Laserdioden im Physikunterricht


Einleitung

Laserdioden sind heute schon die mit Abstand am häufigsten benutzten Laser. Nach Meinung von Fachleuten sind sie dabei, die Lasertechnik und ihre möglichen Einsatzgebiete genauso zu revolutionieren wie Transistoren die Elektronik. Der Vorteil der Laserdioden vor anderen Lasern liegt in ihrer Kompaktheit, ihren geringen Herstellungskosten, ihrem guten Wirkungsgrad verbunden mit einer einfachen Stromversorgung und ihrer einfachen Modulierbarkeit.

Laser werden eingesetzt, wenn man Licht mit guter Winkelkohärenz oder mit guter Längenkohärenz benötigt. Licht mit guter Winkelkohärenz kann man gut fokussieren (der Brennfleck hat einen Durchmesser in der Größenordnung der Wellenlänge) und gut kollimieren. Licht mit guter Längenkohärenz kann man für interferometrische Anwendungen benutzen.

Haupteinsatzgebiete von Laserdioden sind zur Zeit:

  1. CD, Laserdrucker, Kassenscanner, Bestandteil von Peilgeräten (Dabei wird die Winkelkohärenz ausgenutzt)
  2. Bestandteil von Interferometern (Ausnutzung der Längenkohärenz)
  3. Nachrichtenübertragung (Ausnutzung von Winkel- und Längenkohärenz und leichter Modulierbarkeit)
  4. Optisches Pumpen von anderen Lasern (Nd YAG). (Ausnutzung der geringen Bandbreite des Laserlichts und des hohen Wirkungsgrades)
Bild 1: Schema eines diodengepumpten Festkörperlasers. Diese Laser haben Gaslaser aus vielen Anwendungen verdrängt, weil sie bei gleicher Ausgangsleistung nur einen Bruchteil der Eingangsleistung benötigen.

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Aufbau von Laserdioden

Bei den folgenden Erklärungen werden Grundkenntnisse über das Bändermodell von Halbleitern und über das Laserprinzip vorausgesetzt.
Ein Laser benötigt als Voraussetzung für sein Funktionieren eine Besetzungszahlinversion und einen optischen Resonator.

Bild2: Schnittzeichnung einer in ein Standardgehäuse eingebauten Laserdiode.Das Gehäuse ähnelt dem eines Transistors, besitzt aber an der Oberseite ein kleines Glasfenster. In dasselbe Gehäuse ist im allgemeinen noch eine Photodiode eingebaut, die als Monitordiode bezeichnet wird. Mit Hilfe der Monitordiode kann die Emission der Laserdiode gemessen und mit einer entsprechenden Schaltung in ihrer Intensität geregelt werden.

Eine Laserdiode ist ein winziges Gebilde von der Größe eines Salzkorns, das üblicherweise in ein Gehäuse eingebaut ist. Bild 3 zeigt den eigentlichen Diodenchip in starker Vergrößerung. Die interne Struktur des Chips ist sehr kompliziert. Er besteht aus vielen unterschiedlichen Halbleiterschichten, deren Zusammensetzung genau aufeinander abgestimmt sein muß.

Bild3: Der Aufbau eines Laserdiodenchips. Die komplizierte Schichtstruktur wird im weiteren noch erklärt. Die aktive Schicht, in der das Laserlicht entsteht, hat eine Dicke von weniger als 1 um. Wegen dieser geringen Abmessungen wird das Licht beim Verlassen der aktiven Schicht stark gebeugt und verläßt die Diode in einem divergenten Kegel von elliptischem Querschnitt.

Die Besetzungszahlinversion der Laserdiode ergibt sich aus der in Durchlaßrichtung betriebenen Diodenstruktur . Bei einer Elektronen-Loch Rekombination wird dabei die freiwerdende Energie in ein Photon umgesetzt. Sind genügend Elektron-Lochpaare vorhanden, dann ergibt sich die für einen Laser typische stimulierte Emission. Für die Laseraktivität ist ausschlaggebend, daß die Übergangszone der Diode als optischer Resonator ausgebildet ist. Das ist schematisch in Bild 4 dargestellt.

Direkte und indirekte Übergänge.

