Was ist eine SLD-Lichtquelle?
SLD-Lichtquellen sind breitbandige Lichtquellen, die sowohl die Eigenschaften von Leuchtdioden (LEDs) als auch von Halbleiterlasern (LDs) aufweisen.
SLD steht für ‚super luminescent diode‘ und kombiniert ein breites Spektrum wie eine Leuchtdiode mit der hohen Lichtintensität eines Halbleiterlasers.
Im Gegensatz zu Halbleiterlasern zeichnen sich SLDs jedoch auch durch eine geringe Kohärenz aus. Aufgrund dieser Eigenschaften werden SLDs häufig in Messmaschinen und Sensorgeräten eingesetzt.
Anwendungen von SLD-Lichtquellen
SLD-Lichtquellen werden in den folgenden Arten von Geräten eingesetzt, wobei sie die doppelten Eigenschaften von LEDs und LDs nutzen:
OCT (optische Kohärenztomographie)
OCT, auch optische Kohärenztomografie genannt, ist ein Instrument, das mit Hilfe von Lichtinterferenz das Querschnittsbild eines Objekts misst. Das Innere kann gemessen werden, ohne das Objekt zu berühren. Im Vergleich zu Röntgenstrahlen, mit denen das Innere eines Objekts auf ähnliche Weise betrachtet werden kann, bietet die OCT eine höhere Auflösung und kein Risiko einer Strahlenbelastung und wird daher häufig für medizinische Zwecke eingesetzt.
Rasterkraftmikroskopie
Ein Mikroskop, das die Oberflächenbeschaffenheit beobachtet, indem es einen Zeiger auf der Oberfläche eines Materials bewegt und die interatomaren Kräfte zwischen dem Zeiger und dem Material misst. Im Vergleich zur Lichtmikroskopie hat sie eine sehr hohe Auflösung und ermöglicht die Beobachtung von Unregelmäßigkeiten auf atomarer Ebene auf der Oberfläche.
Funktionsweise der SLD-Lichtquellen
In diesem Abschnitt wird die Funktionsweise des von SLD-Lichtquellen emittierten Lichts beschrieben.
Wie LEDs und LDs emittieren SLD-Lichtquellen Licht, wenn eine Vorwärtsspannung an den pn-Übergang angelegt wird. Wenn sie angeregt werden, befinden sich viele Elektronen im Leitungsband und Löcher im Valenzband. Die Energie, die bei der Rekombination zwischen diesen Elektronen und Löchern entsteht, wird als Licht emittiert.
SLDs erzeugen ebenfalls Licht wie LEDs und LDs, aber sie unterscheiden sich von diesen beiden dadurch, dass sie das erzeugte Licht verstärken. Das von SLDs erzeugte Licht wird nicht direkt emittiert, sondern durch die optische Verstärkung der aktiven Schicht verstärkt, bevor es emittiert wird. Die spektrale Breite von SLDs ist breiter als die von LDs, aber schmaler als die von LEDs. Auf diese Weise lassen sie sich als eine Zwischenform zwischen LEDs und LDs charakterisieren.
Diese Funktionsweise ermöglicht es SLDs, Licht mit einem breiten Spektrum wie LEDs und einer Kohärenz wie LDs zu emittieren, was sie zu einer Lichtquelle für medizinische und Forschungsanwendungen macht.
Anwendung von SLD-Lichtquellen in der OCT
OCT steht für Optische Kohärenztomographie, eine Technologie, bei der mittels Lichtinterferenz die Oberflächenrauheit eines Objekts oder das Querschnittsbild eines lebenden Körpers zerstörungsfrei und berührungslos gemessen wird.
Mit OCT lassen sich Querschnittsbilder des menschlichen Körpers ohne Röntgenstrahlen erstellen.
Die SLD-Lichtquelle ist ein unverzichtbarer Bestandteil der OCT.
OCT-Lichtquellen müssen eine geringe zeitliche Kohärenz und eine hohe räumliche Kohärenz aufweisen.
Zeitliche Kohärenz
Zunächst wird die zeitliche Kohärenz erläutert. Laserlicht ist ein monochromatisches Licht, das mit einer festen Wellenlänge emittiert und sich als Sinuswelle in Lichtlaufrichtung ausbreitet. Die Intensität dieser Sinuswelle wird über eine lange Strecke aufrechterhalten, was dazu führt, dass entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts mehrere Lichtstrahlen entstehen, die durch ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des Lichts getrennt sind. Dies kann als Rauschen beobachtet werden, wodurch sich LED-Licht besser für OCT-Quellen eignet als Laserlicht, das eine geringere zeitliche Kohärenz aufweist.
Räumliche Kohärenz
Als nächstes wird die räumliche Kohärenz eingeführt. Laserlicht verfügt über eine ausgezeichnete räumliche Linearität, wodurch es einfach ist, eine gewünschte Lichtintensität zu beleuchten. Bei LED-Licht besteht jedoch das Problem, dass es aufgrund der starken Streuung des Lichts schwierig ist, ein gewünschtes Objekt mit der gewünschten Lichtintensität zu beleuchten.
Daher rücken SLD-Lichtquellen, die beide Eigenschaften besitzen, als Lichtquelle mit geringer zeitlicher und hoher räumlicher Kohärenz in den Blickpunkt.
Emissionswellenlänge von SLD-Lichtquellen
Wie bei LDs und LEDs wird auch bei SLD-Lichtquellen die Emissionswellenlänge durch die Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials bestimmt. Halbleiter mit einer großen Bandlücke ermöglichen die Entwicklung von Lichtquellen mit kurzen Wellenlängen, während solche mit einer kleinen Bandlücke die Entwicklung von Lichtquellen mit langen Wellenlängen ermöglichen.
Wie bereits erwähnt, wird erwartet, dass SLD-Lichtquellen in der OCT eingesetzt werden. Beim Einsatz von SLD-Lichtquellen in der OCT, werden häufig Lichtquellen im nahen Infrarotbereich verwendet. Dies liegt daran, dass es einen Bereich gibt, in dem die Absorption von Wasser bei Wellenlängen von etwa 1-1,1 µm minimal ist, der allgemein als biologisches Fenster bekannt ist, und es besteht die Möglichkeit, dass ein hoher SNR erzielt werden kann, indem OCT in der Nähe des biologischen Fensters angewendet wird, während die Auswirkungen von Wasser im menschlichen Körper reduziert werden.