Fachbereichsarbeit Physik

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1 Fachbereichsarbeit Physik DerHalbleiterlaser HeimoStranner

2 Prinzip - Aufbau - Anwendungen Vorgelegt bei Prof. Rittchen Spittal/Drau,

3 Inhaltsverzeichnis 1 Vorwort 3 2 Einleitung 4 3 Das Licht Welle-Teilchen-Dualismus Das Doppelspaltexperiment Äußerer Photoelektrischer Effekt Aufklärung durch die Quantenphysik Kohärenz Emission Spontane Emission Induzierte (Stimulierte) Emission Die Entstehung des Lasers Der Maser Der erste Laser Besetzungsinversion 15 6 Aufbau des Lasers Pumpquelle Lasermedium Rückkopplungsanordnung Halbleiter Dotieren von Halbleitern

4 7.1.1 n-dotierung p-dotierung p-n Übergänge Ohne Spannung Strom in Sperrrichtung Strom in Durchlassrichtung LED Halbleiterlaser Erste Entwicklungen Aufbau Anwendungen des Halbleiterlasers Glasfaserkabel Entstehung Totalreflexion Aufbau der Glasfaser Digitale Datenübertragung Optische Speichermedien CD (Compact Disc) DVD (Digital Video Disc / Digital Versatile Disc) Blu-ray Disc Laserpointer Abstands-/Geschwindigkeitsmessung Laserdrucker Laserklassen Zusammenfassung Quellenangabe Abbildungsverzeichnis Protokoll 52 2

5 Kapitel 1 Vorwort Seit meiner frühesten Kindheit bin ich von den Naturwissenschaften und besonders der Physik begeistert, da ich immer schon wissen wollte wie all die Dinge um mich herum funktionieren. Gerne experimentierte ich beispielsweise mit Laserpointern, was sicher manchmal nicht gerade das sicherste Spielzeug für Volksschüler gewesen sein mag. Dennoch erkannte ich schnell Grundlagen (wenn vielleicht auch nicht in diesen Worten) wie, dass der Eintrittswinkel dem Austrittswinkel bei einer Reflexion entspricht. Halbleiterlaser üben eine spezielle Faszination auf mich aus, da sie extrem vielseitig einsetzbar und dennoch sehr billig in der Herstellung sind. Auch mit Elektronik und Halbleitern habe ich mich bereits befasst. Ich besitze mehrere Experimentierkästen zu diesem Thema. Das Ziel dieser Arbeit ist für mich, einen Überblick über den Halbleiterlaser, seinen Aufbau, seine Anwendungen und die damit verbundenen technischen Grundlagen zu vermitteln. 3

6 Kapitel 2 Einleitung Von vielen Menschen wird das 21. Jahrhundert als Informationszeitalter gefeiert. Dazu gehört die unkomplizierte und schnelle Kommunikation über weite Entfernungen hinweg. Ein großer Teil dieser Kommunikation läuft heute über das Internet ab, welches als "Layer 1" 1 besonders für längere Strecken häufig Lichtwellenleiter oder auch Glasfaserkabel verwendet. Diese werden immer in Gemeinschaft mit einem Laser betrieben. Auch eine Vielzahl von anderen elektronischen Geräten setzt Laser, und hier besonders Halbleiterlaser ein, da diese einfach und somit günstig herzustellen sind und sich sehr schnell ein- und ausschalten lassen. Sehr starke Laser werden von der Industrie zur Materialverarbeitung eingesetzt. In dieser Arbeit beschäftige ich mich zunächst mit Grundlagen des Lichtes, der Entstehung des Lasers und der Besetzungsinversion. Anschließend erkläre ich den Aufbau von allgemeinen Lasern, um dann auf Halbleiter und den Aufbau von Halbleiterlasern noch näher einzugehen. Des Weiteren folgt eine Beschreibung der verschiedenen Anwendungen von Halbleiterlasern. 1 OSI-Modell - stellt ein Schichtenmodell für Kommunikationsprotokolle in Rechnernetzen dar 4

7 Kapitel 3 Das Licht Jener Teil, welcher für den Menschen sichtbar ist, wird als Licht bezeichnet. Dies entspricht einer Wellenlänge von 380 bis 780 Nanometern. Weißes Licht setzt sich aus dem gesamten Spektrum zusammen. Abbildung 3.1: Das Elektromagnetische Spektrum 3.1 Welle-Teilchen-Dualismus Bei der Betrachtung von Licht wird unterschieden, ob man Licht als (Transversal)Welle 1 oder als Teilchen auffasst. In der Geometrischen Optik, mit der man die Brechung und Reflexion an verschiedenen Spiegeln, Linsen und Prismen einfach nachvollziehen kann, geht man von Strahlen beziehungsweise Teilchen aus, während man Interferenzerscheinungen nur mit den Welleneigenschaften des Lichts erklären kann. 1 Bei einer Transversalwelle schwingt die Welle quer zur Richtung in die sie sich ausbreitet. 5

8 Abbildung 3.2: Transversal-Welle Abbildung 3.3: Doppelspaltexperiment - x ist der Abstand zwischen dem primären und sekundären Maximum Das Doppelspaltexperiment Dieses Experiment spricht eindeutig für die Welleneigenschaften des Lichts. Es wurde 1802 von Thomas Young erstmals durchgeführt. Hierbei wird auf zwei sehr nahe, nebeneinander befindliche Spalten einfärbiges Licht abgestrahlt. Dahinter befindet sich ein Schirm, auf den das Licht projiziert wird. Da die Spalten dabei wie einzelne Lichtquellen wirken, können die Lichtwellen, die durch sie hindurchtreten interferieren und es entstehen Stellen auf dem Schirm, an denen sie sich auslöschen, und andere, bei denen sie sich verstärken. Die Lichtwellen müssen lang genug sein, damit sich nicht zwei gleichzeitig von der Lichtquelle ausgesendete Wellen durch den Wegunterschied, der durch die Spalte ausgelöst wird, verpassen. Sie müssen 6

9 Halbleiterlaser beim Auftreten auf den Schirm nämlich interferieren können. Dabei gilt folgendes: d x (3.1) α = α (3.2) x = tan α sin α d s sin α = a x s = d a Abbildung 3.4: Interferenzmuster Abbildung 3.5: Kein Interferenzmuster bei inkohärentem Licht 7 (3.3) (3.4) (3.5)

10 Abbildung 3.6: Interferenzmuster bei kohärentem Licht, stellt die Wahrscheinlichkeit des Auftreffens dar Mit Hilfe des Doppelspaltexperiments lässt sich auch die Wellenlänge des verwendeten Lichts ermitteln. Dazu bestimmt man im Bild zum Doppelspaltexperiment die Länge "x", jene Strecke zwischen den Stellen, an der sich die beiden aus den Spalten kommenden Wellen verstärken (die Stelle in der Mitte und die unmittelbar darüber). Am Punkt P verstärken sich die Wellen ebenso wie am Punkt Q. Beim Punkt P muss die untere Lichtwelle jedoch einen um s längeren Weg zurücklegen. Dieser Weg entspricht in unserem Fall genau dem der Wellenlänge des verwendeten Lichts. Diese kann man daher simpel ausrechnen: x d = s a λ = s = x a d (3.6) (3.7) 8

