Halbleiterlaser

Computergeneriertes Bild einer Laserdiode im Gehäuse, wie sie in CD-Spielern verwendet wird

Eine Laserdiode ist ein mit der Leuchtdiode (LED) verwandtes Halbleiter-Bauteil, das jedoch Laserstrahlung erzeugt. Dazu wird ein p-n-Übergang mit starker Dotierung bei hohen Stromdichten betrieben. Die Wahl des Halbleitermaterials bestimmt dabei die emittierte Wellenlänge. Sie liegt typischerweise im nahen Infrarot und rot, es werden jedoch auch blaue und ultraviolett strahlende Laserdioden hergestellt.

Funktion

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 I_th (von engl. threshold) 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. Bei infraroten Wellenlängen wird bis über 50 % der elektrischen Energie in Laserstrahlung umgewandelt. Der Rest erwärmt den Kristall. Wie alle technischen Halbleiter wird auch eine Laserdiode durch zu hohe Temperaturen zerstört. Deshalb werden Laserdioden zur Kühlung auf eine Metalloberfläche gelötet, die die Wärme abführt.

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 befindliche Dioden wird als Barren (engl. 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 über 80 A optische Leistungen bis über 100 Watt im nahen Infrarot.

Aus mehreren solcher Barren zusammengesetzte sogenannte Stacks (Stapel) und daraus gefertigte Diodenlaser erreichen Leistungen bis in den Kilowatt-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 bis 2 mm lang und 0,5 bis 1 mm breit, wobei die aktive Zone weniger als 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 bis 12 A pro Emitter, die Spannung beträgt bei Infrarot-Laserdioden 1,8 bis 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 distributed feedback-Laserdioden (DFB) oder distributed Bragg reflector-Laser (DBR), oder durch einen zusätzlichen externen Resonator (External Cavity Diode Laser) 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 die hohe Brechzahl 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 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 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.

Trotz der kurzen Resonatorlänge, die einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der emittierten Wellenlänge entsprechen muss ($L = n \cdot \lambda/2$), bleibt dabei die Laserbedingung immer erfüllt, da die Verstärkungsbandbreite vergleichsweise sehr groß ist. Es schwingen (außer bei DFB-Lasern) immer mehrere longitudinale Modi bzw. mehrere diskrete Wellenlängen innerhalb des Verstärkungsbandes.

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

Laserdioden vertragen nur geringe Sperrspannungen (3 bis 5 V). Daher sind sie empfindlich gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD) und werden zum Transport üblicherweise kurzgeschlossen. Bei Handhabung und Einbau müssen 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, kann man eine nahezu lineare Änderung der Ausgangsleistung erreichen. 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 bis 15° (slow axis, horizontal) bzw. ca. 35 bis 40° (fast axis, vertikal), weshalb fast immer eine Kollimation mit mikrooptischen Zylinderlinsen erfolgt.

Diodenlaser sind empfindlich gegenüber Rückreflexionen und elektrostatischer Entladung.

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)

Weblinks

• Facharbeit über Halbleiterlaser (=Laserdioden) mit einfach verständlicher Beschreibung der Funktionsweise.