Die Laserdiode ist das Herzstück eines jeden Lasermoduls. Als kostengünstige und energieeffizienteLaserquelle können Laserdioden Licht vom Ultravioletten bis in den Infrarot-Bereich erzeugen undfinden somit in verschiedensten Bereichen der Industrie Anwendung. In unserem Ratgeber erklärenwir, wie eine solche Diode aufgebaut ist, wie sie funktioniert und was Sie vor dem Kauf beachtensollten.
Was sind Laserdioden?
Laserdioden sind eine Form von Halbleiterlasern, die unter Stromeinwirkung Laserstrahlung produzieren. Dabei können sie Licht in verschiedenen Wellenlängen von Ultraviolett bis Infrarot erzeugen. Laserdioden finden in den verschiedensten Bereichen Anwendung, für gewöhnlich verbaut in Lasermodulen. Sie dienen zum Beispiel als Laserquelle in Druckern, DVD-Geräten oder Barcodescannern.
Was zeichnet Laserdioden aus?
Die Laserdiode unterscheidet sich von anderen Laserquellen dadurch, dass sie mit wenigen Millimetern Umfang eine sehr kleine und gleichzeitig kostengünstige, energiesparende Alternative darstellt. Laserdioden sind zudem einfach zu bedienen, haben eine hohe Lebensdauer und erzielen besonders im nahen Infrarotbereich, im Vergleich zu anderen Laserquellen, hohe Wirkungsgrade von 40 bis über 50 Prozent. Das heißt, dass um die Hälfte der eingespeisten elektrischen Energie in Laserstrahlung konvertiert wird.
Wie funktioniert eine Laserdiode?
Eine Laserdiode ist ein Halbleiterlaser, bestehend aus zwei unterschiedlich, negativ und positiv, dotierten Stoffen, zwischen denen sich ein kleiner Hohlraum befindet. Dieser Aufbau wird als p-n-Übergang bezeichnet. Unter Einfluss von Strom kommt es im Hohlraum vereinfacht gesagt zur Freisetzung von Photonen. Diese werden durch die teil-reflektierenden Endflächen der zwei Hälften des Halbleiterlasers, die als optischer Resonator wirken, zu einer stehenden Lichtwelle ausgebildet, woraus sich letztendlich der Laserstrahl generiert. Je nachdem, wie groß der Abstand zwischen den beiden Seiten ist, kommt es zu Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge.
Wer eine Laserdiode kauft, ersteht jedoch nicht nur die Laserquelle selbst. In der Regel handelt es sich bei den angebotenen Dioden um eine Kapsel, in der neben dem Lasermedium selbst auch eine Photodiode verbaut ist. Diese fungiert als Monitordiode und registriert die Laserleistung, indem sie die Menge des emittierten Lichts ermittelt und dementsprechend die Stromzufuhr durch die externe elektronische Schaltung regulieren kann.
Aufgrund der zusätzlichen Photodiode haben die Gehäuse der Laserdioden in der Regel drei Anschlüsse, um sie in ein Lasermodul einzubauen: Die Kathode und die Anode der Laserquelle selbst und einen weiteren für die Photodiode. Ein Beispiel für diese Form sind Dioden nach Bauart TO-18.
Eine weitere wichtige Komponente ist die Kühlung. Da nicht der gesamte Strom in Laserleistung umgewandelt wird, erhitzt sich das Lasermedium beträchtlich. Um ein Zerstören des Halbleitermaterials durch Überhitzung, besonders bei höheren Leistungen, zu vermeiden, werden die Dioden an eine Metalloberfläche gelötet, die die überschüssige Wärme abführt. Studien haben gezeigt, dass eine Reduzierung der Betriebstemperatur um etwa 10 Grad die Lebensdauer des Lasermediums verdoppeln kann.
Auf jeden Fall sollte beim Kauf darauf geachtet werden, dass die ausgewählte Diode der RoHS-Richtlinie der EU entspricht. Sie untersagt die Nutzung von umwelt- oder gesundheitsschädlichen Stoffen in Elektrogeräten wie zum Beispiel verbleite Lötungen.
Wichtige Kaufkriterien für Laserdioden
Wellenlänge: Die Wellenlänge der Laserquelle ist ausschlaggebend für das abgesonderte Laserlicht. Blaue Laserdioden haben eine Wellenlänge von etwa 450 Nanometern (nm), während grüne Laser bei 530 nm liegen. Am häufigsten finden jedoch rote Laser mit einer Wellenlänge von circa 650 nm oder Infrarot-Laserdioden mit um die 800 nm Anwendung.
Bevor man sich für eine bestimmte Laserquelle entscheidet, sollte man sich überlegen, welche Wellenlänge dem Anwendungszweck am besten dient. Eine rote Laserdiode mit 635 nm Wellenlänge eignet sich beispielsweise sehr gut für Barcode-Scanner oder Laserpointer, da sie auch bei Tageslicht gut sichtbar ist. Laserdioden mit einer Wellenlänge von 780 nm sind hingegen besonders für die Benutzung in Laserdruckern oder auch unsichtbaren Lichtschranken in der Alarmtechnik geeignet.
Leistung: Die Laserleistung wird in der Regel in Milliwatt, kurz mW, angegeben. Auch hier stellt sich die Frage, für welchen Zweck der Laser eingesetzt werden soll, denn die Leistung von Laserquellen kann sehr unterschiedlich ausfallen und nicht immer ist der leistungsstärkste Laserstrahl der geeignetste. Für Anwendungen wie Ausrichtung und Positionierung genügen bereits wenige Milliwatt und auch für Sicherheitsschranken oder das Scannen von Barcodes reicht eine Laserleistung im Bereich bis zu 10 mW aus. Höhere Wattzahlen sind beispielsweise nötig, wenn der Laser als Schweiß- oder Schneidewerkzeug in der Industrie eingesetzt werden soll.
Die Laserdiode ist nur Baustein aus dem weiten Feld der Lasertechnik. Erst in Kombination mit anderen Produkten kann sie ihre Wirkung entfalten. Um beispielsweise die Leistung der Diode perfekt zu steuern, kann eine Ansteuerelektronik angeschlossen werden. Diese wenige Millimeter messenden Module können über einen Steuereingang die Laserleistung regeln und beispielsweise durch ein automatisches Abschalten bei Überhitzung für Sicherheit sorgen.
Besonders wichtig für die Nutzung der Diode ist außerdem eine so genannte Kollimatorlinse, die die erzeugte Strahlung bündelt. Nur so entsteht ein möglichst punktförmiger Laserstrahl. Naturgemäß wird ein Laser mit der Länge immer breiter. Deshalb sollte man, um die Qualität der Bündelung zu bestimmen, immer auf den Divergenz-Wert achten. Dieser wird in mrad (Milliradiant) gemessen und gibt an, um wie viel Millimeter der Laser pro zurück gelegte Meter im Durchmesser wächst. Eine weitere Möglichkeit ist es, direkt eine vollständige Kollimatoroptik mit integrierter Laserdiode zu erstehen.