11 3.1.2 Äußerer Photoelektrischer Effekt Wenn eine metallische Oberfläche mit kurzwelligem Licht (UV - Licht) bestrahlt wird, treten Elektronen aus dem Metall aus. Die Anzahl der emittierten Elektronen wächst mit der Intensität des eingestrahlten Lichts. Abbildung 3.7: Photoelektrischer Effekt Betrachtet man Licht als Welle, so teilt sich eine große Anzahl von Elektronen die Energie der Welle. Durch das durch die Welle erzeugte elektromagnetische Feld würden die Elektronen angeregt und beschleunigt. Nach einiger Zeit würde die Beschleunigung ausreichen, um die Bindungskräfte an den Atomkernen zu übertreffen und die Elektronen könnten erst dann austreten. Sowohl die Anzahl der Elektronen, als auch deren kinetische Energie sollte so mit der Zunahme der Lichtintensität steigen. Ebenso sollte der Austritt der Elektronen bei starker Lichtintensität früher anfangen als bei schwacher. Es entstehen jedoch Widersprüche mit in Experimenten ermittelten Daten. Unterhalb einer Frequenz (ν 0 ) werden gar keine Elektronen emittiert. Wird die Lichtintensität erhöht, so entweichen mehr Elektronen, diese sind aber nicht schneller, die kinetische Energie hängt also nur von der Frequenz (genauer: direkt proportional zu ν ν 0 ) ab. Weiters gibt es keine Zeitverzögerung bis Elektronen austreten, wie dies bei einer elektromagnetischen Welle der Fall sein sollte Aufklärung durch die Quantenphysik Mit Hilfe der Quantenphysik konnte man die verschiedenen Betrachtungsweisen vereinheitlichen und Licht als Teilchen beschreiben, die von einer Wellenfunktion bestimmt werden. Damit wurde auch der Widerspruch zwischen den Ergebnissen aus den Versu- 9

12 chen mit dem Doppelspalt und dem Photoelektrischen Effekt aufgelöst. Einstein nahm an, dass Licht in kleinen Paketen, den Photonen, quantisiert ist und somit nicht völlig gleichmäßig im Raum verteilt ist. Die Energie eines solchen Photons ist demnach E P hoton = hν = hc λ. Ebenso fand Einstein heraus, dass Licht aus einem Strom von Photonen besteht, dessen Energie von Metall, wenn das Photon auf es trifft, sofort aufgenommen werden kann. Wenn die Energie die Austrittsarbeit übertrifft, so tritt das Elektron aus. Überschüssige Energie des Photons behält das Elektron darauf hin als kinetische Energie. Somit gilt für diese: E Kin = hν W A 3.2 Kohärenz Von inkohärentem Licht spricht man, wenn die einzelnen Photonen nicht die exakt gleichen Eigenschaften haben. Hier werden Wellenzüge in zufälliger Folge unabhängig voneinander in verschiedene Richtungen abgegeben. Inkohärentes Licht wird von den meisten natürlichen und künstlichen Lichtquellen abgegeben. Dabei sind die Frequenz, Polarisationsebene (Schwingungsrichtung) und Phasenlage bei den einzelnen Wellen voneinander unabhängig und unterschiedlich. Dadurch wird eine Interferenz verhindert. Kohärentes Licht hingegen kann erzeugt werden, indem mehrere Teile des Lichts einer Lichtquelle, beispielsweise mit einem Strichgitter, aufgeteilt und dann überlagert werden, oder durch induzierte Emission ("siehe Kapitel Induzierte Emission"). 10

13 3.3 Emission Abbildung 3.8: Energieniveaus Laut der Quantentheorie können sich Elektronen dauerhaft nur auf bestimmten Energieniveaus befinden. Wie alle natürlichen Systeme streben die Elektronen, die sich um den Atomkern bewegen ein möglichst energiearmes Niveau an. Dieses Niveau nennt man den Grundzustand dieses Elektrons. Die höheren Energieniveaus sind angeregte Zustände. Im "Bild Energieniveaus" beispielsweise kann ein Elektron sich in zwei verschiedenen Anregungszuständen und dem Grundzustand befinden. Befindet es sich zunächst in E 1 und wechselt nach E 3, so wird die Energie E 3 E 1 = hν benötigt. Trifft ein Photon mit exakt jener Energie auf ein Elektron, welches nicht bereits angeregt ist, so wechselt dieses Elektron in das höhere Energieniveau. Der dann vollzogene Vorgang wird als Quantensprung bezeichnet Spontane Emission Nach einer kurzen Zeit fällt das Elektron wieder auf ein niedrigeres Energieniveau zurück und verbleibt wieder auf dem Grundniveau. Auf dieses kann das Elektron direkt, oder über verschiedene Zwischenniveaus (sofern sich zwischen dem angeregten Zustand 11

14 und dem Grundniveau noch mögliche Anregungszustände befinden) zurückkehren. Geschieht dieser Vorgang ohne äußere Einwirkung nur aufgrund des Strebens nach der niedrigsten Energie, so handelt es sich um eine spontane Emission. Die Differenz der Energie, die bei dem Wechsel auf das niedrigere Niveau eingespart wird, wird beim Quantensprung als elektromagnetische Welle mit genau jener Energie emittiert Induzierte (Stimulierte) Emission Trifft jedoch ein Photon auf ein Elektron, das sich bereits im angeregten Zustand befindet so wechselt das Elektron auf den niedrigeren Zustand. Das Photon muss jene Energie besitzen, die der Differenz der beiden Energieniveaus entspricht. Ein zweites, zum ersten kohärentes Photon, wird durch den Quantensprung emittiert. Abbildung 3.9: Induzierte Emission Albert Einstein erkannte dieses Phänomen als erstes und beschrieb es gelang Rudolf Ladenburg mit Hilfe von Gasentladungen der experimentelle Nachweis. 12

15 Kapitel 4 Die Entstehung des Lasers Nachdem bereits Anfang des 20. Jahrhunderts mit der Entdeckung der Stimulierten Emission die Grundlagen für die Entstehung des Lasers gegeben waren, dauerte es dennoch recht lange, nämlich bis 1953, bis die Stimulierte Emission, damals noch als MASER, sinnvoll eingesetzt werden konnte. 4.1 Der Maser Maser steht für "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Dieser ist technisch verwandt zum Laser und indirekt sein Vorgänger da auch der Maser induzierte Emission gezielt verwendet. Laser und Maser verwenden also dieselbe Basistechnologie, der Maser konnte aber früher entwickelt werden. Wie bei vielen Erfindungen weicht der anfänglich angedachte Nutzen von der Verwendung in der Praxis stark ab. Ursprünglich wollte das Team um Charles H. Townes 1953 einen möglichst rauscharmen Verstärker auf der Basis von Ammoniak bauen. Heute wird der Maser jedoch hauptsächlich in Atomuhren und Mikrowellenherden verwendet. 4.2 Der erste Laser Theodore Maiman stelle 1960 den ersten Laser aus einfachen bereits vorhandenen Materialien her. Es handelte sich um einen Rubinlaser, welche auch heutzutage noch verwendet werden. 13

16 Abbildung 4.1: Der erste Laser von Theodore Maiman Der Begriff Laser, der damals geprägt wurde ist eine Abkürzung für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", also für die Lichtverstärkung durch stimulierte Emission. 14

