Forschung: Neuer Halbleiterlaser schneidet Metall
Eigentlich haben Halbleiterlaser viele Vorteile: Die sind klein, robust, effizient und günstig herzustellen. Für viele Anwendungen reichte allerdings die Leistungsdichte bislang nicht aus. Bereits 1999 wurde an der Universität von Kyoto eine Forschergruppe gegründet(öffnet im neuen Fenster), die an einer Lösung arbeiten sollte. Mit einem 50-Watt-Halbleiterlaser hat die Gruppe um Susumu Noda jetzt einen bedeutenden Schritt geschafft, wie IEEE Spectrum berichtet(öffnet im neuen Fenster).
Sogenannte Oberflächenemitter(öffnet im neuen Fenster) (Surface-Emitting Laser) sind die Grundlage der von Nodas Gruppe PCSEL (für Photonic Crystal Surface-Emitting Laser) genannten Laserdioden. Grundsätzlich haben sie das Problem, dass deren Strahlung nicht in einem perfekten Winkel von 180° austritt. Verstärkt wird es, je größer der aktive Bereich der Diode wird, um eine höhere Ausgangsleistung zu erreichen.
So entstehen optische Moden, stehende Wellen, die dazu führen, dass im bereits schlecht fokussierten Laserpunkt die auftreffende Leistung ungleich verteilt ist und ein breites Spektrum aufweist.
Lochgitter als Filter
Die Forscher lösen diese Probleme, indem sie zwischen aktiver Schicht und dem Bragg-Spiegel(öffnet im neuen Fenster) der Diode einen photonischen Kristall einbauen. Dabei handelt es sich um eine speziell entworfene Gitterstruktur mit elliptischen Hohlräumen im Nanometerbereich, die nur die Hauptmode passieren kann. Andere Moden werden reflektiert und löschen sich durch destruktive Interferenz aus. Das Gitter ist so ausgelegt, dass es auch die Änderung des Brechungsindex des Halbleitermaterials aufgrund der Erwärmung im Betrieb kompensiert.
Die höchste Strahlqualität erreicht der PCSEL daher nur, wenn er mit der maximalen Leistung von 50 W betrieben wird. Das aktuelle Modul mit einem Durchmesser von 3 mm benötigt dafür einen Strom von 110 Ampere. Die Forschergruppe hat auch bereits ein neues Ziel: Mit einer 10-mm-Diode soll 1 kW Laserleistung erreicht werden, ebenfalls mit photonischem Kristall.
Breites Anwendungsfeld
Das Schneiden und die Bearbeitung von Metall sind nur die spektakulärsten Anwendungen, die mithilfe photonischer Kristalle möglich werden. Daneben sieht Nodas Forschungsgruppe Möglichkeiten noch in vielen anderen Bereichen: Bei der Datenübertragung ließen sich mit höherer Laserleistung größere Strecken überbrücken, leistungsfähige Lidars (Light Detection and Ranging) könnten ohne aufwendige Optik auskommen.
Details zum Entwurf und zur Herstellung des Lasers sind in einer Veröffentlichung der Gruppe(öffnet im neuen Fenster) im Magazin Nature zu finden.
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