Weißer Laser aus einem Guss

  • 30. July 2015

Strukturierte Halbleiterschicht strahlt mit drei Farben.

Einen Halbleiterlaser, der gleichzeitig rotes, grünes und blaues Licht abstrahlt, haben Forscher der Arizona State University in Tempe entwickelt. Bei der richtigen Farbmischung gibt dieser Laser weißes Licht ab. Allgemein zeichnen sich Laser dadurch aus, dass sie intensives einfarbiges Licht mit einer eng umgrenzten Wellenlänge abstrahlen können. „Weißes Laserlicht“, das einen großen Wellen­längen­bereich umfasst, scheint daher ein Widerspruch in sich zu sein. Doch solches Licht lässt sich erzeugen, indem man rotes, grünes und blaues Laserlicht von abgestimmter Intensität überlagert.

Abb.: Die schwach gepumpte Halbleiter­schicht zeigt einen roten, grünen und blauen Streifen, Balkenlänge 20 Mikrometer. (Bild: F. Fan et al.)

Abb.: Die schwach gepumpte Halbleiterschicht zeigt einen roten, grünen und blauen Streifen, Balkenlänge 20 Mikrometer. (Bild: F. Fan et al.)

Für weißes oder mehrfarbiges Laserlicht gibt es großen Bedarf, etwa zur Beleuchtung und zur Abbildung sowie zur Detektion in der Biologie und in der Chemie. Für diese Anwendungen wünscht man sich einen möglichst kompakten weißen Laser, der wie eine Weißlicht-LED monolithisch und aus einem Guss ist, und sich in opto-elektronische Schaltkreise integrieren lässt.

Solch einen weißen Laser haben jetzt Cun-Zheng Ning und seine Kollegen entwickelt. Dazu mussten sie eine Reihe von Schwierigkeiten überwinden. Vor zwei Jahren hatten die Forscher einen Nanodraht aus zwei Segmenten hergestellt. Die Segmente bestanden aus CdSSe-Legierungen mit unterschiedlichem Schwefelgehalt, die unter kurzwelligem Licht rot bzw. grün leuchteten. Wurden die beiden Segmente unabhängig voneinander optisch gepumpt, so gab der Draht Laserlicht ab, dessen Farbe sich anhand der Pumplicht­intensitäten zwischen Rot und Grün variieren ließ.

Blaues Licht lässt sich zwar mit einem Segment aus einer ZnCdSSe-Legierung erzeugen. Doch im Draht wäre dieses kurzwellige Licht von den rot und grün leuchtenden Segmenten so stark absorbiert worden, dass kein blaues Laserlicht hätte entstehen können. Deshalb hatten die Forscher auch mit flächigen Halb­leiter­schichten experimentiert, bei denen rotes und grünes Licht von neben­einander liegenden, unterschiedlich dotierten Bereichen parallel abgestrahlt wurde.

Abb.: Der weiße Laser deckt auf der Normfarbtafel einen großen Bereich (gestrichelt) ab. Weiße Kreise markieren die beobachte Laserstrahlung, darunter auch weißes Licht nahe dem Normlicht D65. (Bild: F. Fan et al.)

Abb.: Der weiße Laser deckt auf der Normfarbtafel einen großen Bereich (gestrichelt) ab. Weiße Kreise markieren die beobachte Laserstrahlung, darunter auch weißes Licht nahe dem Normlicht D65. (Bild: F. Fan et al.)

Doch mit dem gängigen Verfahren der chemischen Gasphasen­abscheidung wollte es ihnen zunächst nicht gelingen, auch blau leuchtende Bereiche herzustellen, da die verwendete ZnCdSSe-Legierung immer nur lineare, nanodrahtartige Strukturen bildete. Mit einem cleveren Trick haben die Forscher dieses Problem nun gelöst. Durch chemische Gasphasen­abscheidung haben sie zunächst eine rote Schicht aus CdSSe hergestellt. Dann haben sie dieser Schicht Zinkatome zugeführt, die die Cadmium­atome teilweise ersetzten, ohne dass sich dabei die Kristallstruktur der Schicht änderte. Durch diesen Austausch entstand eine blaue Schicht aus ZnCdSSe. Schließlich wurden dieser Schicht noch ein roter und ein grüner Streifen aus CdSSe hinzugefügt.

Als die Forscher die rot-grün-blaue Halbleiterschicht mit einem gepulsten UV-Laser pumpten und dessen Intensität stetig erhöhten, wurde sie zum Laser. Zuerst entstand rote Laserstrahlung bei 642 Nanometer und 675 Nanometer, dann kam grüne (530 Nanometer) hinzu und schließlich blaue (484 Nanometer). Der aufgespannte Wellen­längen­bereich betrug somit 191 Nanometer. Wurde jeder Streifen der Halbleiter­schicht einzeln durch einen UV-Strahl gepumpt, so konnten die Intensitäten der drei Laserstrahlen unabhängig voneinander verändert werden.

Ning und seine Kollegen zeigten, dass sie mit ihrem dreifarbigen Laser einen großen Bereich der Normfarbtafel abdecken können. Sie erzeugten rot-grünes (gelb), rot-blaues (magenta), grün-blaues (zyan) und schließlich rot-grün-blaues Laserlicht, das bei der richtigen Farbmischung weiß erschien. Dieses vielfarbige Laserlicht könnte man für Displays verwenden, die sich durch einen extrem großen Kontrast und eine unerreichte hohe Farb­sättigung auszeichnen.

Rainer Scharf

DE

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