Was ist eine Laserdiode?
Eine Laserdiode ist ein Licht, das die Rekombinationsemission eines Halbleiters nutzt.
Die Rekombinationsemission tritt auf, wenn sich ein Elektron und ein Loch (Hole) am Übergang treffen und die zusätzliche Energie, die sie gemeinsam haben, zu Licht wird.
Laserdiodenlicht ist ein phasengesteuertes Laserlicht mit einer einzigen Wellenlänge, das auch als Halbleiterlaser bekannt ist und als LD bezeichnet wird. Die Farbe des Halbleiterlaserlichts wird von den Bestandteilen des Halbleiters bestimmt. InGaN zum Beispiel ist UV bis grün (380-540 nm), AlGaInP ist rot (620-700 nm) und InGaAsP ist IR. Die entsprechenden Substrate sind GaN für InGaN, GaAs für AlGaInP und InP für InGaAsP.
LEDs emittieren Licht auf die gleiche Weise wie Halbleiterlaser, aber die Phase und der Wellenlängenbereich des Lichts sind vielfältiger als bei Halbleiterlasern. Das bedeutet, dass Halbleiterlaser im Gegensatz zu LEDs (Leuchtdioden) Licht nach dem Prinzip der induzierten Emission emittieren, das es ermöglicht, intensives Licht mit einer genau definierten Phase auszusenden.
Anwendungen von Laserdioden
Laserdioden werden häufig in Verbrauchergeräten eingesetzt. Der Grund dafür ist, dass sie klein sind und in Massenproduktion hergestellt werden können, wodurch die Produktionskosten niedrig bleiben.
In Informationsgeräten werden Laserdioden in optischen Abtastern für optische Laufwerke wie CDs, DVDs und BDs, in Fotokopierern, Laserdruckern und faseroptischen Kommunikationsgeräten eingesetzt. Zu den Hochleistungsanwendungen gehören Lasermarker und Laserbearbeitungsmaschinen.
Die diffusionsbeständige, weitreichende Eigenschaft des Laserlichts wird auch in Vermessungsinstrumenten und Laserpointern zum Anvisieren von Objekten genutzt und hat mit der Miniaturisierung und Preisreduzierung von roten Halbleiterlaserelementen mit geringer Leistung weite Verbreitung gefunden.
Funktionsweise von Laserdioden
In Laserdioden wird Licht emittiert, wenn Löcher (Elektronenlöcher) und Elektronen unter Anlegen einer Spannung rekombinieren.
Das emittierte Photon löst ein anderes Elektron aus, das nacheinander mit dem Loch rekombiniert und ein Photon aussendet, so dass das erzeugte Licht die gleiche Phase und Wellenlänge hat. Da die Wellenlänge des Lichts immer konstant ist, werden sie in Situationen eingesetzt, in denen eine konstante Lichtmenge benötigt wird, wie z. B. bei Strichcodelesern, Laserpointern und Glasfaserkommunikation.
Weitere Informationen zu Laserdioden
1. Spezifikationen von Laserdioden
Die L/I-Kurve wird zum Verständnis der Spezifikationen von Laserdioden verwendet. Anhand dieser Kurve kann der gelieferte Antriebsstrom im Verhältnis zur abgegebenen Lichtintensität aufgezeichnet werden.
Anhand dieser Kurve lassen sich der Arbeitspunkt (Antriebsstrom bei Nennemissionsleistung) und der Schwellenstrom (Anlaufstrom des Lasers) des Lasers bestimmen und sie dient auch zur Ermittlung des Stroms, der erforderlich ist, um bei einem bestimmten Strom eine hohe Ausgangsleistung zu erzielen.
Anhand dieses Kurvendiagramms lässt sich erkennen, dass die optische Leistung stark temperaturabhängig ist und dass mit steigender Temperatur auch die Lasereigenschaften abnehmen. Dies ermöglicht es, die Effizienz der Laserdiode anhand der L/I-Kurve zu visualisieren und abzuschätzen.
2. Unterschied zwischen Laserdioden und lichtemittierenden Dioden
Lichtemittierende Dioden zeichnen sich dadurch aus, dass das Licht nicht phasengleich ist und sich daher radial ausbreitet. Im Gegensatz dazu sind Laserdioden phasenrichtig und erzeugen daher einen linearen Lichtstrahl.
Bei Leuchtdioden hat die lichtemittierende Schicht eine große Oberfläche, was es dem Licht erschwert, in eine kleine Faser mit einem kleinen Kernsystem einzudringen. Laserdioden hingegen haben eine schmale Emissionsschicht, können aber problemlos in Glasfasern mit kleinem Kernsystem eindringen.
In Laserdioden werden die emittierten Photonen durch die Rekombination von Löchern und Elektronen ausgelöst, wenn eine Spannung angelegt wird, und weitere Elektronen rekombinieren nacheinander mit den Löchern und emittieren Photonen (induzierte Emission). Das erzeugte Licht hat also die gleiche Phase und Wellenlänge. Im Gegensatz dazu weist das von Leuchtdioden erzeugte Licht verschiedene Phasen und Wellenlängen auf.
3. Lebensdauer von Laserdioden
Die durchschnittliche Lebensdauer einer Laserdiode hängt von der Betriebsumgebung ab (Betriebstemperatur, statische Elektrizität, Überspannungen in der Stromversorgung) und wird im Allgemeinen auf 10 000 Stunden geschätzt. Unter den Umweltfaktoren, die die Lebensdauer beeinflussen, wird hier die Betriebstemperatur erörtert.
Die Betriebstemperatur wirkt sich erstens so aus, dass ein Anstieg der Betriebstemperatur um 10 °C die Lebensdauer um die Hälfte verkürzt und wenn die Temperatur weiter über die maximale Betriebstemperatur ansteigt, wird das Potenzial für eine Beschädigung der Laserdioden und eine langfristige Leistungsverschlechterung größer. Es wird daher empfohlen, Wärmesenken (Abstrahlplatten) zu verwenden, um die Wärme im Inneren des Produkts nach außen abzuleiten und so die Auswirkungen der Wärmeentwicklung so weit wie möglich zu vermeiden.