Wie funktioniert eine Laserdiode? | CIELLULU-Leitfaden

Wie funktioniert eine Laserdiode?

Das Verständnis der Funktionsweise einer Laserdiode ist für Fachleute in verschiedenen Bereichen von entscheidender Bedeutung. Dieser Artikel erläutert die Funktionsweise von Laserdioden und geht auf häufige Missverständnisse ein. Wir untersuchen die physikalischen Grundlagen und Schlüsselkomponenten und liefern eine klare und prägnante Erklärung.

Stimulierte Emission: Das Herzstück der Laserdiode

Das Herzstück jedes Lasers, auch einer Laserdiode, ist das Prinzip der stimulierten Emission. Im Gegensatz zur spontanen Emission, bei der ein Elektron zufällig sein Energieniveau senkt und ein Photon emittiert, löst bei der stimulierten Emission ein einfallendes Photon die Freisetzung eines identischen Photons aus. Dieser Prozess ist entscheidend für die Erzeugung kohärenten Lichts – Lichtwellen mit gleicher Frequenz, Phase und Richtung – ein entscheidendes Merkmal von Laserlicht. In einer Laserdiode wird dieser Prozess in einem Halbleitermaterial erreicht.

Halbleitermaterial und pn-Übergang

Laserdioden verwenden ein Halbleitermaterial, üblicherweise eine Verbindung wie Galliumarsenid (GaAs), das als pn-Übergang strukturiert ist. Dieser Übergang entsteht durch Dotierung des Halbleiters mit Verunreinigungen, wodurch Bereiche mit einem Überschuss an positiven (p-Typ) und negativen Ladungen (n-Typ) entstehen. Beim Anlegen einer Vorwärtsspannung rekombinieren Elektronen aus dem n-Typ-Bereich und Löcher aus dem p-Typ-Bereich an diesem Übergang.

Optischer Hohlraum und Rückkopplung

Durch die Rekombination von Elektronen und Löchern werden Photonen freigesetzt. Um dieses Licht zu verstärken und einen Laserstrahl zu erzeugen, werden diese Photonen in einem optischen Hohlraum eingeschlossen, der durch Spaltung des Halbleitermaterials an seinen Enden entsteht. Diese gespaltenen Enden wirken wie Spiegel und reflektieren die Photonen durch den aktiven Bereich hin und her. Dieser Rückkopplungsmechanismus verstärkt die stimulierte Emission, was zu einem Kaskadeneffekt und der Erzeugung eines hochintensiven, kohärenten Laserstrahls führt.

Laserdiodenleistung und Anwendungen

Das resultierende Laserlicht verlässt die Diode durch eines der teilweise reflektierenden Enden des Hohlraums. Die Wellenlänge des emittierten Lichts wird durch die Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials bestimmt. Dies macht Laserdioden vielseitig einsetzbar und ermöglicht die Herstellung von Lasern mit einem breiten Wellenlängenbereich von Infrarot bis hin zu sichtbarem Licht. Diese Dioden finden breite Anwendung in der Telekommunikation, der optischen Speicherung, Barcode-Lesegeräten, Laserpointern und vielen weiteren Technologien.

Auswahl der richtigen Laserdiode

Die Auswahl der geeigneten Laserdiode hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die gewünschte Wellenlänge, die Ausgangsleistung, die Strahlqualität und der Betriebsstrom. Das Verständnis der grundlegenden Funktionsprinzipien ist der Schlüssel für fundierte Entscheidungen.