17 Kapitel 5 Besetzungsinversion Um einen funktionsfähigen Laser herzustellen, müssen durch eine Kettenreaktion viele induzierte Emissionen ausgelöst werden. Daher muss man eine Besetzungsinversion erreichen. Dies ist ein Zustand, in dem die meisten Elektronen sich im selben angeregten Zustand (siehe Kapitel Emission) befinden. Dies ist in der Praxis nur mit Materialien mit mindestens drei möglichen Energieniveaus der Elektronen möglich. Die Elektronen werden zunächst auf ein höheres Energieniveau durch Energiezufuhr von außen gebracht. Dieser Vorgang wird "Pumpen" genannt. Jenes Energieniveau ist jedoch sehr instabil und die Elektronen fallen sehr schnell durch spontane Emission auf ein niedrigeres Niveau (in Bild "Energieniveaus": E M ) zurück. Dieses Energieniveau ist nicht stabil, die Elektronen verbringen aber viel mehr Zeit in diesem als in E P. Wenn nun durch genügende Energiezufuhr von außen dafür gesorgt werden kann, dass sich Elek- Abbildung 5.1: Energieniveaus beim Laser 15

18 Abbildung 5.2: Besetzungsinversion tronen in E 0 kürzer aufhalten, als in E M, so werden sich nach kurzer Zeit fast alle Elektronen in E M befinden. Wenn nun ein Elektron in E M durch spontane Emission auf E L zurück fällt, so kann das frei gewordene Photon mit hoher Wahrscheinlichkeit (es befinden sich ja fast alle Elektronen in E M ) ein weiteres Photon zu Induzierter Emission anregen. Dadurch entstehen zwei kohärente Photonen, welche ihrerseits wieder weitere induzierte Emissionen auslösen können. Dieser Status, dass sich die meisten Elektronen im selben angeregten Zustand befinden, die Besetzungsinversion, ist also essentiell für das Funktionieren des Lasers, da sonst zu viele Photonen wieder absorbiert werden würden. Im Bild "Besetzungsinversion" wird das Prinzip des Lasers in der Praxis noch einmal erklärt. Die Elektronen werden durch das Pumpen in ein höheres Energieniveau gebracht und fallen auf einen metastabilen Zustand zurück, von welchem sie durch stimulierte Emission ausgehend Laserstrahlung aussenden. 16

19 Kapitel 6 Aufbau des Lasers Ein Laser besteht im Wesentlichen aus folgenden Bestandteilen: 6.1 Pumpquelle Bei der Pumpquelle handelt es sich um jene Energiequelle, welche die Besetzungsinversion des Lasermediums ermöglicht. Bei Gaslasern sind das elektrische Entladungen, bei Festkörperlasern Blitzlampen und bei Halbleiterlasern die Spannung, der das Lasermedium direkt ausgesetzt ist. Wenn die Pumpquelle genug Energie aufbringen kann, um die Besetzungsinversion aufrecht zu erhalten, kann der Laser im Dauerbetrieb verwendet werden. In diesem Falle kommt also ein gleichmäßiger Strahl aus dem Laser. Reicht diese Energie nicht aus, muss der Laser gepulst betrieben werden. Dies bedeutet, dass gezielt einzelne Lichtblitze abgegeben werden indem die Energie schubweise abgegeben wird. Abbildung 6.1: Bestandteile eines Lasers 17

20 6.2 Lasermedium Abbildung 6.2: Aufbau des Lasers Als Lasermedium eignen sich neben Halbleitermaterialien (hier besonders Galliumnitrid und Aluminiumgalliumarsenid), auf welche hier noch näher eingegangen werden soll, unter anderem auch (industriell hergestellter) Rubin und ein Gemisch aus Helium und Neon (hier werden die Neonatome durch das in Schwingung versetzte Helium gepumpt). Generell wird zwischen Gaslasern (meist durch elektrische Entladungen gepumpt), Chemischen Lasern, Farbstofflasern (durch einen anderen Laser betrieben), Metall- Dampf Lasern (elektrische Entladungen als Energiequelle), Festkörperlasern und Halbleiterlasern unterschieden. 18

21 6.3 Rückkopplungsanordnung Abbildung 6.3: Stehende Welle zwischen zwei Spiegeln Die Rückkopplungsanordnung sorgt dafür, dass eine Emission in die gewünschte Richtung mit Hilfe eines schwer durchlässigen Spiegels zum Großteil reflektiert wird. Lichtwellen die sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen, werden mit einem nicht durchlässigen Spiegel reflektiert, der vom anderen exakt ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der Photonen entfernt sein muss. Durch diese Entfernung der Spiegel entstehen zwischen diesen stehende Wellen, die dafür sorgen, dass die noch angeregten Elektronen auch bald getroffen werden, und nicht durch spontane Emission auf ein niedrigeres Niveau zurückgeholt werden. Nach einiger Zeit befinden sich so viele kohärente Photonen auf einer stehenden Welle zwischen den Spiegeln, dass jener kleine Prozentsatz der durch den nur schwach durchlässigen Spiegel entweicht gut sichtbar ist und als Laserstrahl wahrgenommen wird. Eine Emission, die weder in die gewünschte Richtung, noch in die entgegengesetzte, abgegeben wird ist unerwünscht, da sie die Besetzungsinversion stört und nichts zu dem Laserstrahl beiträgt. Um diesen Effekt gering zu halten ist der Bereich der Hülle um das Lasermedium, der nicht von den Spiegeln eingenommen wird, mit einer Licht absorbierenden Oberfläche versehen. Eine emittierte Lichtwelle die sich nicht parallel zu der gewünschten Richtung bewegt, kann sich nicht weit ausbreiten, da sie bald absorbiert wird. 19

22 Kapitel 7 Halbleiter Halbleiter sind Materialien, welche sowohl als elektrische Leiter als auch als Nichtleiter betrachtet werden können. Die elektrische Leitfähigkeit eines reinen Halbleiters hängt stark von der Temperatur ab. Beim absoluten Nullpunkt handelt es sich um einen Isolator, mit steigender Temperatur erhöht sich die Leitfähigkeit. Je nach Art des Halbleiters handelt es sich bei Raumtemperatur um einen Leiter oder einen Nichtleiter. Silizium ist das wohl wichtigste Halbleiterelement. Siliziumdioxid (SiO 2 ) kommt als Quarz oder Sand in der Natur ausgesprochen häufig vor. Daher handelt es sich um einen sehr billigen Rohstoff, der sich somit auch großer Beliebtheit erfreut. Weiters lässt sich Silizium, verglichen mit anderen Halbleitern, leicht dotieren (siehe Kapitel "Dotieren von Halbleitern") und kann durch Hinzufügen einer Oxidationsschicht in einen Isolator verwandelt werden. Abbildung 7.1: Silizium Germanium Wafer 20

