Daher wurde Laserlicht aus Halbleitern das erste mal schon 1962, kurz
vor dem ersten Farbstofflaser4.2 erzeugt. Damals gelang aber nur ein gepulster4.3Betrieb bei einer Temperatur von und einer Lebensdauer von
wenigen Minuten.
Durch die rasanten Fortschritte in der Halbleitertechnik haben auch die Halbleiterlaser stark an Bedeutung gewonnen, und heutzutage ist ein cw-Betrieb4.4 mit einer Lebensdauer von mehreren tausend Stunden möglich.
In den 80er-Jahren wurde die CD in den Massenmarkt eingeführt; dadurch stieg die Nachfrage nach kleinen, schwachen und langlebigen Lasern und die Halbleiterlaser kamen aus den Labors auf den Massenmarkt.
Seither konzentriert sich die Entwicklung auf stärkere Laser, andere Wellenlängen und eine größere Zuverlässigkeit und Lebensdauer. [11]
Ein Gehäuse von kann ohne weiteres einen
single-mode4.5-Halbleiterlaser beherbergen. [11]
Energieschema einer GaAlP-Laserdiode; Skizze nach [4] Die aktive Zone
ist zwischen einer p- und einer n-dotierten4.6-Schicht eingeschlossen. Legt man nun an diesen
Schichten eine Spannung in der Größenordnung der
Bandlücke4.7 (Bandabstand) in Durchlassrichtung an, so
fliesst ein Injektionsstrom, und in den dotierten Schichten werden
Elektronen bzw. Löcher erzeugt. Diese rekombinieren in der aktiven
Zone (Rekombinationszone) unter der Aussendung von Photonen.
Oberhalb eines Schwellenstroms (siehe Meßergebnis, Abbildung
5.5, Seite ) setzt stimulierte
Emission ein und die Laserintensität steigt abrupt stark an. [5]
Der Bandabstand der passiven Zonen muss größer sein, als die Ferminiveaus4.8 der aktiven Zone, sonst können keine Elektronen bzw. Löcher in diese injiziert werden.
Die Photonenenergie entspricht in etwa dem Bandabstand des verwendeten
Halbleitermaterials. Für eine Wellenlänge von
wird ein Bandabstand von ca.
benötigt. [4]
Eine Übersicht über die Bandabstände findet sich in Abbildung
4.3, Seite
.
Die Endflächen der aktiven Schicht werden meist verspiegelt, so dass
die aktive Zone selbst der Laserresonator ist. Für bestimmte
Anwendungen will man natürlich auch einen externen Resonator (z.B. ein
Gitter) verwenden, dann wird eine Endfläche entspiegelt.
Die Reflektivität von z.B. GaAs liegt bei , so dass eine
Verspiegelung meist nicht notwendig ist.
Aufbau einer grünen II-VI-Laserdiode [21]
Der genaue Aufbau (in Abbildung 4.2 ist eine grüne
II-VI4.9-Laserdiode dargestellt) ist natürlich komplexer als
hier dargestellt, doch haben die meisten Schichten keinen unmittelbaren
Einfluß auf die Laseremission; sie sind nur notwendig um den Laser
ausreichend mit Energie zu versorgen, zu kühlen, die Handhabung und
Herstellung zu vereinfachen.
Der Laserstrahl wird aus der dünnen
Schicht in der Mitte (durch den Pfeil gekennzeichnet) emittiert.
Eine Laserdiode hat sehr hohe Verstärkungswerte von einigen
in einem Frequenzbereich von einigen
.
Wegen diesem breiten Profil können mehrere
Laserresonatormoden4.10 gleichzeitig anschwingen, da
deren Abstand im Nanonmeterbereich liegt. [5]
Rote Laserdioden haben typischerweise ein Verstärkungsprofil von und einen Modenabstand von
.
Durchstimmbarkeit bezeichnet die Möglichkeit, den Laser auf jede
gewünschte Frequenz einzustellen (siehe Anhang A.2.4,
Seite ).
