Lasertechnik Laser - Ganz in grün

Eine der letzten großen Herausforderung der Lasertechnik für den sichtbaren Bereich ist gemeistert: die Erzeugung grünen Laserlichts mit Halbleiterdioden ohne den Umweg über Frequenzverdopplung. Licht im Wellenlängenbereich zwischen 515 nm und 535 nm ist besonders für biotechnologische und medizinische Anwendungen bedeutsam, aber auch in mobilen Kleinstprojektoren.

Direkte Emission heißt das Zauberwort, also Lichtabgabe des Halbleiterlasers direkt im gewünschten Frequenzbereich ohne Hilfsverfahren wie Frequenzverdopplung.

Was für rotes Licht kein Problem darstellte, war im blauen Wellenlängenbereich bereits komplizierter - man erinnere sich an die zahllosen Patentstreitigkeiten, welche die Laserbranche im ersten Jahrzehnt des aktuellen Jahrhunderts beschäftigt hielt; Beobachter sahen Parallelen zu den Gerichtsschlachten, die um die blaue Leuchtdiode ausgetragen wurden.

Für den grünen Spektralbereich waren die Verwerfungen nicht ganz so schlimm, die Forschung stand deutlicher im Mittelpunkt.

An sich ist die Erzeugung grünen Laserlichts nicht besonders kompliziert - wenn man viel Platz hat, oder mit den Ungenauigkeiten der Frequenzverdopplung leben kann.

Mit Gaslasern (Bild 1) ist das beispielsweise kein Problem, allerdings sind sie aufgrund ihrer Abmessungen kaum für den Einsatz beim Endverbraucher geeignet.

Dasselbe gilt sogar in höherem Maße für Farbstofflaser, die noch dazu meist mit anderen Lasern gepumpt werden müssen.

Der gute alte Festkörperlaser, der erste Lasertyp überhaupt, schafft grün faktisch nur per Frequenzverdopplung aus einem infrarot strahlenden Nd:YAG-System (Yttrium-Aluminium-Granat dotiert mit Neodym).

Derartige Geräte finden beispielsweise beim Schweißen von Gold und Kupfer Verwendung (Bild 2).

Seit einigen Jahren ist auch ein direkter Laserübergang bei 523 nm mit dem Dotierungsmaterial Praseodym bekannt, der in einigen Forschungsprojekten Einsatz findet, jedoch keine kommerzielle oder technische Bedeutung hat.

Diodenlaser für die Elektronik

Generell sind für Anwendungen in der Elektronik praktisch ausschließlich Halbleiterlaser von Bedeutung. Das hat ganz praktische Gründe: Eine Laserdiode lässt sich wie jedes andere elektronische Bauelement fertigen, bestücken und ansteuern, außerdem besitzt sie auch die entsprechende (geringe) Größe.

Die emittierte Wellenlänge ist vom verwendeten Halbleitermaterial abhängig. Die Emission von Licht entsteht durch Rekombinationsprozesse von Elektronen und Löchern am Übergang zwischen p- und n-dotiertem Bereich. Die Endflächen des Bauelements sind teilreflektierend und bilden einen optischen Resonator, in dem sich eine stehende Lichtwelle ausbilden kann. Laserstrahlung entsteht, wenn eine Besetzungsinversion vorliegt und die stimulierte Emission zum dominierenden Strahlungsprozess wird.

Die Besetzungsinversion geschieht durch elektrisches Pumpen, ein elektrischer Gleichstrom in Durchlassrichtung sorgt für stetigen Nachschub von Elektronen und Löchern. Der Pumpstrom, bei dem der Laserbetrieb einsetzt, heißt Laserschwelle oder Schwellenstrom. Die Strahlungsleistung ist in der Praxis durch die Wärmeentwicklung begrenzt, der Wirkungsgrad übertrifft nur selten 50%. Um höhere Lichtleistungen zu erzielen, werden mehrere nebeneinander liegende Einzel-Emitter auf einem Die elektrisch parallel betrieben.

Ein solcher »Barren« (20 bis 30 Einzel-Emitter) lässt sich als eine große Diode betreiben. Damit sind optische Leistungen im Bereich von 100 W (bei ca. 80 A) möglich. Bis in die Kilowatt-Gegend emittieren Diodenlaser, in denen »Stacks« aus mehreren Barren zum Einsatz kommen. Grundsätzlich sind Laser mit Wellenlängen im nahen Infrarot besonders leicht herzustellen.

Da liegt es nahe, das Verfahren der Frequenzverdopplung einzusetzen, um in den sichtbaren Bereich oder gar ins nahe Ultraviolett zu kommen. Frequenzverdopplung (SHG, second harmonic generation) bedeutet, dass bei Bestrahlung mancher Materialien unter bestimmten Bedingungen Strahlung mit der doppelten Frequenz entsteht, also mit halber Wellenlänge. Zum Beispiel kann aus der infraroten Strahlung eines Nd:YAG-Lasers (1064 nm) grünes Licht der Wellen-länge 532 nm entstehen (etwa für Laserpointer).

Es ist auch Frequenzverdreifachung (THG, third harmonic generation) möglich, beim Beispiel des Nd:YAG-Lasers entsteht dann Ultraviolett mit 354,7 nm. Frequenzverdoppelte Nd:YAG-Laser liefern auch grüne Laserstrahlen mit bis zu mehreren Watt Strahlungsleistung für Lasershows sowie in Laserprojektoren. Die Frequenzverdopplung erfolgt mit einem nichtlinearen Medium innerhalb des Laserresonators oder auch außerhalb.

Die Frequenzverdopplung im Resonator bietet den Vorteil, dass dort die Intensität des Strahls und somit die Konversionseffizienz höher ist. Andererseits ist die nötige Leistungs- und Modenstabilität aufgrund des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen Intensität und Frequenzkonversion schwer zu erreichen. Steigt letztere bei wachsender Intensität steil an, treten Leistungsoszillationen und konkurrierende transversale Moden auf, die kaum zu stabilisieren sind. Jenes schwer zu kontrollierende nichtlineare Verhalten setzt dem Einsatz enge Grenzen.

Wo es auf Frequenzstabilität über einen breiten Leistungsbereich ankommt, sind frequenzverdoppelte Laser kaum sinnvoll. Aus diesem Grund steckten Forschungsinstitute und Laserhersteller umfangreiche Ressourcen in die Entwicklung von grünen »Direkt«-Halbleiterlasern.