Laserdioden sind eine der wichtigsten Komponenten der modernen Lasertechnologie. Durch ihre kompakte Bauweise, hohe Effizienz und flexible Wellenlängenoptionen haben sie sich als bevorzugte Lichtquelle für zahlreiche Technologien etabliert und  werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von industrieller Materialbearbeitung und optischen Kommunikation bis hin zur Verwendung als Seedlaser für andere Lasertypen. 

Eine Laserdiode (LD) ist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement, das auf dem Prinzip der stimulierenden Emission basiert und kohärentes Licht emittiert. Sie gehört zur Klasse der Halbleiterlaser und ist strukturell einer Leuchtdiode (LED) ähnlich, unterscheidet sich jedoch durch die Fähigkeit zur optischen Verstärkung und Laseremission.

Im Gegensatz zu anderen Festkörperlasern oder Gaslasern wird die Laseremission bei der durch direkte elektrische Einspeisung erzeugt, was die hohe Effizienz und Kompaktheit von Laserdioden ermöglicht.

Die aktive Zone einer Laserdiode besteht aus einer pn-Übergangsschicht, die lichterzeugendes Medium dient. Hier werden durch eine Stromquelle Ladungsträger injiziert. Diese rekombinieren in der Halbleiterschicht und emittieren dabei Photonen. Die Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials bestimmt die Emissionswellenlänge. Durch geeignete Wahl kann so ein Spektrum von ultravioletter (UV) bis zu infraroter (IR) Strahlung realisiert werden.

Wie andere Lasern benötigt die Laserdiode eine optische Kavität, in der Photonen durch stimulierte Emission verstärkt werden. Diese wird aus zwei parallel angeordneten, teildurchlässigen Spiegeln gebildet. Sobald die Verstärkung in der Kavität größer ist als die Verluste beginnt die Diode zu lasern. Einige hochentwickelte Varianten wie DFB-Laserdioden (Distributed Feedback) oder VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) nutzen spezielle Resonatorkonzepte zur Verbesserung der spektralen Reinheit und Strahlqualität.

Laserleistungen Laserdioden

Aufgrund der hohen Verlustleistung bei der Lichterzeugung im Halbleiter begrenzt die Überhitzung des Kristalls die Strahlleistung pro Einzelemitter auf einige hundert Mikrowatt bis zu 10 Watt je nach Diodentyp. Um höhere Leistungen zu erzielen, werden mehrere Dioden nebeneinande auf einem Chip elektrisch parallel als Barren betrieben. Damit erreicht man Laserleistungen bis 100W im IR. Für höhere Leistungen bis in den 10 kW oder sogar 100 kW Bereich werden mehrere dieser Barren als Diodenlaser gestapelt und zusammengefasst.

Strahlqualität von Laserdioden

Einige wichtige Eigenschaften von Laserdioden werden durch die Geometrie des optischen Resonators bestimmt. In einer Laserdiode ist das Licht in einer sehr dünnen Schicht enthalten, und die Struktur erlaubt in der Richtung senkrecht zu den pn-Schichten  nur eine einzige optische Mode. In der transversalen Richtung ist der Wellenleiter breit im Vergleich zur Wellenlänge des Lichts, sodass der Wellenleiter mehrere transversale optische Moden enthalten kann. Daher wird eine solche Laserdiode als transversaler Multimode-Laser bezeichnet. Solche transversalen Multimode-Laser sind in Fällen geeignet, in denen eine sehr große Leistung benötigt wird, aber kein kleiner beugungsbegrenzter Strahl.

Bei Anwendungen, die einen kleinen, fokussierten Strahl erfordern, muss der Wellenleiter schmal sein, in der Größenordnung der optischen Wellenlänge. Auf diese Weise wird nur ein einziger Transversalmodus unterstützt und man erhält einen beugungsbegrenzten Strahl.

Zuverlässigkeit von Laserdioden

Laserdioden sind empfindlich gegenüber thermischer Überlastung, Überspannung und elektrostatischen Entladungen (ESD), da diese die Halbleiterstruktur beschädigen und die Lebensdauer erheblich verkürzen können. Eine sorgfältige Wärmeableitung und der Betrieb innerhalb der spezifizierten Strom- und Spannungslimits sind entscheidend, um eine lange Lebensdauer von bis zu 100.000 Stunden zu gewährleisten.

Die Leistungsfähigkeit und Einsatzmöglichkeiten einer Laserdiode werden durch verschiedene elektrische, optische und thermische Parameter bestimmt. Diese beeinflussen Eigenschaften wie Effizienz, Strahlqualität, Modulationsgeschwindigkeit und Temperaturstabilität und sind entscheidend für die Auswahl der passenden Laserdiode für eine spezifische Anwendung.

Laserdioden finden aufgrund ihrer kompakten Bauweise, hohen Effizienz und vielseitigen Wellenlängenoptionen in zahlreichen technologischen und industriellen Anwendungen Verwendung. Dort ermöglichen sie präzise und leistungsstarke Lösungen für unterschiedlichste Anforderungen.

Industrielle Fertigung

Laserdioden werden in der industriellen Materialbearbeitung für Anwendungen wie das Laser cutting und Laserschweißen genutzt. Da für die nötigen hohen Laserleistungen mehrere Laserdioden zu einem Diodenlasern kombiniert werden müssen, leidet die Strahlqualität. Diodenlaser werden daher meist für weniger feine Anwendungen mit sehr hohen Leistungen verwendet.

Medizintechnik

In der Medizintechnik dienen Laserdioden unter anderem zur dermatologischen Behandlungen, Zahnmedizin, Chirugie und photodynamischen Therapie (PDT). Die Vielzahl an verfügbaren Wellenlängen ermöglicht eine passgenaue Auswahl für die gewünschten medizinischen Effekte, maximale Blutkoagulation, maxiale Eindringtiefe oder maximaler Gewebeabtrag. Auch die kompakten Abmessungen sind bei vielen Anwendungen von Vorteil.

Messtechnik & Sensorik

Laserdioden sind essenziell für LIDAR-Systeme, Spektroskopie, Abstandsmessung und Gasanalytik, da sie präzise und kohärente Lichtquellen für hochauflösende Messungen bieten.

Kommunikationstechnik

In der optischen Datenübertragung sind Laserdioden die zentrale Bauelemente. Die kompakten und kostengünstigen Laserdioden ermöglichen stabile und effiziente Signalübertragung in Glasfasern über große Entfernungen.

Unterhaltungselektronik

Laserdioden finden sich in Laserpointern, Laserprojektoren, Blu-ray-Playern und anderen optischen Laufwerken. Ihre hohe Modulationsgeschwindigkeit und kompakten Bauformen ermöglichen innovative Displays und hochauflösende Bild- und Speichersysteme.