Die Wellenlänge einer Laserdiode wird von der
Bandlücke4.11 der aktiven Zone, der Temperatur und der
Stromdichte bestimmt:
Die Frequenz variiert mit der Temperatur, da sich sowohl die
Resonatorlänge als auch das Verstärkungsprofil verändert. Diese
Temperaturabhängigkeiten sind jedoch gegenläufig; dadurch kann nicht
jede Frequenz innerhalb des durch die Bandlücke vorgegebenen Bereichs
erreicht werden, sondern es treten Modensprünge4.12 auf.
Mit der Abhängigkeit der Wellenlänge vom Strom sieht es ähnlich aus: Es ändert sich nicht nur die Ladungsträgerdichte, sondern auch gleichzeitig die Temperatur des p-n-Übergangs.
Diese Abhängigkeiten versucht man mit aktiven Regelkreisen zur Strom- und Temperaturstabilisierung zu vermeiden.
Die Verwendung eines externen Resonators bringt zwar einen Verlust bei der Laserleistung mit sich, gleichzeitig wird aber die Resonatorlänge von der Temperatur weitgehend unabhängig.
Damit ein externer Resonator verwendet werden kann, muss die
natürliche Reflektivität der aktiven Schicht durch Entspiegelung
aufgehoben werden. (Dazu wird meist in
-Schichten
aufgedampft, bis die Laserleistung minimal ist, d.h. praktisch keine
Resonanz ohne einen externen Resonator auftritt.)
Die Antireflex-Beschichtung unterliegt jedoch einem natürlichen Verschleiß; dies vermindert die nutzbare Lebensdauer der Laserdiode für physikalische Messungen.
Ist die Restreflektivität der Endfläche zu gross und übersteigt einen kritischen Wert, so wird der Laser instabil und läuf auf mehreren Moden gleichzeitig. Die Laserdiode wirkt dann nicht mehr nur als verstärkendes Medium, sondern bestimmt die Eigenschaften des externen Resonators.
Daher soll die Restreflektivität der Laserdiode möglichst gering sein. Dies wird um so wichtiger, je länger der externe Resonator ist. [5]
Diodenlaser sind eine billige, kostengünstige, energiesparende, einfach zu betreibende und vor allem kleine Alternative zu den herkömmlichen Lasern.
Ihre größten Probleme sind die Anforderungen an Temperatur- und Stromstabilität, die meistens geforderte kontinuierliche Durchstimmbarkeit4.13, die typischen Linienbreiten4.14 von einigen zehn bis einigen hundert MHz sowie die Empfindlichkeit für optische Rückkopplung.
Ihr Frequenzspektrum ist relativ stark eingeschränkt: Sie benötigen eine Bandlücke, die etwa der gewünschten Frequenz entspricht. Abbildung 4.3 zeigt eine Übersicht mit den wichtigsten Materialien für Halbleiterlaser und der entsprechenden Bandlücke.
Blaugrüner Halbleiterlaser an der Universität Würzburg
[19]
Daher konzentriert sich die Entwicklung jetzt auf die kurzwelligeren
Laserdioden. Das menschliche Auge ist im grünen Spektralbereich
empfindlicher als im roten, ein grüner Laser muss also, um gleich hell
zu wirken, nur eine geringere Leistung erbringen. Mit der kürzeren
Wellenlänge wird aber auch der Strahl präziser. Mit einem blauen
Laser kann man also die Speicherkapazität von (DVD)-CD-ROMs
[27] und Hologrammen deutlich erhöhen. Sony [23]
hat bereits im Januar 1996 einen grünen Halbleiterlaser im
cw-Betrieb4.15 für 100 Stunden
bei Zimmertemperatur, Nichia Chemical Industries hat im September 1997
[24] einen blauen Halbleiterlaser schon 300 Stunden bei
Zimmertemperatur betrieben. Ebenfalls 1997 gelang es Sony, grüne
ZnSe-Laserdioden etwa 400 Stunden zu betreiben, Nichia erreichte bei
ultravioletten GaN-Laserdioden über 3000 Stunden, beides bei
cw-Betrieb und Raumtemperatur.