23 7.1 Dotieren von Halbleitern Zunächst jedoch muss das Siliziumdioxid (reines Silizium kommt in der Natur nicht vor) in einkristalline Form gebracht werden, um es in der Mikroelektronik verwenden zu können. Dazu wird das Siliziumdioxid mit einer Reihe von chemischen Prozessen bearbeitet, bis der so genannte Wafer entstanden ist. Dies ist eine abgeschnittene Scheibe aus einem meist einkristallinen Silizium-Zylinder. Dieser Wafer wird dann als Grundplatte (Substrat) für mikroelektronische Bauelemente verwendet. Silizium, das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial, verfügt über vier Außenelektronen. Diese Siliziumatome binden sich mit je einem Elektron mit einem der vier Nachbarn. Dadurch sind keine Elektronen frei verfügbar und es entsteht ein schlechter Leiter. Seine Leitfähigkeit kann jedoch gezielt erhöht werden. Dazu werden Fremdatome mit drei oder fünf Valenzelektronen in die Gitterstruktur eingebaut n-dotierung Abbildung 7.2: n-dotierung mit Phosphor Bei dieser Art der Dotierung werden Fremdatome mit fünf Valenzelektronen in das Silizium Gitter eingebracht. Häufig wird dafür Phosphor, aber auch Arsen und Antimon verwendet. Dies hat zur Folge, dass sich ein zusätzliches, nicht so stark gebundenes Elektron im Atomgitter befindet. Jenes verstärkt dann die elektrische Leitfähigkeit, denn es kann sich, wenn Spannung angelegt wird, bewegen. 21

24 7.1.2 p-dotierung Abbildung 7.3: p-dotierung mit Bor Hierbei handelt es sich um das Gegenteil zur n-dotierung. Dabei werden einzelne Atome eines Elements mit drei Valenzelektronen, wie Bor, Aluminium oder Indium, in das Gitter eingebracht. Es entsteht dadurch ein "Elektronenloch", also praktisch ein fehlendes Elektron. Somit kann ein benachbartes Elektron in die Lücke wechseln und die elektrische Leitfähigkeit wird stark erhöht. 7.2 p-n Übergänge Werden p-dotierte und n-dotierte Schichten nebeneinander unterbrechungsfrei angebracht, so spricht man von einem p-n Übergang. Ein einfacher p-n Übergang, zwischen nur zwei unterschiedlich dotierten Schichten, ist eine Diode. Dioden lassen Strom nur in eine Richtung durch. Legt man Spannung entgegen dieser Richtung an, so wirkt die Diode als Isolator Ohne Spannung Wird an einen p-n Übergang keine Spannung angelegt, so wandern Elektronen von der n-dotierten Schicht (n-kristall) zu den Elektronenlöchern in der p-dotierten Schicht (p-kristall). In der Nähe des Übergangs auf der p-dotierten Schicht entsteht somit eine negative Ladung, da die Elektronenlöcher fehlen, aber sich hier immer noch Atomkerne von Bor oder ähnlichem befinden. 22

25 Auf der Seite des n-kristalls entsteht gleichzeitig aber auch eine positive Ladung, da die Atomkerne von Phosphor hier sind, die überschüssigen Valenzelektronen aber nicht mehr. Abbildung 7.4: p-n Übergang Verarmungszone Durch diesen Vorgang entsteht eine Spannung zwischen den unterschiedlich dotierten Schichten, welche einer weiteren solchen Rekombination entgegenwirkt. Somit stoppt diese. Die Zone, in der somit keine freien Ladungsträger mehr vorhanden sind, nennt man Verarmungszone Strom in Sperrrichtung Wird an den n-kristall positive Spannung und an den p-kristall somit negative Spannung angelegt, so ist die Diode in Sperrrichtung gepolt. 23

26 Abbildung 7.5: Diode in Sperrrichtung gepolt Diese angelegte Spannung vergrößert die Verarmungszone, da die noch freien Elektronen im n-kristall an den positiven Pol der Spannungsquelle gesogen werden. Ebenso werden einige Elektronenlöcher im p-kristall durch Elektronen vom negativen Pol der Spannungsquelle gefüllt. Die Verarmungszone wächst und diese stellt somit einen Isolator dar, da sich in ihr keine freien Ladungsträger befinden. Es findet kein Stromfluss statt Strom in Durchlassrichtung Abbildung 7.6: Diode in Durchlassrichtung gepolt 24

27 Wird am n-dotierten Abschnitt negative und am p-dotierten positive Spannung angelegt, so wirkt diese Spannung der Verarmungszone entgegen, da der dortige Mangel von Elektronen am n-kristall durch Elektronen vom Minus-Pol gedeckt werden kann. Ebenso wird der Überschuss von Elektronen in der Verarmungszone des p-kristalls durch den Plus-Pol abgeführt. Somit verschwindet die Verarmungszone, welche einen Isolator dargestellt hatte und die Diode ist ein Leiter. 7.3 LED Abbildung 7.7: Schaltbild einer Leuchtdiode Leuchtdioden (Light Emitting Diode) oder auch LEDs sind Halbleiter Bauelemente. Sie funktionieren wie eine Diode, lassen Strom also nur in eine Richtung durch. Ist die LED in Durchlassrichtung gepolt, so strahlt sie Licht aus. Die Energie dafür wird aufgewandt, wenn die Elektronen von der n-dotierten Schicht auf die p-dotierte wechseln und dort mit den Elektronenlöchern rekombinieren. Leuchtdioden haben den großen Vorteil gegenüber Glühlampen als Lichtquelle, dass sie keine Wärme abstrahlen, und daher sehr viel energieeffizienter sind. Weiters strahlen sie fast einfarbiges Licht ab, wodurch sie sehr gut sichtbar sind und sich als Signallicht hervorragend eignen. Dieses einfarbige Licht stellt jedoch auch einen Nachteil dar. Es konnte lange Zeit ohne großen Aufwand, oder Verwendung mehrerer Leuchtdioden, kein angenehmes natürliches Licht erzielt werden, welches das ganze Spektrum enthält. Seit einigen Jahren ist es nun aber bereits möglich mit Hilfe von Leuchtdioden auch größere Räume effektiv und energiesparend zu beleuchten. 25

28 Kapitel 8 Halbleiterlaser Abbildung 8.1: Eine Laserdiode Als Material für die Herstellung von Halbleiterlasern werden unter anderem häufig GaAs (Galliumarsenid), AlGaAs (Aluminium-Galliumarsenid), GaP (Galliumphosphid) und InGaP (Indium-Galliumphosphid) verwendet. 8.1 Erste Entwicklungen 1962 entwickelte Robert Hall als erster einen elektrisch betriebenen Halbleiterlaser basierend auf dem Material Galliumarsenid. Sein Laser konnte jedoch nur unter extrem tiefen Temperaturen betrieben werden und hatte auch dann nur eine ausgesprochen 26

29 Abbildung 8.2: Prinzip Laser Diode schwache Leuchtkraft. Aufgrund dieser Einschränkungen war der Halbleiterlaser zunächst kein brauchbarer Ersatz für die teuren Gaslaser. Weiters arbeiteten diese Laser nur im gepulsten Betrieb, die Laserstrahlung wurde also nur in einzelnen Blitzen abgegeben, da noch nicht genügend Energie verfügbar war um die ineffizienten Laser dauerhaft zu betreiben. Es dauerte bis 1970, als Teams vom Ioffe Physico-Technical Institute und von den Bell Laboratories unabhängig Laserdioden entwickelten, die bei Zimmertemperatur betrieben werden konnte. Dazu verwendeten sie Galliumarsenid eingeschlossen in Aluminium-Galliumarsenid. Somit wurde ein Halbleitermaterial mit einer geringeren Bandlücke (siehe Aufbau) zwischen ein anderes mit einer größeren Bandlücke eingearbeitet. Dies führte zu einer erheblichen Steigerung der Effizienz bei nicht gleich stark ansteigendem Bedarf nach Kühlung. Diese Anordnung bezeichnet man als Sandwich Anordnung oder auch Heterostrukturen. 8.2 Aufbau Am Übergang zwischen einer stark p-dotierten und einer stark n-dotierten Schicht (siehe Bild "Rekombination" ) befindet sich die so genannte aktive Zone, auch Re- 27

