Techniklexikon

Diodenlaser

Laserphysik und -technik, Halbleiterlaser, ein Laser, dessen Lasermedium eine Halbleiterdiode (Laserdiode) ist, bei der die Besetzungsinversion durch einen Injektionsstrom, Elektronenstrahlen, elektrische Impulse mit hoher Feldstärke oder durch optisches Pumpen herbeigeführt wird. Als Halbleitermaterialien finden Verbindungen vom Typ A_IIIB_V (GaAs, GaInP, GaAlAs, GaAlSb u.a.) und A_IVB_VI (PbS, PbSSe, PbTe u.a.) Verwendung, sog. III-V-Halbleiter. (Die Indizes III, IV, V und VI kennzeichnen die Hauptgruppe im Periodensystem.) Die Spektralbereiche verschiedener Halbleiterlaser sind in Abb. 1 dargestellt; sie liegen zwischen 500 nm und 32 mm, mit der Möglichkeit, die Wellenlänge durch Temperatur- oder Druckänderung durchzustimmen. Die Strahlungsleistung eines Diodenlasers ist als Folge des kleinen Volumens der aktiven Schicht (0,5 ´ 0,2 ´ 0,1 mm³) relativ gering, sie erreicht 1 W im kontinuierlichen und bis zu 200 W im Pulsbetrieb bei Pulsdauern um 1 ms und Pulsfolgefrequenzen bis zu einigen kHz. Der Wirkungsgrad ist im allgemeinen höher als bei allen anderen Lasertypen; er liegt zwischen 10 und 90 %. Aufgrund der kleinen Querausdehnung des strahlenden Bereichs (10 ^{- 2} bis 10 ^{- 3} mm) ergeben sich grosse Beugungsverluste und ein grosser Divergenzwinkel der Strahlung (bis zu 50°).

Besetzungsinversion kann nur in der aktiven Schicht am pn-Übergang der Halbleiterdiode erreicht werden, und zwar dadurch, dass den Elektronen im Leitungsband der n-Schicht eine bestimmte Zahl von Defektelektronen, also Löchern, im Valenzband der p-Schicht gegenübersteht. Laserstrahlung entsteht dann, wenn Elektronen und Löcher direkt rekombinieren (Abb. 2). Die Rekombination findet unter Aussendung eines Photons statt, dessen Energie ungefähr dem Bandabstand entspricht. Die verschiedenen Typen von Halbleiterlasern unterscheiden sich in der Art, wie die Elektron-Loch-Paare erzeugt werden. Es gibt hauptsächlich drei Methoden: Einstrahlung von Photonen, Beschuss mit Elektronen und Injektion von Minoritätsträgern über den pn-Übergang. Während die ersten beiden Verfahren vor allem von wissenschaftlichem Interesse sind, hat die dritte Methode grosse praktische Bedeutung und soll deshalb näher erläutert werden: An jedem pn-Übergang stellt sich im thermischen Gleichgewicht eine Potentialbarriere ein, die verhindert, dass Elektronen und Löcher zusammenfliessen. Durch Anlegen einer Spannung erhalten die Elektronen eine höhere potentielle Energie, wodurch sie ein kurzes Stück in das p-leitende Material eindringen und dort eine angeregte Zone bilden können. Typische Werte für die Dicke dieser Zone liegen zwischen 1 und 2 mm. Die angeregte Zone ist auch die laseraktive Zone, denn hier finden spontane und induzierte Rekombinationsprozesse statt, die bei geeigneter Rückkopplung zur Selbsterregung führen.

Der Aufbau eines einfachen Diodenlasers ist in Abb. 3 dargestellt. Meist sind beide Enden der Diode verspiegelt, so dass die Diode sowohl Lasermedium als auch -resonator ist und kein externer Resonator mehr benötigt wird.

Der erste Diodenlaser wurde 1962 entwickelt. Er konnte nur gepulst betrieben werden, und lange Zeit blieb die Diodenlaseremission auf den infraroten Bereich des Spektrums beschränkt und liess sich nur bei Temperaturen weit unter 0 °C erreichen. Vor allem durch die Entwicklung neuer Halbleitermaterialien ist es inzwischen möglich, Diodenlaser auch ohne Kühlung und im sichtbaren Spektrum zu betreiben. Um den Schwellstrom, unter welchem keine Besetzungsinversion und daher keine Laseremission möglich ist, zu reduzieren, wurde eine Reihe verschiedener Lasertypen, wie z.B. Doppel-Heterostruktur-, indexgeführte und Quantum-Well-Diodenlaser, entwickelt. Diese unterscheiden sich hauptsächlich in Anordnung und Kombination der verschiedenen Halbleitermaterialien. Der DFB-Diodenlaser wurde speziell entwickelt, um eine bessere Modenselektion zu erreichen.

Anwendung findet der Diodenlaser insbesondere in der optischen Nachrichtenübertragung, der integrierten Optik, der Messtechnik und Sensorik wie auch als Pumplaser. Wegen der relativ geringen Anschaffungs- und Betriebskosten findet der Diodenlaser zusätzlich zunehmend Anwendung im technischen Bereich, z.B. in CD-Playern, in Laserkopierern und Laserdruckern sowie in der Medizin. Eines der wichtigsten Ziele der industriellen Forschung ist die Herstellung von Laserdioden, die im blauen Bereich des Spektrums emittieren, da durch die kleinere Wellenlänge eine viermal grössere Speicherdichte auf einer CD erreicht werden kann. [PVDH]

Diodenlaser 1: Übersichtsdarstellung der Spektralbereiche verschiedener Halbleiterlaser.

Diodenlaser 2: Laserniveauschema eines Diodenlasers mit vier Niveaus: Aus dem Valenzband angeregte Elektronen (1) fallen in die niedrigsten unbesetzten Zustände des Leitungsbandes (2), wonach die Rekombination aus dem Leitungs- in das Valenzband geschieht und ein Photon mit der Energie hn (h: Plancksche Konstante, n: Frequenz) emittiert wird. Die Elektronen gehen zuletzt in die niedrigsten unbesetzten Zustände des Valenzbandes über (4).

Diodenlaser 3: Aufbau eines einfachen Diodenlasers.