Überblick

An der Schwelle zum Laser

Genaue Messungen der Photonenstatistik erlauben es, eine Lichtquelle zu charakterisieren.

  • Marc Aßmann
  • 01 / 2017 Seite: 37

In den letzten Jahrzehnten haben Laser solch eine weite Verbreitung gefunden, dass man annehmen sollte, die Unterscheidung von Laserlicht und anderen Lichtquellen sei inzwischen ein triviales Standardproblem. Doch die ultrakurzen Zeitskalen, auf denen sich die Laserprozesse in modernen Halbleiterlasern abspielen, benötigen Detektivarbeit und modernste experimentelle Techniken, um das Lasen erfolgreich nachweisen zu können.

Ob im Laserdrucker, Blu-ray-Player oder als Element in der Glasfaserkommunikation: Halbleiterlichtquellen auf Basis von Heterostrukturen haben längst Einzug in unseren Alltag gehalten. Die weitreichende Bedeutung dieser Bauteile für die moderne Optoelektronik lässt sich auch an den Nobelpreisen ablesen, die es für Entwicklungen in diesem Bereich gab: Zhores Ivanovich Alferov und Herbert Krömer haben ihn für ihre bahnbrechenden Arbeiten zu Halbleiterheterostrukturen erhalten, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura für die Entwicklung blauer Leuchtdioden.

ie Anforderungen an moderne Halbleiterlichtquellen sind vielfältig: Schnell modulierbar sollen sie sein, wenig Energie verbrauchen und möglichst klein sein, ein gutes Strahlprofil und gute Kohärenzeigenschaften aufweisen. Im Idealfall sollten sich viele Bauelemente parallel auf einem Wafer prozessieren und testen lassen, um Geld zu sparen. Speziell so genannte VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) mit Quantenpunkten als aktivem Medium eignen sich als oberflächenemittierende Laserdioden hervorragend für praktische Anwendungen [1]. In der Tat geht bei solchen Laserdioden geringer Energieverbrauch mit einer miniaturisierten Bauweise einher. Mittlerweile sind hocheffiziente Halbleiterdioden eine Größenordnung dünner als ein menschliches Haar.

Das Design einer optimalen Laserstruktur ist aller­dings ein Balanceakt. Neben offensichtlichen Eigenschaften wie der Laserwellenlänge müssen auch Energieverbrauch, Strahlprofil und Kohärenzeigenschaften zum jeweiligen Verwendungszweck passen. Für ein möglichst effizientes Design wird ein Laser oft knapp über der Laserschwelle betrieben. Die Effizienz lässt sich mit Hilfe einer einfachen Kenngröße, dem so genannten β-Faktor, quantifizieren. Er gibt an, wie groß unterhalb der Laserschwelle die spontane Emission in die Lasermode im Vergleich zur Summe aller Rekombinationsmöglichkeiten ist [2], also welcher Teil der erzeugten Anregungen tatsächlich zum Start des Laservorgangs beiträgt. Für den schwellenlosen Laser gilt: β = 1. ...

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