Laserdiode

Bild einer Laserdiode, wie sie in CD-Laufwerken verwendet wird, neben einer US-amerikanischen 1-Cent-Münze

Eine Laserdiode (auch Halbleiterlaser) 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, wobei heute ein Spektrum von infrarot bis ultraviolett abgedeckt wird.

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 Strom. 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 (VCSEL) haben geringere Leistungen, jedoch eine bessere Strahlqualität.

Elektrische Ansteuerung

Interne Beschaltung einer mit Photodiode kombinierten Laserdiode

Laserdioden werden häufig mit einer Photodiode zusammen in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.^[1]

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 bis 5 V. Weiterhin 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.

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 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 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 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 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 bis 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 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.

Anwendungen

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.^[2]
• 531 nm – Basierend auf dem Halbleitermaterial Indiumgalliumnitrid. Noch im Laborstadium.
• 635 nm – Qualitativ gute rote Laserpointer. Anwendung auch zur optischen Vermessung bei LIDAR.
• 650 nm – DVD-Laufwerke, Laserpointer
• 670 nm – Minderwertige und kostengünstige rote Laserpointer. Einsatz auch bei Barcodelesegeräten.
• 760 nm – Gasspektroskopie: Sauerstoff.
• 780 nm – Compact Disc-Laufwerke, Laserdrucker, Lichtschranken.
• 808 nm – Pumplaser (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 ^[3]
• 1654 nm – Gasspektroskopie: Methan.
• 1877 nm – Gasspektroskopie: Wasserdampf.
• 2004 nm – Gasspektroskopie: Kohlendioxid.
• 2330 nm – Gasspektroskopie: Kohlenmonoxid.
• 2680 nm – Gasspektroskopie Kohlendioxid.

Weitere allgemeine Anwendungsgebiete sind:

• im wissenschaftlichen Bereich, insbesondere in der Spektroskopie (TDLAS), chemischen Analytik, Spurenanalyse und Quantenoptik
• zur Belichtung in der Drucktechnik

Geschichte

Die Idee, eine Halbleiterdiode als Laser zu nutzen, wurde nach dem Erscheinen der ersten Laser 1960 und auch schon vorher^[4] 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).^[5] 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 Zhores Alferov und Rudy Kazarinov in der Sowjetunion (Joffe-Institut) 1963 die Verwendung dünner Schichten in Sandwich-Anordnung (Heterostrukturen) vorschlugen (Alferov und Kroemer erhielten dafür den Nobelpreis). 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 (Alferov) kontinuierliche Halbleiterlaser bei Zimmertemperatur zum Laufen, wobei das Joffe-Institut etwas früher ans Ziel kam.

Siehe auch

• Diodenlaser

Weblinks

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

• Facharbeit über Halbleiterlaser (=Laserdioden) mit einfach verständlicher Beschreibung der Funktionsweise.
• Sam's Laser Diode FAQ (engl.)
• Application notes, technical notes, and white papers (engl.)

Einzelnachweise

1. ↑ Datenblätter verschiedener Laserdioden von Sony (engl.).
2. ↑ Laborerfolg: Direkt emittierender grüner InGaN-Laser mit 50mW. Osram, 13. August 2009 (Pressemeldung).
3. ↑ Laser Diode Wavelengths (engl.)
4. ↑ 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.
5. ↑ Russell Dupuis The Diode Laser – the first 30 days 40 years ago, Optics and Photonics News, Bd.15, 2004, S. 30, Online, Nature Milestones 15: Semiconductor Laser