30 Abbildung 8.3: Rekombination kombinationszone genannt. In dieser verbinden sich im Halbleiter freie Elektronen mit Elektronenlöchern. Dabei wechseln die Elektronen zurück ins Valenzband, welches das niedrigste erreichbare Energieniveau darstellt. In diesem Fall wird Energie in Form von Photonen frei. (siehe Bilder "Prinzip Laser Diode und "Rekombination"). Bei diesem Vorgang handelt es sich um eine Rekombination im Sinne der Halbleiter und es entsteht eine Verarmungszone. Es ist aber zunächst eine spontane Emission. Da das Halbleitermaterial als Kristall aufgebaut ist, und sich die Atome daher sehr eng beieinander befinden, beeinflussen sich die Atomhüllen relativ stark. Weiters gibt es bei kristallinen Atomaufbauten Gitterschwingungen. Es gibt somit keine einzelnen exakt definierten Energieniveaus, sondern unterschiedlich breite Energiebänder (siehe Bild "Energiebänder"). Der Abstand zwischen den Bändern entspricht ungefähr der Photonenenergie. Somit ist über diesen auch die Wellenlänge und Frequenz bestimmt. Die Photonenenergie, die bei einer Interaktion mit den Elektronen also benötigt wird um das Band zu wechseln ist materialabhängig. Wird eine Spannung angelegt, die hoch genug ist, um die Verarmungszone wieder mit Elektronen beziehungsweise mit Löchern zu füllen, so wird der Laser gepumpt. Es können somit wieder Elektronen und Elektronenlöcher rekombinieren und dabei Photonen freisetzen. 28

31 Abbildung 8.4: Energiebänder Abbildung 8.5: Aufbau Halbleiterlaser 29

32 Abbildung 8.6: Vergleich von Homo- und Heterostrukturen Wird genügend Spannung angelegt, so kommt es zu Induzierter Emission. Es werden genügend Photonen über einen kurzen Zeitraum ausgesendet um eine Kettenreaktion am Laufen zu halten. Dies ist möglich, da die Photonen ja über genau jene Energie verfügen, die der Differenz der beiden Energieniveaus der Elektronen entspricht. Wenn ein Photon also auf ein Elektron auftrifft, so rekombiniert dieses sofort mit einem Elektronenloch und ein weiteres, zum ersten kohärentes, Photon wird frei, genau diese Energie wird ja dafür benötigt. Bei den meisten Materialien sind der nicht durchlässige und der schlecht durchlässige Spiegel als Rückkopplungsanordnung nötig, um genügend Photonen in der aktiven Zone zu halten, damit induzierte Emission stattfinden kann und sich eine stehende Welle bildet. Anstatt nur einer, kann man auch mehrere n- und p-dotierte Zonen in einer Diode rekombinieren lassen. Dazu müssen verschiedene Materialien verwendet werden, welche unterschiedliche Bandabstände haben. Jene p-n Übergänge mit den niedrigeren Bandabständen befinden sich in der Mitte und werden von anderen Materialien mit höheren Bandabständen umgeben. Es kommt somit zu mehreren aktiven Zonen. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass die Kühlung sehr viel einfacher ist, da sich die Stellen, an denen Hitze produziert wird weiter aufteilen. In Bild "Vergleich von Homo- und Heterostrukturen sind deren Unterschiede ersichtlich. Bei einem Laser, basierend auf ersterem, wechseln die Elektronen vom n- zum p- dotierten Leiter, schließen die Elektronenlöcher und strahlen die Photonen am Übergang ab. Bei Heterostrukturen unterscheidet man zwischen einfachen (Mitte) und 30

33 Abbildung 8.7: Laserdiode mit Photodiode mehrfachen Heterostrukturen (Rechts). Eine weitere Möglichkeit höhere Leistung zu erzielen ohne an die Grenzen der Kühlung zu stoßen, ist die Verwendung von "Barren statt einzelnen Laserdioden. Dabei handelt es sich um mehrere parallel geschaltete einzelne Dioden, die auch eine (zumindest passive) Kühlung benötigen. Um noch mehr Leistung zu ermöglichen, kann man mehrere Barren zusammenschließen. Dadurch werden Leistungen im Kilowattbereich erreicht. Die Leistung einer einzelnen Laserdiode liegt dabei meist unter einem Watt. Bei heutigen Laserdioden umfasst die aktive Zone etwa eine Dicke von 3nm, während die gesamte Diode mehrere hundert µm misst. Das Gehäuse ist wiederum um einiges größer, es ist häufig kleiner als ein Kubikmillimeter aber kann auch um einiges größer sein. Es ist unter anderem auch für die sehr wichtige Kühlung zuständig, denn wie jedes Halbleiterbauelement ist auch die Laserdiode empfindlich gegen Hitze, welche bei der Rekombination ebenfalls erzeugt wird. Der Leistungsgrad liegt nämlich nur in der Größenordnung von 50-60%. Die Effizienz ist durch den elektrischen Widerstand und spontane Emission an solche Werte gebunden. Die Kühlung erfolgt meist rein passiv über das umgebende Metall, auf welches die Diode gelötet wird. Bei größeren Lasern, welche häufig in Verbunden betrieben werden ist jedoch eine externe Kühlung nötig. Da Laserdioden, auch gegenüber hohen Spannungen, recht empfindlich sind und nicht überlastet werden dürfen, weil sie sonst funktionsunfähig werden, findet man sie oft zusammen mit einer Photodiode vor. Diese Photodiode überwacht die optische Leistung des Lasers und hilft so diese konstant und innerhalb der zulässigen Beschränkungen zu halten. Um diese Photodiode ebenfalls anzuschließen verfügen viele Gehäuse über drei Anschlüsse. 31

34 Kapitel 9 Anwendungen des Halbleiterlasers Ein Halbleiterlaser ist im niedrigen Leistungssegment grundsätzlich billiger als andere Lasertypen. Dies und seine geringe Größe haben ihm in letzter Zeit in verschiedenen Bereichen sehr wichtig gemacht. Er verfügt mit über 50% über einen, verglichen mit andern Lasern, recht hohen Wirkungsgrad. Weiters ist er auch schnell und einfach modulierbar, was die Verwendung in der Datenverarbeitung ermöglicht. Jedoch gibt es auch Nachteile. So ist es auch heute noch ein Problem, einen Halbleiterlaser zu entwickeln, der Licht emittiert, dessen Wellenlänge zwischen blau und rot liegt. Dies ist jedoch für die wissenschaftliche Anwendung weniger von Bedeutung, als dass die Strahlenqualität bei hohen Leistungen zu stark abnimmt. 9.1 Glasfaserkabel Ein großer Teil der heutigen Kommunikation und Datenübertragung findet über das Internet statt. Um über längere Distanzen Verbindungen aufbauen zu können, werden immer häufiger Glasfaserkabel oder auch Lichtwellenleiter anstatt klassische Kup- Abbildung 9.1: Glasfaserkabel 32

