Diodenlaser

Grundprinzip und Bedeutung

Ein Diodenlaser ist ein Laser, dessen Licht durch Laserdioden und damit durch Halbleitermaterialien erzeugt wird. Je nach Bauweise reicht seine optische Leistung von wenigen Watt bei einzelnen Emittern bis zu mehr als 60 kW bei leistungsstarken Systemen.

Diodenlaser sind besonders kompakt und wandeln elektrischen Strom vergleichsweise effizient in Laserlicht um. Sie werden unter anderem zur optischen Datenübertragung, in CD- und DVD-Geräten, in der Spektroskopie, zum Pumpen anderer Laser sowie für industrielle Verfahren wie Schweißen, Härten, Löten und Auftragschweißen eingesetzt.

Einzelemitter und besondere Bauformen

Die einfachste Form eines Diodenlasers besteht aus einer einzelnen Laserdiode, gegebenenfalls ergänzt durch eine Kollimationsoptik zur Erzeugung eines möglichst parallelen Strahls und eine Fokussieroptik zur Bündelung des Lichts. Solche Einzelemitter werden beispielsweise in Laserpointern, für die optische Datenübertragung sowie in CD- und DVD-Abtastern oder -Brennern verwendet.

Einzelemitter werden mit Leistungen bis zu einigen Watt hergestellt. Sie sind häufig auf einer Wärmesenke montiert und können bereits eine Strahlkollimation mit einer sphärischen oder asphärischen Linse enthalten. Manche Ausführungen besitzen außerdem eine Faserkopplung, bei der das Laserlicht direkt in einen Lichtleiter eingekoppelt wird.

Zu den besonderen Bauformen gehören der DFB-Laser mit internem Bragg-Spiegel, der Diodenlaser mit externem Resonator und der Oberflächenemitter, auch VCSEL genannt.

Barren, Stapel und hohe Leistungen

Da einzelne Laserdioden nur Leistungen bis zu einigen Watt erreichen und ihr Licht stark auseinanderläuft, werden mehrere Einzelemitter elektrisch und optisch zusammengefasst. Ein Barren ist ein streifenförmiger Chip mit gewöhnlich 10–20 nebeneinanderliegenden Einzelemittern. Diese werden elektrisch parallel betrieben und auf einer Wärmesenke montiert. Ein solcher Aufbau wird auch als Submount bezeichnet.

Typische Werte eines Barrens sind:

• Betriebsstrom: 30 A bis 100 A im Dauerbetrieb, etwa 150 A im gepulsten Betrieb • Schwellenstrom: 3,5 A bis 15 A • optische Ausgangsleistung: bis 90 W im Dauerbetrieb • typische Wellenlängen: 808 bis 980 nm • Spannung: etwa 2 V

Jeder Einzelemitter erzeugt einen eigenen Strahl. Dessen Abstrahlwinkel beträgt in der sogenannten Fast Axis etwa 40° und in der Slow Axis etwa 12°. Die Fast Axis besitzt die höchstmögliche, beugungsbegrenzte Strahlqualität; die Slow Axis hat dagegen eine relativ schlechte Strahlqualität. Zur Kombination werden die Strahlen zunächst entlang der Fast Axis mit einer mikrooptischen Zylinderlinse kollimiert, anschließend geometrisch gedreht und nebeneinander angeordnet und zuletzt entlang der Slow Axis kollimiert. Das Ergebnis besteht weiterhin aus mehreren Einzelstrahlen und besitzt eine deutlich schlechtere Strahlqualität als andere Laser gleicher Leistung.

Barren werden als offene Submounts oder als hermetisch verschlossene Laser angeboten, teilweise mit fest montiertem Lichtleitkabel oder einem Anschluss für Lichtwellenleiter, beispielsweise einer F-SMA-Buchse. Sie dienen unter anderem zum Metall- und Kunststoffschweißen, selektiven Härten, Weich- und Hartlöten, Auftragschweißen sowie zum Pumpen von Festkörperlasern, besonders von Faserlasern.

Mehrere Barren lassen sich zu Stapeln beziehungsweise Stacks verbinden. Dabei sind die Barren elektrisch in Reihe geschaltet und ihre Strahlen optisch kombiniert. Solche Stapel erzeugen 0,5–1 kW optische Leistung. Wegen der hohen Packungs- und Leistungsflussdichte müssen ihre Submounts mit wassergekühlten Mikrokanal-Wärmesenken gekühlt werden. Auch diese Systeme werden beispielsweise zum Pumpen von Festkörperlasern verwendet.