1998 berichtet Nichia von über 5000 Stunden cw-Betrieb bei ca. 400 nm (GaN) während Sony etwa 500 Stunden im Grünen (ZnSe) erreicht.
Das Ziel ist momentan, blaugrüne Halbleiterlaser mit einer Lebensdauer
von 100.000 Stunden herzustellen, die dann von der Industrie gut
verwendet werden können. Gleichzeitig wollen sie die Leistung
natürlich auch deutlich steigern. Während die Leistung von Nichia bei
dem 300 Stunden-Rekord noch war, soll dieser Laser schon bis zu
im Labor erbringen. Kommerziell erhältlich sind bereits Module
(mehrere Halbleiterlaser, die von einem ,,Master`` auf eine gemeinsame
Frequenz gezwungen werden) mit über
bei
(Infrarot). [35]
Im Laufe des Jahres 1999 sollen blaugrüne und ultraviolette Laserdioden dann kommerziell auf den Markt kommen. [16]
Laserdioden bei und
mit einigen hundert
finden in der Nachrichtentechnik Anwendung. Letzterer ist ein
Wellenlängenbereich bei dem Glasfaserkabel besonders dämpfungsarm
sind. [5]
Zudem lassen sich Laserdioden sehr gut modulieren4.16; man kann also auf dem Laserstrahl Daten in hohem Tempo zu übertragen.
Leistungsstarke Laserdioden sind nun auch im sichtbaren (roten) Bereich
von erhältlich. Mit den gerade in Entwicklung befindlichen
Laserdioden im grünen und blauen Bereich [15,16,17] wäre z.B. ein ,,Lasermonitor`` oder -fernseher denkbar, wo
mittels drei farbiger Laser (oder eines dreifarbigen) das Bild auf die
Wand projeziert wird (in der Telekommunikation, z.B. für
Terrabit-Router, werden schon Halbleiterlaser entwickelt, die auf
mehreren Frequenzen senden).
Besonders bei den neuen DVD-CD-ROMs werden Halbleiterlaser
verwendet [26]:
Ihre Stärken, der geringe Energie- und Platzverbrauch, kommen dabei
voll zum Tragen, während ihre Nachteile (fehlende Frequenzstabilität,
Durchstimmbarkeit und Leistung) hier unwichtig sind.
Abstandsmessung und Temporegulierung durch Laser [17]
Auch in der Automobil-Elektronik werden Halbleiterlaser bereits
eingesetzt: Eine Geschwindigkeits- und Abstandssteuerung für das Auto
(insbesondere auf Autobahnen) kann das Unfallrisiko deutlich
verringern. [17]
In der Lasermedizin sind Halbleiterlaser praktisch um z.B.
Korrekturen an der Netzhaut des Auges durchzuführen - hier werden
Laser mit weniger als benötigt - ab da kann das Auge
ernsthaft geschädigt werden, wie es bei zu starken Laserpointern
möglich ist:
Fehlerhafte Laserdioden werden dabei gerne eingesetzt:
Leichte Fehler im Strahlenbild werden durch die Linse ausgeglichen, und
der erzeugte Lichtpunkt muss ja keine besonderen Eigenschaften
aufweisen - nicht einmal rund muss er sein, lediglich gut sichtbar und
klein. Laserpointer sind also eine sinnvolle Art, Ausschuß-Produktion
ebenfalls zu verwenden.
Leider sind viele Laserpointer in der Leistung stärker, als sie deklariert sind (oder sie tragen nur die amerikanische Deklaration ,,IIIA``, was meist dem deutschen Standard ,,3B`` entspricht, bei dem Schutzbrillen getragen werden müssen!) und können daher das Auge schädigen! [14]