35 ferkabel verwendet. Die Übertragungsraten sind dadurch bis in den terabit/s-bereich angestiegen. Kupferkabel würden über längere Distanzen das zu übertragende Signal weit stärker dämpfen, als dies bei Glasfaserkabeln der Fall ist. Somit können Distanzen von mehreren hundert Kilometern ohne Probleme zurückgelegt werden. Ein weiterer Grund dafür ist, dass sich die einzelnen Lichtwellenleiter untereinander nicht durch elektromagnetische Felder stören können. Die Rohstoffe für das Quarzglas, aus dem der Großteil des Glasfaserkabels besteht, stehen mit Silizium und Sauerstoff fast unbegrenzt zur Verfügung, was man von Kupfer keineswegs sagen kann. Jedoch ist die Verlegung wesentlich aufwendiger da die Glasfasern wesentliche empfindlicher sind und nicht geknickt werden dürfen, da die einzelnen Lichtwellenleiterkerne sonst reißen könnten. Wenn die Leitung zudem in zu engen Kurven verlegt wird besteht die Gefahr, dass die Totalreflexion nicht mehr dafür sorgt, dass die Photonen reflektiert werden. Dann ist das Signal unbrauchbar oder stark gestört. Auch ist es nicht so einfach Messungen an der Glasfaser durchzuführen, um deren Funktionsfähigkeit im Falle von auftretenden Problemen zu testen. Dies impliziert aber auch eine bessere Abhörsicherheit, auf welche man sich aber dennoch nicht verlassen sollte. Lange Zeit konnten Glasfaserkabel nicht abgehört werden. Da es keine Induktion wie bei Kupferkabeln gibt ist unbemerktes Abhören auch sehr viel schwieriger. Dennoch kann man bei manchen Verstärkungsstationen wieder die elektromagnetische Abstrahlung messen. Man kann Lichtwellenleiter auch gerade so stark biegen, dass ein kleiner Teil des Lichts aus diesem austritt und man Informationen erhält. Dies ist jedoch mit hohem technischen Aufwand verbunden und ist häufig bemerkbar Entstehung John Tyndall hatte bereits 1870 die Grundidee des Lichtwellenleiters verstanden. Er versuchte Licht durch einen Wasserstrahl zu leiten. Damals fehlten jedoch noch die technischen Möglichkeiten diesen nützlich einzusetzen. Erst 70 Jahre später verwendete man optische Leiter in der Medizin. Damals wurden schwer zugängliche innere Organe damit beleuchtet. Solche Lichtwellenleiter waren jedoch noch recht kurz, denn für längere Strecken reichte die Leuchtkraft der Lichtquelle (ein Laser war ja noch nicht erfunden) nicht aus, da der Lichtverlust zu groß war. Erst 1960, mit der Erfindung des Lasers, konnte eine Lichtübertragung über eine 33

36 Abbildung 9.2: Brechungsgesetz von Snellius längere Strecke realisiert werden. Das Hauptproblem für die Dämpfung der Lichtwellen in Glas liegt in dessen Unreinheit. Dieser Fakt wurde 1966 entdeckt und seither arbeitet man an immer reineren Leitern, um bessere Übertragungsbedingungen zu schaffen. Somit steigen auch die Datendurchsatzraten, da weniger Licht in kürzeren Abständen übertragen werden kann und dieses dennoch zuverlässig empfangen wird Totalreflexion Das dem Lichtwellenleiter zugrunde liegende physikalische Phänomen ist die Totalreflexion. Um diese zu erklären, muss man zunächst die Lichtbrechung beim Übergang eines Lichtstrahls zwischen zwei verschiedenen Medien verstehen. Das Brechungsgesetz von Snellius besagt, dass ein Lichtstrahl, der von einem Medium in ein anderes übergeht, gebrochen wird. Geht er vom optisch dünneren ins dichtere Medium über, so wird der Lichtstrahl zum Lot gebrochen. Vom Lot gebrochen wird der Lichtstrahl hingegen, wenn er vom dichteren ins dünnere Medium wechselt. Die "optische Dichte" von einem Medium wird durch die Materialeigenschaft "Brechungsindex" (Symbol: n) beschrieben. Die Formel sin(α 1 ) n 1 = sin(α 2 ) n 2 stellt den genauen physikalischen Zusammenhang zwischen Eintrittswinkel α 1, dem Brechungsindex des Mediums, in dem sich der Lichtstrahl zunächst befindet n 1, dem Austrittswinkel α 2 und n 2, dem Brechungsindex, des Materials, in welches der Lichtstrahl übergeht, dar. 34

37 Abbildung 9.3: Aufbau der Glasfaser Der Brechungsindex von Vakuum ist als 1 definiert, die übrigen Brechungsindizes ergeben sich aus oben genannter Formel und stehen im indirekten Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit in dem jeweiligen Medium. Wenn ein Lichtstrahl von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium wechselt, so wird er vom Lot gebrochen, wie bereits gesagt wurde. Dieses Prinzip ermöglicht die Totalreflexion. Wenn der Austrittswinkel α 2 parallel zu dem Übergang zwischen den Medien sein soll, so gilt: sin(α 1 ) n 1 = sin(90 ) n 2 Unter der Annahme, dass n 2 1 gilt: sin(α 1 ) = 1 n 1. Da n von Glas 1,5 ist, ergibt sich für den Winkel α 1 beim Übergang zu Glas also ein Grenzwinkel von 42. Ist der Winkel größer als dieser Wert, so tritt Totalreflexion ein Aufbau der Glasfaser Ein Glasfaserkabel, ist wie im Bild ("Aufbau der Glasfaser") erkennbar, aus mehreren Schichten aufgebaut. Die Innerste (1) wird Kern genannt und ist etwa 8 10µm dick. In dieser Schicht findet die eigentliche Datenübertragung statt. Eine die Totalreflexion möglich machende Schicht (2), Mantel genannt umgibt den Kern. Dabei muss der Mantel einen niedrigeren Brechungsindex haben wie der Kern, damit die Totalreflexion möglich wird. Die Dicke des Mantels beträgt im Durchschnitt 125µm und besteht meist 35

