Laserdioden – Funktionsweise, Aufbau, Verwendung

Laserdioden 445nm
Teil 8 von 10 Beiträgen der Serie Laserschneiden

Ein Diodenlaser besteht aus einer oder mehreren Laserdioden. Die Laserdiode ist eng mit der Leuchtdiode (LED) verwandt. Statt diffusen Lichts erzeugt die Laserdiode einen Laserstrahl.

Mit einem Diodenlaser lassen sich kleinere Laseranlagen als mit einer CO2-Laserröhre realisieren. Der Wirkungsgrad ist abhängig von den Wellenlengen der erzeugten Laserstrahlen. Die Ausbeute einer blauen Laserdiode liegt beispielsbei bei bis zu 27 Prozent.


Funktionsweise
Die Erzeugung von Licht entsteht durch Rekombinationsprozesse von Elektronen und Elektronenfehlstellen in einem Halbleiterkristall, am Übergang zwischen p- und n-dotiertem Bereich.
Die teilreflektierenden Endflächen der Laserdiode bilden einen optischen Resonator, in dem sich eine stehende Lichtwelle ausbilden kann. Im Falle einer sogenannten Besetzungsinversion emittiert die Laser-Diode dann Laserstrahlung. Erzeugt werden Besetzungsinversionen in Laserdioden durch elektrisches Pumpen. Ein Gleichstrom in Durchlassrichtung garantiert stetigen Nachschub von Elektronen und Elektronenfehlstellen.


Aufbau
Die meisten Laserdioden sind sogenannte Kantenemitter. Das erzeugte Licht verlässt den Halbleiterkristall an dessen Bruchkante an der Oberfläche quer zum durchfließenden Strom.
Die Verlustleistung (je nach Wellenlänge 30 % bis 80 %) erwärmt den Halbleiterkristall und muss mittels Kühlung abgeführt werden. Bei kleineren Leistungen (< 1 Watt) finden Kühlkörper ihren Einsatz. Bei Leistungen darüber werden im Hobbybereich zusätzlich Ventilatoren zur Kühlung der Kühlkörper genutzt.

Einzelemitter Dioden
Preiswerte Diodenlaser bestehen aus nur einer Laserdiode und einem sogenannten Kollimator oder Fokussierlinse, die den Laserstrahl zu einen möglichst kleinen, scharfen Spot formen. Einzelemitter-Laserdioden werden mit Leistungen bis einigen Watt hergestellt. Sie finden Verwendung in Laserpointer, Entfernungsmessgeräte oder auch kleinen Laser-Gravierer.

Barren
Die Anordnung von mehreren Laser-Dioden auf einem Chip nennt man Barren. Die bis zu 25 Einzelemitter-Dioden eines Barrens verhalten sich elektrisch gleich und können parallel wie eine größere Diode betrieben werden. Optische Leistungen bis 100 Watt im nahen Infrarot Bereich sind möglich. Werden mehrere Barren zusammengesetzt, können Diodenlaser Leistungen im Kilowatt-Bereich erzielen.
Diese leitungsstarken Barren eigenen sich unter anderem zum Pumpen von Festkörperlasern (Faserlasern), Metall- und Kunststoffschweißen, selektives Härten, Weich- und Hartlöten oder zum Auftragschweißen.


Fazit
Dank der kompakten Bauweise lassen sich relativ kleine Laseranlagen für den Hobbybereich realisieren. Der Umgang mit hohen Spannungen, wie bei CO2 Lasern, entfällt.
Aufgrund einer relativ schlechten Strahlqualität sind Diodenlaser jedoch nur bedingt zum Schneiden von Materialien geeignet. Die Strahlqualität sagt etwas darüber aus, wie gut ein Laserstrahl fokussierbar ist und wie schnell er sich bei der Ausbreitung aufweitet.


Laserdioden in preiswerten Laser-Graviergeräten
Chinesische Anbieter überschwemmten den Markt mit preiswerten Laser-Gravierer zwischen 120 und 240 Euro. In diesen Geräten von ORTUR, NEJE, VIGO oder anderen Anbietern arbeiten „blaue“ 445nm Einzelemitter-Laserdioden mit einer Leistungsaufnahme von 15, 20 oder 30 Watt. Die verbauten Laserdioden werden mit der (laut Datenblatt) höchstmöglichen Stromstärke betrieben, was zu einem frühen Ende der Diode führt.

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