Nicht jedes Halbleitermaterial eignet sich für die Lichterzeugung und damit als Basis einer Laserdiode. In Silizium ist die Elektronen-Loch Rekombination mit der Abgabe von Impuls verbunden, der wesentlich größer als der eines Photons ist. Bei dieser Rekombination entstehen daher keine Photonen sondern Gitterschwingungen, die als Phononen bezeichnet werden. Man nennt einen derartigen Übergang indirekt. Halbleiter aus der IV Gruppe des Periodensystems verhalten sich in dieser Hinsicht alle gleich und eignen sich daher nicht als Basismaterial für Laserdioden.

Ein anderes Verhalten zeigen Halbleitermaterialien, die aus einer Mischung von Materialien der III und V Gruppe des Periodensystems wie z.B. GaAs bestehen. Hier wird bei der Rekombination von Elektronen-Loch Paaren kein Impuls freigegeben. Derartige Übergängen, heißen direkt und dabei kann die freiwerdende Energie in ein Photon umgesetzt werden. Daher werden Laserdioden und auch normale Leuchtdioden aus derartigen Materialien hergestellt.

Bild 4 zeigt schematisch die Übergangszone einer Laserdiode. Man sieht, daß es sich dabei um einen III-V Halbleiter (z.B. Ga As) handelt. Zu beachten ist die Beimischung von Al, die in der aktiven Schicht einen anderen Anteil hat als in den beiden angrenzenden Schichten.

Im Halbleitermaterial der Diode befinden sich die Elektronen im Leitungsband und die Löcher im Valenzband. Bei der Rekombination wird diejenige Energie frei, die beide Bänder voneinander trennt. Für die Frequenz f des emittierten Photons gilt dann:

f = dE/h

wobei dE die Bandlückenenergie ist. Bei GaAs beträgt dE = 1,4 eV. Das entspricht einer Wellenlänge von ca. 890 nm. Ersetzt man das Ga teilweise durch das im Periodensystem in derselben Gruppe darüberliegende Al (s. Bild 4), so wächst die Bandlücke und die Wellenlänge des erzeugten Lichts verringert sich dementsprechend. Bei reinem AlAs beträgt dE = 2,2 eV, was einer Übergangswellenlänge von ca 570 nm entsprechen würde (Allerdings ist dieser Übergang wieder indirekt, so daß es keine gelb emittierenden AlAs Laserdioden gibt).

Durch gezielte Beimischungen unterschiedlicher Materialien kann man so in Halbleitermaterialien in gewissem Umfang die Bandlücken auf gewünschte Werte einstellen (Band-Gap Engineering). Allerdings läßt sich meist der physikalisch vorhandene Spielraum technisch nicht voll ausnützen, weil für viele Mischungsverhältnisse die mechanischen Eigenschaften der Kristallgitter so schlecht werden, daß sie nicht zur Herstellung von Laserdioden geeignet sind.

Einige der gegenwärtig bei komerziell erhältlichen Laserdioden verwendeten Materialien zeigt folgende Zusammenstellung:

In Entwicklung befinden sich Laserdioden für den blauen Bereich auf ZnSe oder GaN Basis. Solche Dioden würden viel höhere Speicherdichten bei CD-ROMs ermöglichen. Bisher ist es jedoch noch nicht gelungen, bei diesen Dioden Lebensdauern zu erreichen , die bei einem komerziellen Einsatz benötigt werden. Eine Dokumentation über blau-grün emittierende Laserdioden ist auf einer Internetseite der Uni. Würzburg zu finden. Zurück zur Übersicht
Die Doppelheterostruktur von Laserdioden

Die ersten Laserdioden (Hall 1962) wurden im Impulsbetrieb und bei Kühlung mit flüssiger Luft betrieben. Für das Einsetzen der Lasertätigkeit sind hohe Stromdichten Voraussetzung, die unweigerlich zu einer hohen thermischen Belastung der Diode führen. Die Entwicklung von kontinuierlich bei Zimmertemperatur arbeitenden Dioden ist einem technologischen Trick zu verdanken, der unter dem Namen Doppelheterostruktur bekannt ist.

Bild 5: Bandniveaus der Doppelheterostruktur

Normalerweise ist eine Diode aus zwei Schichten aufgebaut, von denen eine aus n- und die andere aus p-dotiertem Material besteht. Bei einer Laserdiode schließen die n- und die p-dotierte Schicht eine dritte Schicht ein, die zwar auch (p-) dotiert ist, sich von den beiden Hüllschichten aber durch eine kleinere Bandlücke unterscheidet. Bei GaAlAs Laserdioden erreicht man das durch eine etwas geringere Beimischung von Al in der Mittelschicht (z.B. 0,3 gegenüber 0,4 in den Hüllschichten).