38 aus reinem Quarzglas (SiO 2 ), während die Brechungsziffer des Kerns durch Dotierung mit Germanium oder Phosphor erhöht wird. Es gibt hier auch andere Materialzusammensetzungen, wichtig ist jedoch die Differenz der Brechungsindizes. Außerhalb des Mantels befinden sich noch zwei Schutzschichten. Der Zweck der Inneren der beiden (3) ist die optische Isolierung, während die Äußere (4) mechanischen Schutz bietet. Die gesamte Glasfaser ist dann zirka 0,4 mm dick Digitale Datenübertragung Abbildung 9.4: Elektronische Datenverarbeitung mit dem Lichtwellenleiter Um mit Glasfaserkablen Daten digital übertragen zu können, wird zunächst ein elektrisches Signal benötigt. Ein solches steht in der elektronischen Datenverarbeitung auch immer zur Verfügung erfand Manfred Börner ein optisches Weitverkehrs- Übertragungssystem. Noch heute findet nach seinem Prinzip die optische Datenübertragung statt. Er verwendete eine Laserdiode, als Sender der Information, eine Glasfaserleitung als Übermittler, und eine Photodiode als Empfänger, der wieder ein elektrisches Signal erzeugte. In Bild "Elektronische Datenverarbeitung mit dem Lichtwellenleiter" kann man erkennen wie die Daten übertragen werden. Handelt es sich um ein analoges Ausgangssignal, wovon man heute nicht mehr allzu oft ausgehen sollte, dann muss das Signal durch einen Analog-Digital-Wandler umgewandelt werden. Auf der Empfängerseite muss dann der umgekehrte Prozess erfolgen. Meist jedoch wird das Signal vor der Übermittlung noch in der Treiberstufe verstärkt, bevor eine Leuchtdiode - oder weit häufiger, eine Laserdiode - die Signale in das Glasfaserkabel einspeist. Auf der Empfängerseite wird dann durch einen Phototransistor oder eine Photodiode das optische Signal wieder in ein Digitales umgewandelt und verstärkt. Bei langen Lichtwellenleitern, wie beispielsweise Transkontinentalkabeln, muss das Signal zwischendurch verstärkt werden. Dazu wird das optische Signal meistens in ein 36

39 Abbildung 9.5: Querschnitt einer CD elektrisches Signal umgewandelt und dieses dann wieder in ein Optisches. Dadurch entsteht ein nicht zu vernachlässigender Mehraufwand. Nicht zuletzt dadurch sind Glasfaserkabel teurer als Kupferleitungen. Aber die Qualität und damit Übertragungsrate der Glasfaserkabel ist wiederum deutlich höher, als jene der Kupferkabel. 9.2 Optische Speichermedien Laserdioden werden auch zum Lesen und Schreiben einer Reihe von Optischen Datenträgern verwendet CD (Compact Disc) Begonnen hat dieser Trend 1981 mit der CD, Abkürzung für "Compact Disc". Es handelt sich um einen von Sony und Philips entwickelten Datenträger, der zunächst nur für Musik gedacht war. Um dessen Entstehung gibt es eine Reihe von Mythen. Der wohl bekannteste erklärt die Größe. Jene soll nämlich dadurch entstanden sein, dass Sony unbedingt Beethovens Neunte Sinfonie auf einer CD unterbringen wollte. Diese dauert genau 74 Minuten, was der Länge des speicherbaren Audiomaterials auf einer CD entspricht. Da die Datendichte damals, verglichen zu heute, noch sehr beschränkt war, und auch keine Kompressionsverfahren verwendet wurden, ergab sich somit ein Durchmesser von 12 Zentimetern für eine CD. Dies entspricht 650 Megabytes. Die wohl bekannteste Variante der CD hat hingegen eine Speicherkapazität von 700MB. Makralon wird jenes Polycarbonat genannt, aus dem der Grundstock für die CD gebildet wird. Darauf wird eine Metallschicht aufgebracht. Meist handelt es sich dabei um Aluminium, welches aufgedampft wird. Hinzu kommen noch Schutzschichten. Eine CD kann entweder schon bei der Erzeugung mit Daten versehen werden, oder erst später gebrannt werden. In ersterem Fall wird die CD "gepresst", wobei es sich technisch 37

40 Abbildung 9.6: Prinzip der CD gesehen allerdings um einen Spritzguss handelt, in letzterem wird sie vom Endbenutzer selbst in einem CD Brenner mit Daten versehen. Im Gegensatz zu Schallplatten, werden CDs von innen nach außen gelesen und geschrieben. Die Informationen werden in Form von "Pits und "Lands", also Gruben und Flächen auf der Oberfläche der Datenschicht dargestellt, wie man im Bild "Prinzip der CD sehen kann. Ebenso ist erkennbar, wie die CD gelesen wird. Dies geschieht indem ein Lasersignal (λ = 780nm) auf die CD fokussiert wird. Die Lichtwelle, die vom Laser kommt, ist ein wenig größer als ein Pit. Zudem ist die Tiefe eines Pits, so gewählt, dass wenn der Laserstrahl auf ein solches fällt, dieser sich um die halbe Wellenlänge verspätet. Da der Laser einen größeren Fleck als nur den Pit bestrahlt, löscht er sich zum Teil durch Interferenzerscheinungen selbst aus. Somit registriert die Photodiode, welche das reflektierte Licht des Lasers empfängt kurzfristig einen Rückgang der Lichtintensität und das Pit ist als solches Identifiziert. Der Spurabstand einzelner Pits beträgt 1, 6µm. Die Metallschicht von beschreibbaren CDs besteht aus einer Silber- Indium- Antimon Legierung. Beim brennen einer CD wird das Material mit Hilfe des Lasers stark 38

41 erhitzt, wodurch diese Legierung die polykristalline Struktur verliert, amorph wird und somit Reflexionskraft verliert. Dies wirkt beim Lesen, als ob sich die Wellen gegensätzlich auslöschen würden, und Daten können wie bei einer gepressten CD gelesen werden. Bei wiederbeschreibbaren CDs kann diese Legierung auch wieder in den polykristallinen Urzustand gebracht werden, indem die Laserdiode nur mit geringer Leistung die CD schwach (auf zirka 200 C) erhitzt. Abbildung 9.7: CD: Wellenlänge: 780nm; Spotdurchmesser: 2,1µm; Spurabstand: 1,6 µm DVD (Digital Video Disc / Digital Versatile Disc) Bei der DVD (englische Abkürzung für "Digitale Video Scheibe oder "Digitale Vielseitige Scheibe") handelt es sich um den wohl beliebtesten direkten Nachfolger der CD als optisches Speichermedium und der VHS-Kassette als Speichermedium für Filme. Mitte der Neunziger Jahre kam der Bedarf nach höheren Speicherkapazitäten auf, da CDs mangels Speicherkapazität als Datenträger für Videos nicht sehr gut geeignet waren. Die große technische Änderung betrifft die Wellenlänge des verwendeten Lasers. Es wird Licht mit einer höheren Frequenz und somit geringeren Wellenlänge ( nm, somit rot) verwendet, wodurch genauere Ergebnisse erzielt werden. Zudem kann neuerdings der Laser abgewinkelt werden, wodurch auf eine weitere Datenschicht zugegriffen werden kann. Durch diese "dual layer Technik steigt die Speicherkapazität von 4,7GB auf 8,5GB. Sie verdoppelt sich jedoch nicht ganz, da die untere Schicht weniger Bits setzen kann, damit durch sie die andere Schicht gelesen werden kann. Auch die Spurabstände wurden gegenüber der CD verkleinert. Sie betragen nun 0, 74µm. 39

