte Laser-Stacks, die bis zu 1 kW Lichtleistung abstrahlen und in einem Laserkopf vereinigt bis zu 6 kW Leistung liefern. Damit eignen sich diese Hochleistungslaserdioden für die Materialbearbeitung, speziell zum Schweißen und Härten.

 

Für den Bereich des mittleren Infrarots (bis etwa 20 μm) sind Laserdioden aus Pb(Se, Te) verfügbar. Neuere Entwicklungen sind Quantenkaskadenlaser, die Übergänge zwischen verschiedenen Subbändern im Leitungsband von Quantengraben-Laserdioden nutzen. Nachdem organische Festkörper als aktive Materialien für Leuchtdioden (OLED, englisch für organic light emitting device) den sichtbaren Spektralbereich von rot bis blau überdecken und optisch gepumpte Polymerlaser aus ähnlichen Materialien hergestellt wurden, gelang es 2000 unter Nutzung des Feldeffekts einen elektrisch gepumpten Halbleiterlaser aus einem wenige Mikrometer dünnen Molekülkristall aus Tetracen herzustellen.

 

Anwendung:

 

Breite Anwendungen finden Laserdioden in der Informations- und Kommunikationstechnologie, z. B. in Leseköpfen und Brennern für CDs, in Laserdruckern und Barcode-Scannern, als Sender für die optische Nachrichtentechnik, in der Vermessungstechnik z. B. in Entfernungsmessern, in der optischen Messtechnik sowie als Pumplaser für Festkörperlaser (z. B. Faserlaser) und Farbstofflaser.

 

Literatur:

 

W. Bludau: Halbleiter-Optoelektronik. Die physikal. Grundlagen der LED's, Diodenlaser und pn-Photodioden (1995);

 M. Haag: Systemtechn. Optimierungen der Strahlqualität von Hochleistungsdiodenlasern (2000);

 A. Oster: Hochleistungs-L. mit InGaAsP-Quantenfilmen für Wellenlängen um 800 nm (2000);

 S. Nakamura u. a.: The blue laser diode. The complete story (Berlin ²2000);

 

High power diode lasers. Fundamentals, technology, applications, hg. v. R. Diehl (Berlin 2000).