Das Funktionsprinzip und die wichtigsten Arten vonHalbleiterlaser
HalbleiterLaserdiodenAufgrund ihrer hohen Effizienz, Miniaturisierung und Wellenlängenvielfalt finden Halbleiterlaser breite Anwendung als Kernkomponenten optoelektronischer Technologien in Bereichen wie Kommunikation, Medizin und industrieller Fertigung. Dieser Artikel erläutert zudem das Funktionsprinzip und die verschiedenen Typen von Halbleiterlasern und dient somit als hilfreiche Orientierungshilfe für die meisten Forscher im Bereich der Optoelektronik.
1. Das Lichtemissionsprinzip von Halbleiterlasern
Das Lumineszenzprinzip von Halbleiterlasern basiert auf der Bandstruktur, den elektronischen Übergängen und der stimulierten Emission von Halbleitermaterialien. Halbleitermaterialien sind Materialien mit einer Bandlücke, die aus einem Valenzband und einem Leitungsband besteht. Im Grundzustand ist das Valenzband mit Elektronen besetzt, während das Leitungsband leer ist. Wird ein elektrisches Feld angelegt oder ein Strom eingespeist, gelangen Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband und bilden Elektron-Loch-Paare. Werden diese Elektron-Loch-Paare bei der Energieabgabe durch äußere Einflüsse angeregt, entstehen Photonen – also Laserlicht.
2. Anregungsmethoden von Halbleiterlasern
Es gibt im Wesentlichen drei Anregungsmethoden für Halbleiterlaser: die elektrische Injektionsanregung, die optische Pumpanregung und die Anregung mit hochenergetischen Elektronenstrahlen.
Elektrisch angeregte Halbleiterlaser: Im Allgemeinen handelt es sich dabei um Halbleiter-Oberflächenübergangsdioden aus Materialien wie Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumsulfid (CdS), Indiumphosphid (InP) und Zinksulfid (ZnS). Sie werden durch Stromzufuhr in Vorwärtsrichtung angeregt, wodurch stimulierte Emission im Übergangsbereich erzeugt wird.
Optisch gepumpte Halbleiterlaser: Im Allgemeinen werden n- oder p-leitende Halbleiter-Einkristalle (wie z. B. GaAs, InAs, InSb usw.) als Arbeitsmaterial verwendet, und dieLaserDie von anderen Lasern emittierte Strahlung wird als optisch gepumpte Anregung genutzt.
Hochenergetische Elektronenstrahl-angeregte Halbleiterlaser: Im Allgemeinen verwenden sie ebenfalls N- oder P-leitende Halbleiter-Einkristalle (wie z. B. PbS, CdS, ZhO usw.) als Arbeitsmaterial und werden durch Einkopplung eines hochenergetischen Elektronenstrahls von außen angeregt. Unter den Halbleiterlasern zeichnet sich der elektrisch angeregte GaAs-Diodenlaser mit Doppelheterostruktur durch seine bessere Leistung und breitere Anwendung aus.
3. Die wichtigsten Arten von Halbleiterlasern
Die aktive Zone eines Halbleiterlasers ist der Kernbereich für die Photonenerzeugung und -verstärkung und weist eine Dicke von nur wenigen Mikrometern auf. Interne Wellenleiterstrukturen (wie z. B. Stegwellenleiter und vergrabene Heteroübergänge) dienen dazu, die laterale Ausbreitung der Photonen einzuschränken und die Energiedichte zu erhöhen. Der Laser verfügt über ein Kühlkörperdesign und verwendet Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z. B. Kupfer-Wolfram-Legierung) zur schnellen Wärmeableitung, wodurch eine durch Überhitzung verursachte Wellenlängenverschiebung verhindert wird. Entsprechend ihrer Struktur und ihrer Anwendungsszenarien lassen sich Halbleiterlaser in die folgenden vier Kategorien einteilen:
Kantenemittierender Laser (EEL)
Der Laserstrahl tritt an der Spaltfläche an der Seite des Chips aus und erzeugt einen elliptischen Fleck (mit einem Divergenzwinkel von ca. 30° × 10°). Typische Wellenlängen sind 808 nm (zum Pumpen), 980 nm (für die Kommunikation) und 1550 nm (für die Glasfaserkommunikation). Er findet breite Anwendung beim industriellen Hochleistungsschneiden, als Pumpquelle für Faserlaser und in optischen Kommunikationsnetzen.
2. Vertikaler Oberflächenemitterlaser (VCSEL)
Der Laserstrahl wird senkrecht zur Chipoberfläche mit einem kreisförmigen und symmetrischen Strahl (Divergenzwinkel <15°) emittiert. Er integriert einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR), wodurch ein externer Reflektor überflüssig wird. Er findet breite Anwendung in der 3D-Sensorik (z. B. Gesichtserkennung mit Mobiltelefonen), der optischen Nahbereichskommunikation (Rechenzentren) und im LiDAR-Bereich.
3. Quantenkaskadenlaser (QCL)
Basierend auf dem Kaskadenübergang von Elektronen zwischen Quantentöpfen deckt die Wellenlänge den mittleren bis fernen Infrarotbereich (3–30 μm) ab, ohne dass eine Besetzungsinversion erforderlich ist. Photonen werden durch Intersubbandübergänge erzeugt und finden häufig Anwendung in Bereichen wie der Gassensorik (z. B. CO₂-Nachweis), der Terahertz-Bildgebung und der Umweltüberwachung.
Der abstimmbare Laser mit seinem externen Resonator (Gitter/Prisma/MEMS-Spiegel) ermöglicht einen Wellenlängen-Abstimmbereich von ±50 nm, eine schmale Linienbreite (<100 kHz) und eine hohe Seitenmodenunterdrückung (>50 dB). Er findet breite Anwendung in Bereichen wie DWDM-Kommunikation (Dense Wavelength Division Multiplexing), Spektralanalyse und biomedizinischer Bildgebung. Halbleiterlaser werden in Kommunikationslasern, digitalen Laserspeichern, Laserbearbeitungsanlagen, Lasermarkierungs- und Verpackungsanlagen, Lasersatz- und Druckgeräten, medizinischen Lasergeräten, Laser-Entfernungs- und Kollimationsmessgeräten, Laserinstrumenten und -geräten für Unterhaltung und Bildung sowie in Laserkomponenten und -teilen eingesetzt. Sie gehören zu den Kernkomponenten der Laserindustrie. Aufgrund der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten gibt es zahlreiche Lasermarken und -hersteller. Die Auswahl sollte sich an den spezifischen Anforderungen und Anwendungsbereichen orientieren. Verschiedene Hersteller bieten unterschiedliche Anwendungen in verschiedenen Bereichen an, daher sollte die Auswahl von Herstellern und Lasern auf dem konkreten Anwendungsgebiet des jeweiligen Projekts basieren.
Veröffentlichungsdatum: 05.11.2025