Laserdiode

Der rote Punkt eines Laserpointers, der Strich eines Kreuzlinienlasers auf der Baustelle, der Abtaster im Blu-ray-Player, das Licht in einer Glasfaser und der Abstandssensor im Smartphone: Alle stammen aus einer Laserdiode. Sie ist ein naher Verwandter der LED – ebenfalls ein pn-Übergang, der in Durchlassrichtung Licht abgibt –, liefert aber einen gebündelten, einfarbigen Strahl. Elektrisch ist sie deutlich empfindlicher: Ein paar Milliampere zu viel, eine kurze Spannungsspitze oder eine falsch gepolte Messspitze genügen, und sie ist zerstört.

Aufbau und Funktionsweise

Wie in jeder Leuchtdiode rekombinieren in der Laserdiode Elektronen und Löcher in einer dünnen Schicht zwischen p- und n-Gebiet und senden dabei Photonen aus (die Grundlagen stehen unter Optoelektronik und pn-Übergang). Der Unterschied liegt in einem optischen Resonator: Die beiden Stirnflächen des Chips sind so glatt gespalten oder beschichtet, dass sie als Spiegel wirken. Eine Seite reflektiert fast alles, die andere lässt einen Teil des Lichts hinaus.

Ein Photon, das in der aktiven Zone auf ein angeregtes Elektron trifft, kann dieses zur Aussendung eines zweiten, völlig gleichen Photons veranlassen – gleiche Wellenlänge, gleiche Richtung, gleiche Phase. Diese stimulierte Emission ist das „L“ in Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Läuft das Licht zwischen den Spiegeln hin und her, wird es bei jedem Durchgang verstärkt. Das klappt aber erst, wenn genug Ladungsträger eingespeist werden, um die Verluste in Spiegeln und Material auszugleichen. Dieser Punkt heißt Schwellstrom I_th (threshold).

Unterhalb der Schwelle leuchtet die Laserdiode nur schwach wie eine LED. Oberhalb steigt die Lichtleistung fast linear und sehr steil mit dem Strom an. Das Ergebnis ist schmalbandiges Licht, meist nur wenige Nanometer breit, das sich mit einer Linse zu einem fast parallelen Strahl formen lässt. Weil die aktive Zone flach und breit ist, tritt der Strahl als Ellipse aus – deshalb haben Laserpointer oft eine Linse oder Blende, die den Fleck rundet.

Neben diesen Kantenemittern gibt es den VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser). Bei ihm stehen die Spiegel als Schichtstapel über und unter der aktiven Zone, das Licht tritt nach oben aus der Chipfläche aus, mit rundem Strahl und kleinem Schwellstrom. VCSELs um 850 und 940 nm stecken in Lichtlaufzeit-Abstandssensoren, optischen Mäusen und der Gesichtserkennung von Smartphones.

Schaltzeichen und Anschlüsse

Das Schaltzeichen gleicht dem der LED: Diodendreieck mit Kathodenstrich und zwei Pfeilen, die vom Bauteil weg zeigen. Manche Pläne ergänzen einen Hinweis auf den Laser oder parallele Pfeile; im Zweifel steht „LD“ daneben.

Fast alle Laserdioden im runden Metallgehäuse (TO-Can) enthalten zusätzlich eine Monitor-Fotodiode. Sie fängt einen kleinen Teil des Lichts von der Rückseite des Chips auf und liefert einen Strom, der der Lichtleistung proportional ist. Laserdiode und Fotodiode teilen sich meist einen Anschluss, der mit dem Gehäuse verbunden ist. Welcher das ist und ob dort Anode oder Kathode liegt, ist von Typ zu Typ verschieden; die Hersteller unterscheiden mehrere „Pin-Konfigurationen“.

Kennlinie und Kennwerte

Die wichtigsten Datenblattwerte am Beispiel einer roten 7-mW-Laserdiode (LD650A7A17 von Lasermate, 650 nm, Ø 3,3 mm TO-Can):

Drei Werte fallen auf. Die erlaubte Sperrspannung beträgt nur 2 V – weniger als bei jeder LED. Zwischen typischem Betrieb und Grenzwert liegt nur 1 mW. Und die Streuung ist groß: Schwellstrom, Steilheit und Monitorstrom schwanken von Exemplar zu Exemplar deutlich, der Monitorstrom sogar um den Faktor drei.