Die Verengung der Bandlücke wirkt sowohl auf die in die Schicht injizierten Elektronen als auch auf die Löcher als Potentialbarriere (Bild 5). Nur in der mittleren Schicht befinden sich daher sowohl Elektronen als auch Löcher, und nur dort kann daher durch Rekombination von Elektronen-Loch Paaren Laserlicht entstehen. Man nennt diesen Einschluß der Ladungträger "electrical confinement". Der Stromfluß wird so viel besser zur Lichterzeugung ausgenützt - ohne confinement würde sich die Rekombination über einen viel größeren Bereich erstrecken. Anders ausgedrückt: Laseraktivität setzt schon bei viel geringeren Stromdichten ein als in Systemen ohne Doppelheterotruktur.

Die Verringerung der Al Beimischung in der aktiven Schicht hat zusätzlich zur Folge, daß der Brechungsindex hier etwas größer ist als in den Hüllschichten. Die aktive Schicht wirkt daher wie ein Lichtleiter (Bild 6). Der Lichteinschluß in die aktive Schicht heißt "optical confinement" und unterstützt seine Wirkung als optischer Resonator des Lasers. Als Resonatorspiegel dienen die Grenzflächen der aktiven Schicht zur umgebenden Luft.

Bild6: Profile der Diodenstruktur. Hier sind jeweils die aktive Schicht und die beiden Hüllschichten erfaßt.

Bei vielen Bautypen sind diese Endflächen noch nicht einmal verspiegelt. Dieser Aufbau bewirkt, daß das Laserlicht senkrecht zur Richtung des Diodenstroms abgestrahlt wird (siehe Bild 3). Um eine definierte Modenstruktur zu gewährleisten, wird durch Blockieren des Stroms der Bereich der Lichterzeugung auch in Schichtrichtung eingeschränkt. Die geringen Abmessungen des lichterzeugenden Bereichs bewirken eine starke Beugung des emittierten Laserlichts. Im Gegensatz zu anderen Lasertypen strahlen Laserdioden ihr Licht in einem stark divergenten Bündel ab. Zurück zur Übersicht


Schulversuche mit Laserdioden. Stromversorgung

Es sollen jetzt einige in der Schule durchführbare Experimente mit Laserdioden beschrieben werden. Zunächst geht es um den Einsatz von Laserdioden bei interferometrischen Versuchen, dann um ein Experiment zur Nachrichtenübertragung. Dabei soll, soweit es geht, auf Elektronik verzichtet werden, die nicht ohnehin Bestandteil der übliche Physiksammlungen ist.

Eine einfache Treiberschaltung.
Laserdioden werden mit Spannungen von wenigen V und Stromstärken von einigen 10 mA betrieben (typische Werte liegen bei 50 mA). Ein Problem stellen Überlastungen dar, die selbst bei Spannungsspitzen in der Dauer von Mikrosekunden zu irreversiblen Beschädigungen der Laserdioden führen können. Bei der Stromversorgung muß daher darauf geachtet werden, daß solche Spannungsspitzen nicht auftreten können. Am sichersten ist es, den Diodenstrom nicht mit einem Netzgerät, sondern mit Batterien zu erzeugen. Bei den hier beschriebenen Versuchen wurde mit einem von der Fa. Hitachi vorgeschlagenen provisorischen Schaltkreis gearbeitet, der aus einigen Widerständen, Kondensatoren und Kontrollinstrumenten besteht.

Bild7: Einfache Treiberschaltung für Laserdioden

Die Stromversorgung übernimmt ein 6V Batterieblock, der mit einem veränderlichen 100 Ohm Widerstand in Reihe geschaltet ist. Zur Schonung der Batterien ist der Parallelwiderstand R1 von 100 Ohm, die in der Hitachi Schaltung angegeben waren, auf ca. 500 Ohm heraufgesetzt. Wahrscheinlich könnte man ihn auch ganz weglassen. Zur Vermeidung zu hoher Temperaturen beim Einlöten und beim Betrieb ist die Laserdiode in einer Transistorfassung gehaltert und mit einem passenden Kühlstern versehen.

