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Laser sind seit vielen Jahrzehnten bekannt und werden in einer Vielzahl von Geräten und Technologien eingesetzt, die wir tagtäglich nutzen. Finden Sie heraus, was sie genau sind und wie sie funktionieren.
Was ist eine Laserdiode?
“Laser” ist eine Abkürzung für “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” d. h. Lichtverstärkung durch erzwungene Emission von Strahlung. Es handelt sich also um Lichtteilchen (Photonen), die so angeregt werden, dass sie Energie in Form von Licht, das in einem Strahl gebündelt ist, abgeben.
Die bekannteste Lösung sind Halbleiterlaserdioden, die aus Halbleitermaterialien hergestellt werden, die in ihrer Struktur p-n-Übergänge enthalten. Sie zeichnen sich durch die folgenden Merkmale aus.
- Kohärenz – Laserdioden emittieren kohärente Lichtwellen mit denselben Parametern (d. h. Phase, Polarisation, Wellenlänge). Dadurch unterscheiden sie sich unter anderem von einer normalen Glühbirne, die das Licht streut. In diesem Fall bewegt sich der Strahl in eine Richtung und konzentriert sich auf einen kleinen Bereich.
- Monochromatizität – das von Laserdioden ausgestrahlte Licht hat immer eine einzige Farbe. Am häufigsten ist er in Rot oder Grün zu finden. Eine bahnbrechende Entdeckung war die Entwicklung des blauen Lasers. Ihm ist es zu verdanken, dass die Blu-ray-Disc-Technologie geboren wurde.
- Richtungsabhängigkeit des emittierten Lichts – Laserdioden emittieren einen Strahl mit geringer Divergenz. Die Lichtstrahlen werden nicht gestreut, sondern verlaufen in eine Richtung, fast parallel zueinander.
- Langlebigkeit – Halbleiterdioden zeichnen sich durch Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer aus. Dadurch sind sie vielseitig einsetzbar.
Wie funktioniert die Laserdiode?
Um die Funktionsweise der Laserdiode zu erklären, ist es sinnvoll, zunächst einen Überblick darüber zu geben, wie die Energieübertragung zwischen Molekülen erfolgt. Nehmen wir das Atom, das Energieniveaus (Orbitale) hat. Sie können bestimmte Energiewerte annehmen, was sich in ihrer Erregung niederschlägt. Teilchen können Energie jedoch nicht unbegrenzt speichern, sondern geben sie auf verschiedene Weise ab, z. B. durch strahlende und nicht strahlende Übergänge.
Atome können optisch, elektrisch oder thermisch angeregt werden. Auf diese Weise emittieren die aktivierten Teilchen gezwungenermaßen oder spontan Photonen. Im Mittelpunkt der Funktionsweise der Laserdiode steht die erzwungene Anregung, bei der ein Photon, das als Katalysator wirkt, an dem angeregten Molekül vorbeifliegt und dessen Emission “auslöst”. Es wird jedoch nicht von ihm absorbiert.
Hauptbestandteile einer Laserdiode
Der Laser besteht aus drei Komponenten:
- aktives Medium,
- Pumpensystem,
- optischer Resonator.
Das aktive Medium ist das Material, in dem das Licht emittiert wird. Er kann aus Rubin, Stickstoff, Argon, Argon-Fluor oder aus Galliumnitrid oder Indiumphosphid bestehen. Die aktive Schicht ist in einem optischen Resonator untergebracht. Dabei handelt es sich um zwei Spiegel, die sich so gegenüberstehen, dass das Licht ständig von ihnen reflektiert wird. Einer der Spiegel ist jedoch halbtransparent, so dass ein Teil des Lichts außerhalb des Resonators abgestrahlt werden kann. Ergänzt wird das Ganze durch ein Pumpsystem zur Energieversorgung des aktiven Mediums.
Die Funktionsweise der Laserdiode lässt sich am besten am Beispiel des ersten gebauten Rubinlasers veranschaulichen. Sein aktives Medium ist ein Stab aus Rubin, d.h. mit Chrom dotiertem Aluminiumoxid. Er wird optisch aufgeladen, und zwar mit Licht, das von einer gepulsten Entladungslampe kommt und den Stab spiralförmig umgibt. Das Pumpsystem liefert Energie an die aktive Schicht und regt die Moleküle darin an. Wenn sie aktiviert werden, senden sie spontan Licht aus. Ab einem bestimmten Punkt nimmt die Intensität der Emission zu und es entsteht ein Zustand der so genannten Besetzungsinversion (mehr Moleküle befinden sich im angeregten Zustand als im Grundzustand).
Aktivierte Teilchen werden spontan in alle Richtungen abgestrahlt. Sie verlaufen nicht entlang der Achse des Resonators und sind daher für die Laserleistung wenig relevant. Die Photonen, die sich auf der Resonatorachse befinden, werden zwischen den Spiegeln reflektiert und durchqueren die aktive Schicht mehrmals, was zur Emission von aufeinanderfolgenden Photonen führt, die dieselbe Wellenlänge, Ausbreitungsrichtung und andere Parameter haben. Andere Lasertypen arbeiten nach demselben Prinzip, sind jedoch mit anderen aktiven Schichten ausgestattet, haben andere Pumpvorrichtungen und andere Resonatorgeometrien.
Anwendung von Laserdioden
Laserdioden finden eine breite Palette von Anwendungen. Die meisten Menschen sind sicherlich schon einmal mit Dot- oder Pointer-Lasern in Berührung gekommen, die u. a. in Unternehmen, Schulen und Universitäten eingesetzt werden. Sie können vom Moderator einer Unterrichtsstunde oder einer Geschäftsbesprechung verwendet werden, um auf die an der Tafel diskutierten Themen hinzuweisen.
Solche Geräte strahlen in der Regel ein punktförmiges Licht aus, es gibt aber auch Modelle, die ein Kreuz oder eine Linie zeigen. Laserdioden finden sich auch in Zielvorrichtungen, um den Lauf einer Waffe in die gewünschte Richtung zu lenken, oder in Messgeräten wie der Laserwasserwaage.
Laserdioden sind auch ein wichtiger Bestandteil von CD-, DVD- und Blu-ray-Playern. Das von ihnen ausgestrahlte Licht wird verwendet, um Daten von den Medien zu lesen. Die Diodentechnologie ist auch in Barcode-Scannern und -Druckern zu finden. Sie sind auch in der Wissenschaft sehr beliebt, z. B. in der Biologie, Chemie oder Physik, wo sie zu Forschungszwecken eingesetzt werden, z. B. zur Manipulation von Atomen.
Hochleistungslaserdioden zum Gravieren und Schneiden
Laserdioden zeichnen sich durch unterschiedliche Leistungen aus. Während die gebräuchlichsten Laser, z. B. für Anzeigegeräte, für den Menschen ungefährlich sind (wenn sie nicht in die Augen strahlen, die sie schädigen können), können Speziallaser mit einer Leistung von z. B. 2000 mW bis 6000 mW zum Schneiden und Gravieren verwendet werden. Mit ihrer Hilfe können Muster und Markierungen auf Edelstahl oder Titan angebracht werden. Laserdioden eignen sich auch hervorragend zum Schneiden von Kunststoffen (wie Plastik oder Gummi), Holz, Textilien, Kunst- oder Naturleder.
Indikatorlaser emittieren in der Regel Wellenlängen im sichtbaren Bereich, während Schneidlaser Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen aussenden. Je nach Verwendungszweck können sie auch in den Bereich der unsichtbaren Wellen, z. B. Infrarot, übergehen.
