Halbleiter-Membran-Laser - Photonik

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Halbleiter-Membran-Laser

Ein neuartiger Halbleiterlaser besteht nur noch aus einer Membran in einem Diamant-Sandwich. Durch Doppel-Diamant-Kühlung lässt sich die Ausgangsleistung deutlich steigern.

Bild: Hermann Kahle / Universität Stuttgart
Eine Halbleitermembran zwischen zwei runden Diamantscheibchen

Herkömmliche Halbleiterlaser eignen sich aufgrund ihrer Kompaktheit zum Einbau in komplexe Geräte. Sie erreichen jedoch nicht die Leistung anderer Lasersysteme und die Fokussierung ist schwierig. Die Erfindung von Festkörper-Scheibenlasern brachte eine deutliche Verbesserung und die Realisierung von Halbleiter-Scheibenlasern führte zu einer Leistungssteigerung um den Faktor 100 im Vergleich zu konventionellen Halbleiterlasern.

Diamant als beidseitiger Kühlkörper

An den Instituten für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen (IHFG, Prof. Peter Michler und Dr. Michael Jetter) und für Strahlwerkzeuge (IFSW, Prof. Thomas Graf und Dr. Uwe Brauch) suchte man daher nach einem Weg, um die Ausgangsleistung von Halbleiter-Scheibenlasern zu verbessern, ohne deren Vorteile, wie z. B. ein gutes Strahlprofil und die Möglichkeit der Wellenlängenabstimmung im laufendem Betrieb, zu gefährden.
Da Halbleiter selbst eher schlechte Wärmeleiter darstellen, ließen die Wissenschaftler alles weg, was nicht unbedingt für den Laser benötigt wird: Das Trägersubstrat, auf dem die Halbleiterschichten abgeschieden werden, wurde ganz entfernt, der bei Halbleiter-Scheibenlasern stets integrierte Halbleiterspiegel wurde durch einen weiteren externen Spiegel ersetzt. Übrig blieb die nur wenige 100 Nanometer dicke laseraktive Zone. Diese wurde zwischen zwei Diamantscheibchen gepresst, da sich der transparente Edelstein hervorragend als integrierter Kühlkörper eignet. Hierfür wurde mit nasschemischen Verfahren die auf dem Trägersubstrat hergestellte laseraktive Zone isoliert und die Halbleitermembran auf einem nur 0,5 mm dicken Diamanten platziert. Das Diamant-Halbleiter-Sandwich konnte nun in einen Laserresonator eingesetzt und im Optik-Labor charakterisiert werden. Der Membranlaser zeigte all die erhofften Eigenschaften: eine hohe Ausgangsleistung, die Einstellbarkeit der Laserwellenlänge während des Betriebs, ein perfektes Strahlprofil und das bei einer Betriebstemperatur von 10°C. Früher musste das Bauteil teilweise bis minus 30°C gekühlt werden.

Medizinische Anwendungen

Künftig lassen sich so nach Ansicht der Wissenschaftler neue Laser realisieren, die in der kompakten Halbleiterklasse bisher undenkbar waren. In der Medizin könnte bspw. mittelfristig ein neuer Laser für die photodynamische Therapie zur Verfügung stehen, dessen Wellenlänge passend zum verwendeten lichtaktiven Medikament eingestellt würde. Zudem wäre der Wellenlängenbereich auf Farben wie Gelb oder Orange erweiterbar, . Mit anderen Halbleitermaterialien würden sich auch blaue Membran-Laser herstellen lassen. Kombiniert mit rot und grün könnten diese in neue Kinoprojektoren einfließen.

Originalveröffentlichung:
[H. Kahle, C. M. N. Mateo, U. Brauch, P. Tatar-Mathes, R. Bek, M. Jetter, T. Graf, P. Michler , Semiconductor membrane external-cavity surface-emitting laser (MECSEL), Optica 3, 1506-1512 (2016), DOI:10.1364/OPTICA.3.001506]

www.uni-stuttgart.de

 
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