Nach dem Schließen des Schalters wird der veränderliche Widerstand solange verkleinert, bis der Monitorstrom das Einsetzen der Laseraktivität anzeigt. Die in diesem Moment durch die Laserdiode fließende Schwellenstromstärke beträgt typischerweise 40-50 mA. Die in den jeweiligen Datenblättern angegebene Betriebsstromstärke (ca. 50-60 mA) sollte keinesfalls überschritten werden.

So sieht die Schaltung auf einer kleinen Platine (made by U.Ihlefeldt aus Wuppertal) aus. Die Laserdiode ist mit einem Kühlstern versehen. Darunter befindet sich der Übertrager. Die Stifte sind Anschlüsse für die Stromversorgung, die Meßgeräte und die NF Modulation.

Mit Hilfe dieser Schaltung kann die Laserleistung auf einfache Weise variiert werden. Natürlich arbeitet man ohne Netz und doppelten Boden: Bei Fehlbedienungen kann die Diode zerstört werden. Zurück zur Übersicht


Interferometerversuche

Da die preiswerten, für Interferometerversuche geeigneten Laserdioden Licht der Wellenlänge von 790 nm emittieren und das Auge bei diesen Wellenlängen schon extrem unempfindlich ist, benötigt man für fast alle Experimente mit diesen Dioden infrarotempfindliche Sensoren. Am einfachsten ist es, eine normale Videokamera zu verwenden. Häufig kann man dann sogar auf eine Verdunklung verzichten. Bei Interferometerversuchen muß man darauf achten, ob sie mit single-mode Laserdioden, die eine große Kohärenzlänge besitzen, oder mit multi-mode Dioden, die nur eine kleine Kohärenzlänge besitzen, durchgeführt werden.

Ein Versuch mit einem Michelsoninterferometer wird ganz ähnlich aufgebaut wie mit einem He-Ne Laser. Da der Laserstrahl divergent ist, benötigt man keine Linse zur Strahlaufweitung. Das Interferogramm wird mit einer auf unendlich eingestellten Videokamera aus kurzer Entfernung (<30 cm) vom Strahlteiler aufgenommen. Bei einer Laserdiode mit großer Kohärenzlänge (zB Hitachi HL 7801, HL 7803 oder Sharp LTO26MD) erhält man ohne Weglängenabgleich das übliche Michelsoninterferogramm aus konzentrischen Ringen. Bei Erhöhung des Diodenstroms sieht man, wie die Ringe im Zentrum verschluckt werden, dh. wie die Wellenlänge zunimmt. Das ist auf Vergrößerung der Resonatorlänge und der Bandlücke bei Erhöhung der Temperatur zurückzuführen (ca. 0.23nm/°C).

Longitudinale Moden im Laser und multimode Dioden
Der optische Resonator der Laserdiode (d.h. die aktive Schicht mit ihren beiden Kristallendflächen) unterstützt im Prinzip alle Wellen, für die der Spiegelabstand L ein ganzzahliges Vielfaches q der halben Wellenlänge l/2 ist. Das ergibt für die Wellenlänge l die Bedingung:

l = 2nL/q

wobei n der Brechungsindex des Halbleitermaterials (ca 3,5) ist. Der Laser strahlt dann Licht derjenigen Wellenlänge ab, für die

  1. die Resonatorbedingung erfüllt ist
  2. die Verluste durch Abstrahlung und Absorption durch die stimulierte Emission ausgeglichen werden.
Wegen der endlichen Breiten von Valenz- und Leitungsband kann das für mehrere nahe beieinanderliegende Wellenlängen der Fall sein. Man spricht in diesem Fall von einem Multimoden-Betrieb. Dabei wird zwar nicht die Winkel- wohl aber die Längenkohärenz verringert. Wenn man im einfachsten Fall von 2 Moden ausgeht, dann kann man sich klarmachen, daß es Entfernungen gibt, in denen die Interferenzmuster der beiden Wellenlängen gerade komplementär sind. Dort verschwindet dann das von der Multimoden-Diode erzeugte Interferenzmuster. Diese Stellen wiederholen sich periodisch. Dazwischen liegen Bereiche, in denen die beiden Interferenzmuster deckungsgleich sind. Dort sind dann Interferenzen der Laserdiode zu bobachten. Eine einfache Rechnung zeigt, daß die Entfernung von einem Auslöschungsbereich zum nächsten (oder von einem Sichtbarkeitsbereich zum nächsten) 2nL ist. Für n=3,5 und L=0,3 mm ist das etwa 2,1 mm. Mit einem Interferometer kann man so die Modenstruktur und die Abmessung des optischen Resonators sichtbar machen. Diesen Versuch kann man z.B. mit der Sharp Laserdiode LT022MS0 oder der von der Firma Conrads angebotenen Laserdiode durchführen.