Für Multikilowatt-Diodenlaser werden die lineare Polarisation und unterschiedliche Wellenlängen mehrerer Stapel genutzt. Dichroitische Spiegel trennen oder kombinieren Licht abhängig von der Wellenlänge; polarisationsabhängige Spiegel tun dies abhängig von der Polarisationsrichtung. So können beispielsweise vier Stapel mit zwei verschiedenen Wellenlängen, jeweils orthogonal zueinander montiert, theoretisch ohne Qualitäts- und Leistungsverlust überlagert werden. Dadurch entstehen Quellen mit mehreren Kilowatt optischer Leistung und einem Wirkungsgrad von 20–30 %. Sie werden zum Metallschweißen, Härten, Umschmelzen und Pulverauftrag eingesetzt.

Externe Resonatoren und Wellenlängensteuerung

Ohne zusätzliche Maßnahmen besitzt das Licht einer Laserdiode eine Linienbreite von einigen MHz; außerdem hängt die Lage des Intensitätsmaximums von Temperatur und Strom ab. Eine wellenlängenselektive Rückkopplung kann die Linienbreite stark verringern und die Emission stabilisieren. Wird vor allem eine einzige Frequenz in die Diode zurückgeführt, lässt sich die Wellenlänge festlegen, weil dadurch die vom kurzen Kristall und seinen Eigenschaften bestimmte Konkurrenz zwischen longitudinalen Moden ausgeschaltet wird. Ein Aufbau mit solchen frequenzselektiven Elementen heißt Diodenlaser mit externem Resonator, kurz ECDL.

Manche gekapselten Laserdioden enthalten bereits ein Faser-Bragg-Gitter. Es ermöglicht eine temperaturunabhängige, schmalbandige Emission. Solche Laserdioden können als Seedlaser dienen, also als schmalbandige Ausgangslichtquelle für einen Faserlaser. Wegen ihrer geringen Linienbreite und guten Verstimmbarkeit werden ECDL bevorzugt in der Spektroskopie eingesetzt.

Beim Littrow-Aufbau wird der austretende Strahl kollimiert und auf ein Beugungsgitter mit hoher Strichzahl gerichtet. Die erste Beugungsordnung wird in die Diode zurückreflektiert, während die nullte Beugungsordnung den Nutzstrahl bildet. Die rückwärtige Facette der Diode und das Gitter bilden gemeinsam den Resonator. Durch Drehen des Gitters, beispielsweise mit einem Piezo-Aktor, lässt sich die Laserwellenlänge verändern.

Beim Littmann-Aufbau wird die erste Beugungsordnung zunächst auf einen Spiegel geleitet. Dieser reflektiert das Licht über das Gitter zurück in die Diode. Zur Verstimmung wird nicht das Gitter, sondern der Spiegel gedreht. Die Anordnung ist komplexer, verhindert aber, dass sich beim Verändern der Wellenlänge auch die Richtung des ausgekoppelten Strahls ändert.

Vor- und Nachteile

Zu den Vorteilen von Diodenlasern gehören ihre sehr kompakte Bauweise, die einfache Energiezufuhr durch elektrischen Strom und ein vergleichsweise hoher elektrisch-optischer Wirkungsgrad von 25 bis über 50 %. Gegenüber lampengepumpten Lasern besitzen sie lange Wartungsintervalle. Ihre Strahlung kann in Lichtleitkabel eingekoppelt und darin transportiert werden. Die Lebensdauer beträgt teilweise mehr als 30.000 Stunden. Bei Betrieb mit Nennstrom ist die Leistungsabnahme sehr gering und liegt deutlich unter 1 % pro 1000 Stunden.

Nachteilig ist vor allem die gegenüber anderen Lasern schlechtere Strahlqualität, besonders bei hohen Leistungen. Diodenlaser sind deshalb kaum zum Schneiden und nur eingeschränkt zum Lasertiefschweißen von Metallen geeignet. Ohne passende Korrekturoptik tritt außerdem eine starke Strahldivergenz auf, das Licht breitet sich also mit großem Winkel aus. Ein weiterer Nachteil sind die Kosten: Laserdioden, ihre Montage auf Wärmesenken und die genaue Justierung der Mikrooptiken stellen weiterhin einen hohen Kostenfaktor des Gesamtsystems dar.