P 153: Laserdiode ist im Alltag nicht mehr wegzudenken...
28. Die Laserdiode
Wir haben schon den Rubinlaser und den He-Ne-Gaslaser kennengelernt.
Es gibt noch:
Golddampflaser
Argonionenlaser
Excimerlaser
Stickstofflaser
Kohlendioxid-Laser
Kohlenmonoxid-Laser
Farbstofflaser
Neodymlaser
abstimmbare Festkörperlaser
Frabzentrenlaser
chemische Laser
Freie-Elektronen-Laser
usw...usw...
Aber einen Typ wollen wir noch kurz kennenlernen: die Laserdiode
28.1. Geschichte und Vorteil
Schon 1962 entdeckte man, dass auch Halbleiter (HL) Lasereffekte erzeugen können, d.h. ankommende Strahlung verstärken können. 1970 wurde erstmal ein kontinuierlicher Betrieb eines Halbleiterlasers bei Zimmertemperatur erreicht.
Hinzu kommt eine sehr lange Lebensadaer von über 30 000 Betriebsstunden, das sind etwa 3,5 Jahre Non-Stop-Betrieb.
Wir nutzen sie in allen CD- und DVD-Geräten und Laserpointern und....
28.2 Funktionsweise
Es gibt sehr viele unterschiedliche Arten von Halbleiter-Lasern, die man aber nur richtig mit dem Bändermodell verstehen kann.
Wir haben Halbleiter (HL) nur klassisch in der Q1 behandelt: p- HL, die durch Dotieren freie positive Ladungen (Löcher) und feste negative Ladungen (Ionen) besitzen, n-HL mit freien Elektronen und festen positiven Ladungen (keine Löcher). Damit konnten wir die Halbleiter-Diode und den Transistor als Schalter und Verstärker verstehen.
Wesentlich war immer die Grenzschicht zwischen p-HL und n-HL, an der sich durch die festen Ladungen eine Spannung aufbaut. Und genau diese Spannung legt die Energie des Laserübergangs fest:
h*f = e*U. Elektronen und Löcher verbinden sich, erzeugen Strahlung, die sich im Resonator aufschaukelt und verstärkt. Der Strom sorgt für eine ständige Bereitstellung von Ladungen.
Durch Anschleifen der Halbleiter erzeugte man die spiegelnden Flächen für den Resonator.
Die Energie der Elektronen und Löcher in einem HL ist gequantelt, die Energieniveaus liegen aber sehr dicht beieinander, sie bilden sog. Bänder. Zwischen solchen Energiebändern bildet sich eine Besetzungsinversion aus, die zum Lasereffekt führt.
Der Aufbau einer Laserdiode enthält neben Kühlkörpern (heat sink) auch eine Photodiode, die die Leistung messen kann und somit ein Steuern des Lasers ermöglicht. Der eigentliche Laser ist sehr klein (LD chip).
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| Optoelectonics |
In das nächste Bild habe ich die Lage der Resonatorspiegelschichten eingezeichnet.
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| Florida State University |
Mehr wollen wir hier nicht eintauchen.
28.3 Der grüne Laserpointer
Viele kennen grüne Laserpointer. Das sind High-Tech-Geräte vom Feinsten:
Da ist eine Laserdiode drin, die einen Laserstrahl im IR bei 1064 nm erzeugt. Bestimmte Kristalle (die oft auch Doppelbrechung zeigen) oder auch dünne Polymerschichten nutzen nichtlineare Effekte aus und machen aus einem Photon von 1064 nm ein Photon von 532 nm. Das nennt man Frequenzverdopplung.
Und raus kommt ein grüner Laserstrahl....
Ein grüner Laserpointer muss durch nichtlineare Optik und Quantenmechanik erklärt werden.
Da spielen Oberschwingungen eine Rolle.
Übrigens, kennt ihr solch einen nichtlinearen Effekt: Bewegt eine schlecht geölte Tür langsam hin- und her...macht ihr das kräftig genug (>>> nichtlinear), so fängt die Tür an bei hohen Frequenzen zu knarren und zu quietschen.
Also: Ein grüner Laserpointer enthält eine quietschende Tür für Photonen...
Verbotene 1 W kosten 48,95.-€....
Bei der Frequenzverdopplung spielen Oberschwingungen eine Rolle.
Übrigens, kennt ihr solch einen nichtlinearen Effekt: Bewegt eine schlecht geölte Tür langsam hin- und her...macht ihr das kräftig genug (>>> nichtlinear), so fängt die Tür an bei hohen Frequenzen zu knarren und zu quietschen.
Haltet euch zum Schluss die Ohren zu....
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