Auch bei Single-Mode Laserdioden (z.B. LT026MD0) kann auf die eben beschriebene Weise gezeigt werden, wie sie bei Veringerung der Ausgangsleistung vom Single-Mode in einen Multi-Mode Betrieb übergehen. Zurück zur Übersicht


Ein Versuch zur Informationsübertragung

Eines der wichtigsten Anwendungsgebiete von Laserdioden ist die Informationsübertragung über Glasfasern. Die dabei erreichbaren Übertragungsraten sind um mehr als eine Größenordnung höher als bei konventionellen Koaxialkabeln. Einer der Vorteile der Laserdioden ist die einfache (Amplituden-) Modulierbarkeit der Laserstrahlung.

Das kann mit folgendem einfachen Experiment gezeigt werden, bei dem die Übertragung allerdings direkt durch die Luft erfolgt: In den Diodenstromkreis wird, wie in der Schaltskizze in Bild 7 gezeigt, in Reihe mit der Batterie die Sekundärwicklung eines NF-Übertragers (das ist ein 1:1 Transformator) geschaltet. Die Primärwicklung des Übertragers wird mit dem Kopfhöreranschluß eines Radios oder Cassettenrecorders verbunden. Durch die Laserdiode fließt jetzt ein Strom, der von der Spannungssumme von Batterie und Kopfhörer bestimmt wird. Entsprechend ist der Laserstrahl moduliert. Wenn das Strahlenbündel nun mit einer Linse auf eine Fotodiode (z.B BPW 34 oder BPW 43) fokussiert wird, deren Strom durch einen kleinen Verstärker einen Lautsprecher ansteuert, so kann man mit diesem Gerät die Übertragung hörbar machen. Die Laserdiode kann (und sollte) bei diesem Versuch mit möglichst geringer Leistung (d.h. knapp über dem Schwellenstrom) betrieben werden. Eine Multimodenstrahlung stört hier nicht, da nur die Winkelkohärenz der Laserstrahlung ausgenützt wird.

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Keine Interferometrie mit Laserpointern

Die als Zeigestockersatz angebotenen Laserpointer emittieren Licht im Bereich von 670 nm, in dem das Auge eine um mehrere Größenordnungen höhere Empfindlichkeit besitzt als bei 790 nm. Außerdem wird das Licht dank einer eingebauten Kollimatoroptik in einem Strahl mit geringer Divergenz abgestrahlt. Da die Preise für die billigsten Laserpointer inzwischen die 50 DM Grenze unterschritten haben, ist es naheliegend, die Eignung dieser Lichtquellen für die oben erwähnten Experimente zu untersuchen.

Für Interferometerexperimente sind Laserpointer ungeeignet, da sie aus Kostengründen mit billigen Multimode-Dioden ausgestattet sind. Lediglich bei Gangdifferenzen im Bereich von 1-2 mm werden an einigen Stellen Interferenzmuster sichtbar. Zwischen diesen Stellen verschwinden die Muster aufgrund der Multimodenstruktur der Strahlung aber selbst für diese kleinen Gangunterschiede.

Leider ergeben sich auch für die Nachrichtenübertragung Schwierigkeiten. Da der Schwellenstrom bei Temperaturerhöhung stark ansteigt, haben Laserdioden die Tendenz, nach Inbetriebnahme wieder zu erlöschen, falls der Strom nicht nachgeregelt wird. Die Pointer enthalten zu diesem Zweck eine sog. APC (automatic power control)-Schaltung, die die Aufgabe hat, Intensitätsschwankungen zu unterdrücken. Versucht man, die Laserintensität am Eingang der APC-Schaltung in der oben geschilderten Art zu modulieren, so wird das Signal deutlich gedämpft. Um eine optimale Übertragung zu erzielen, muß die Diode von der APC-Schaltung abgetrennt und Signal- und Betriebsspannung direkt eingespeist werden. Zurück zur Übersicht


Bezugsquellen:

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