Laserdiode
Die Emission von Licht entsteht durch Rekombinations-Prozesse von Elektronen und Löchern am Übergang zwischen p- und n-dotiertem Bereich. Die Endflächen des Bauelements sind teilreflektierend, sie bilden daher einen optischen Resonator, in dem sich eine stehende Lichtwelle ausbilden kann. Bei Vorliegen einer Besetzungsinversion kann die induzierte Emission der dominierende Strahlungsprozess werden, die Laserdiode emittiert dann Laserlicht.
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 bezeichnet.
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 oder durch einen zusätzlichen externen Resonator erreicht werden. Die Frequenz des von der Laserdiode emittierten Lichts ist abhängig von der Temperatur, dem Pump-Strom 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. Die emittierte Lichtleistung kann je nach Diodentyp zwischen einigen hundert µW bis in den kW-Bereich variieren.
Eine nützliche Eigenschaft von Laserdioden ist ihre hohe Modulationsbandbreite. Durch Modulation des elektrischen Stromes, der durch die Diode fließt, erreicht man eine periodische Änderung der Brechzahl im Halbleitermaterial, da diese stark von der Ladungsträgerdichte abhängig ist. Die Änderung der Brechzahl entspricht einer Variation der optischen Länge des Resonators bei gleichbleibender geometrischen Länge des Resonators. Somit verändern sich die Wellenlängen, deren ganzzahlige Vielfache der geometrischen Resonatorlänge enspricht. Der Laser verändert somit seine Emissionswellenlänge oder geht aus. Bedingt durch die hohe Bandbreite sind Modulationen bis in den Gigahertz-Bereich möglich.
Laserdioden finden vielfältige Anwendung, zum Beispiel
- in Laser-Pointern
- in Lichtschranken
- zur optischen Vermessung
- zur optischen Daten-Abtastung, z.B. in Barcode-Scannern, CD-Spielern, und DVD-Geräten.
- zur optischen Datenübertragung über Glasfaserkabel
- im wissenschaftlichen Bereich, insbesondere in der Spektroskopie, chemischen Analytik, Spurenanalyse und Quantenoptik
- als Pumpenergiequelle für andere (nicht Halbleiter-) Laser, insbesondere Festkörperlaser