Oberhalb der Schwelle gilt näherungsweise

Ein fester Strom reicht also nicht, und eine feste Spannung mit Vorwiderstand, wie bei der LED, schon gar nicht. Was die Diode braucht, ist eine Regelung auf konstante Lichtleistung.

Typische Ansteuerung

Die übliche Lösung heißt APC (Automatic Power Control): Ein Regler misst den Strom der Monitordiode und stellt den Laserstrom so nach, dass dieser Monitorstrom konstant bleibt. Damit bleibt auch die Lichtleistung konstant, egal wie sich Schwelle und Steilheit mit Temperatur und Alterung verschieben. Es gibt fertige Treiber-ICs dafür; in einfachen Lasermodulen übernimmt eine kleine Transistorschaltung die Aufgabe.

Zur Grundausstattung jeder Treiberschaltung gehört außerdem ein Sanftanlauf: Beim Einschalten darf der Strom nicht überschwingen. Viele Schaltungen schließen die Laserdiode im ausgeschalteten Zustand kurz und schützen sie mit einer antiparallelen Diode und einem kleinen Kondensator gegen Spitzen.

Bauformen und Wellenlängen

• TO-Can, Ø 3,3 mm, 5,6 mm oder 9 mm: die klassische Einzeldiode mit Fenster und meist drei Anschlüssen.
• Lasermodule: Laserdiode, Linse und Treiber in einer Hülse, oft mit zwei Litzen für 3 bis 5 V. Für Bastelprojekte die sichere Wahl, weil die Regelung schon eingebaut ist.
• VCSEL und Laser-Abstandssensoren: SMD-Bauteile, oft mit integrierter Optik und Elektronik.

Typische Wellenlängen: 405 nm (Blu-ray, Belichtung), 450 nm (Projektoren, Gravierlaser), 520 nm (grüne Direktdioden), 635–660 nm (rote Pointer, Linienlaser), 780–808 nm (CD, Pumplaser), 850/940 nm (VCSEL, Sensorik), 1310/1550 nm (Glasfaser). Wo diese Wellenlängen im Spektrum liegen, zeigt das elektromagnetische Spektrum.

Sicherheit: Laserklassen

Der gebündelte Strahl kann die Netzhaut schon bei wenigen Milliwatt schädigen, weil die Augenlinse ihn auf einen winzigen Punkt fokussiert. Laser werden deshalb nach IEC 60825-1 in Klassen eingeteilt:

Die 7-mW-Diode aus dem Beispiel liegt nackt betrieben also in Klasse 3B.

Auswahl und Praxistipps

Wähle zuerst Wellenlänge und Leistung nach der Anwendung, dann die Bauform. Für einen Zeigepunkt oder eine Lichtschranke reicht meist ein fertiges Modul der Klasse 2. Eine nackte Diode lohnt nur mit passendem Treiber und einer Möglichkeit, die Leistung zu messen.

Häufige Fehler:

• Betrieb wie eine LED mit Vorwiderstand: Schwellstrom und Steilheit wandern mit der Temperatur, die Leistung läuft davon.
• Messen mit dem Multimeter im Diodentest: Die Prüfspannung, im Sperrbereich angelegt, überschreitet leicht die 2 V Sperrspannung.
• ESD: Laserdioden gehören zu den empfindlichsten Halbleitern überhaupt. Arbeite nur mit Erdungsarmband und lass die Anschlüsse bis zum Einlöten kurzgeschlossen (siehe ESD).
• Netzteil im Betrieb umstecken: Spitzen beim Anstecken oder Prellen von Kontakten zerstören die Diode, bevor du etwas siehst.
• Wärme unterschätzt: Bei Leistungsdioden ab etwa 100 mW gehört das Gehäuse auf einen Kühlkörper; Wärme senkt Ausbeute und Lebensdauer (siehe Wärme und Kühlung).

Selbsttest