Laserdioden

Der fundamentale Unterschied zwischen LED und Laserdiode liegt nicht im Grundaufbau – beide basieren auf einem pn-Übergang aus direktem Halbleiter –, sondern im Emissionsmechanismus. Eine LED erzeugt Licht durch spontane Emission: Ein angeregtes Elektron rekombiniert zu einem zufälligen Zeitpunkt mit einem Loch, das entstehende Photon hat eine zufällige Phase und Richtung. Ein Laser hingegen nutzt stimulierte Emission: Ein bereits vorhandenes Photon trifft auf ein angeregtes Elektron-Loch-Paar und löst dessen Rekombination aus – das neu entstehende Photon ist dabei in Phase, Richtung und Wellenlänge exakt identisch mit dem auslösenden Photon. Dieser Verstärkungsmechanismus (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) erzeugt kohärentes Licht, im Gegensatz zum inkohärenten LED-Licht.

Damit stimulierte Emission gegenüber Absorption überwiegt, muss im aktiven Medium Besetzungsinversion herrschen: Es müssen mehr Elektronen im energetisch höheren Leitungsband-Zustand vorhanden sein als im niedrigeren Valenzband-Zustand – ein Zustand, der im thermischen Gleichgewicht nie auftritt und daher aktiv durch hohe Injektionsstromdichte erzwungen werden muss. Bei Halbleiterlasern übernimmt der stark in Durchlassrichtung gepumpte pn-Übergang diese Aufgabe: Oberhalb eines bestimmten Schwellstroms kippt das Verhältnis, optische Verstärkung setzt ein, und aus spontaner Emission wird zunehmend stimulierte Emission.

Besetzungsinversion allein erzeugt noch keinen Laser, sondern nur ein optisch verstärkendes Medium. Für den eigentlichen Lasereffekt braucht es zusätzlich Rückkopplung: einen optischen Resonator, meist realisiert durch zwei parallele, teilreflektierende Spiegelflächen beidseits der aktiven Zone. Bei einfachen Kantenemittern entstehen diese Spiegel durch die natürlichen Kristallspaltflächen des Halbleiters selbst (Bruchflächen entlang bestimmter Kristallebenen), die durch den Brechungsindexsprung zu Luft bereits eine Reflektivität von 30–35 % aufweisen – ausreichend, um Licht mehrfach durch das Verstärkungsmedium zu zirkulieren.

Nur Licht, dessen Wellenlänge ein ganzzahliges Vielfaches der Resonatorlänge ergibt (stehende Welle zwischen den Spiegeln), wird konstruktiv verstärkt – alle anderen Wellenlängen interferieren destruktiv und werden unterdrückt. Dies führt zur charakteristischen longitudinalen Modenstruktur eines Lasers: statt eines breiten, kontinuierlichen Spektrums wie bei der LED zeigt sich ein Kamm scharfer, eng benachbarter Emissionslinien, deren Abstand durch die Resonatorlänge bestimmt wird. Übersteigt die optische Verstärkung innerhalb des Resonators die Summe aller Verluste (Spiegeltransmission, interne Absorption, Streuung), setzt Laseroszillation ein – der Schwellstrom I_th markiert genau diesen Übergangspunkt und ist eine der wichtigsten Kenngrößen jeder Laserdiode.