42 Abbildung 9.8: DVD: Wellenlänge: 650nm; Spotdurchmesser 1,3 µm; Spurabstand: 0,74 µm Blu-ray Disc Aufgrund der immer besser werdenden Abspieltechnik reichte die Speicherkapazität, besonders im Videobereich, von DVDs nicht aus, um die Qualitätswünsche der meisten Konsumenten langfristig zu befriedigen. Daher wurde ab 2002 die Blu-ray Disk entwickelt. Ab 2007 begann deren Boom am Massenmarkt. Die Speicherkapazität einer Blu-ray Disk beträgt 50 GB. Diese Kapazität wird durch die Verwendung eines Lasers mit nur mehr 405 nm Wellenlänge (violett- blaues Licht) und zwei Schichten erreicht. Auch die Spurabstände wurden verkleinert. Diese betragen nun nur mehr 0, 32µm. Ebenso wie CDs und DVDs beträgt der Durchmesser 12 Zentimeter, um Abwärtskompatibilität der Laufwerke zu ermöglichen. Die Veränderung der mechanischen Größe von optischen Datenträgern ist daher eher unwahrscheinlich, da die Hersteller versuchen werden diese aufrecht zu erhalten. Weitere Steigerungen der Speicherkapazität können derzeit eher über das Hinzufügen von zusätzlichen Schichten erwartet werden. 40

43 Abbildung 9.9: Blu-ray Disk: Wellenlänge: 405nm; Spotdurchmesser: 0,6 µm; Spurabstand 0,32 µm 9.3 Laserpointer Laserpointer sind besonders bei Vorträgen beliebt, um auf entfernte Objekte zu zeigen. Sie werden zum Teil aber auch auf Waffen und Teleskopen montiert, um diese schnell und einfach auf das gewünschte Ziel richten zu können. Ein weiterer Anwendungsfall ist die Unterhaltungsindustrie. Laserpointer werden nämlich häufig bei so genannten Lasershows verwendet. Die häufigste und billigste erhältliche Farbe von Laserpointern (und Laserdioden allgemein) ist rot. In den letzen Jahren kamen jedoch immer weitere Farben auf den Markt. Relativ verbreitet sind daher ebenfalls noch grüne Laserpointer, welche eine Wellenlänge von etwa 590 nm emittieren. Dies ist jedoch nicht mit einer einfachen Laserdiode billig zu erreichen. Daher wird zunächst ein Laserstrahl mit größerer Wellenlänge erzeugt, und dieser mit einem Frequenzdoppler auf die dem grünen Licht entsprechende Wellenlänge gebracht. Auch blaue Laserpointer, welche seit 2006 auf dem Markt erhältlich sind, verwenden einen Frequenzverdoppler, was sie ebenfalls in eine höhere Preisklasse verschiebt. Manche, meistens teurere Laserpointer, verwenden eine Laserdiode auch nur, um andere Festkörperlaser zu pumpen. Dadurch entsteht ein hochqualitativerer Strahl. Aufgrund der Gefahr, die von starken Lasern ausgeht, wenn sie in Augen leuchten, sind nur relativ schwache Laserpointer für den Privatgebrauch erhältlich. (Siehe auch Kapitel "Laserklassen"). Jedoch gibt es vereinzelt auch recht starke Laser mit bis zu 1 Watt für den Privatgebrauch zu kaufen. 41

44 9.4 Abstands-/Geschwindigkeitsmessung Laser können auch zur Abstandsmessung verwendet werden. Somit kann auch eine Geschwindigkeitsmessung gemacht werden, was oft mit so genannten Laserpistolen durchgeführt wird. Dazu wird in kurzen Abständen der Abstand zum Messgerät bestimmt und darüber die Geschwindigkeit berechnet. Der Abstand kann auf zwei Arten ermittelt werden. Einmal nämlich indem eine Laserdiode Infrarotlicht Impulse auf einen Gegenstand abgibt und diese reflektiert werden. Die reflektierte Infrarotstrahlung wird dann später von einer Photodiode aufgenommen. Der Abstand l ist somit l = c t 2n wobei n hier der Brechungsindex des umgebenden Mediums ist. Dies ist der Faktor, um welchen die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium gegenüber dem Vakuum verlangsamt ist. Der Nachteil dieser Art von Messung ist die Genauigkeit. Es muss aufgrund der hohen Lichtgeschwindigkeit ( Meter pro Sekunde in Vakuum ) eine sehr exakte Zeitmessung stattfinden, da das Infrarotlicht nur zirka 3,3 Nanosekunden benötigt um einen Meter zurückzulegen. Somit ist die Messung des Abstandes meist nur auf einige Zentimeter genau messbar. Der Vorteil ist jedoch, dass auch sehr große Abstände ziemlich genau ermittelbar sind. Abbildung 9.10: Triangulation Eine weitere Methode zur optischen Abstandsbestimmung funktioniert unter Ver- 42

45 wendung der Winkelfunktionen. Bei einer solchen Triangulation können auch Laser verwendet werden, um hohe Präzision beim Anpeilen von Objekten zu erreichen. Wenn beispielsweise, wie in Bild "Triangulation", Daten zu Punkt X gesucht werden, der Abstand a zwischen A und B bekannt ist, und deren Winkel zwischen sich selbst und Punkt X, so können alle geometrischen Eigenschaften des Dreiecks errechnet werden. Dieses Verfahren ist sehr genau und kann in beinahe beliebigen Größenordnungen angewandt werden, sinnvolle Entfernung der Punkte A und B vorausgesetzt. Umso ähnlicher die aufgespannte Figur nämlich einem gleichseitigen Dreieck ist, desto genauer sind auch die Ergebnisse. 9.5 Laserdrucker Laserdrucker werden heutzutage, besonders wegen der günstigen Betriebskosten im Vergleich zu Tintenstrahldruckern, diesen meistens vorgezogen. Das Prinzip hinter Abbildung 9.11: Aufbau eines Laserdruckers dem Laserdrucker ist folgendes: Ein Spiegel leitet den Strahl einer Laserdiode auf eine Trommel um. Dabei handelt es sich um einen Zylinder, welcher somit durch den Photoelektrischen Effekt statisch aufgeladen wird. Es ist wichtig, dass die Laserquelle eine 43

46 Abbildung 9.12: Bildtrommel im Laserdrucker Laserdiode ist, da nur eine solche schnell genug ein und aus geschaltet werden kann, um erträgliche Druckgeschwindigkeiten zu erzielen. Der abgelenkte Laserstrahl malt nämlich ein genaues Negativ des zu Druckenden auf die Bildtrommel, während sich diese dreht. Dabei nimmt sie aufgrund der statischen Elektrizität den feinen Tonerstaub auf, und gibt ihn auf das sich unter der Trommel mit gleicher Geschwindigkeit hinwegbewegenden Papier ab. Dies wird ermöglicht, indem eine weitere Walze, welche positiv geladen ist, die statische Elektrizität der Trommel ausgleicht. Manche Druckerhersteller laden die ganze Trommel zuerst positiv und neutralisieren an den nicht zu bedruckenden Stellen dann die Ladung der Trommel mit dem Laser. Das Papier wird unmittelbar nach dem Zusammentreffen der beiden Walzen und der Übernehme des Toner entladen um ein festkleben an den Walzen zu verhindern. Die nun auf dem Papier liegenden Tonerpartikel werden von zwei weiteren Walzen, durch die das Papier transportiert wird, erhitzt. Dadurch schmilzt der Toner und bleibt am Papier haften. Anschließend wird das Papier noch mit einer starken Lichtquelle beleuchtet. Dadurch verliert das Papier endgültig jegliche statische Aufladung. 44