Der kommerzielle und industrielle Einsatz von Laserdioden hat in letzter Zeit dramatisch zugenommen. Die optischen Eigenschaften, die geringe Größe und die Robustheit von Laserdioden haben es ermöglicht, viele neue Anwendungen zu kommerzialisieren. Die Ausgabe von Laserdioden ist angesichts ihrer geringen Größe sehr hell. Heute sind Hunderte von Watt Leistung kommerziell von Laserdioden erhältlich, die unter Dauerstrichbedingungen (CW) in Gehäusen von nur wenigen Kubikzoll betrieben werden. Diese Eigenschaft macht diese Geräte geeignet für Kabel-TV-Übertragung, High-Definition-TV (HDTV) -Entwicklung und medizinische Anwendungen.
Darüber hinaus verbrauchen Laserdioden im Vergleich zu anderen Lasertypen sehr wenig Leistung. Die meisten Laserdioden arbeiten mit Spannungsabfällen von weniger als 2 V, wobei der Leistungsbedarf durch ihre Stromeinstellung bestimmt wird. Gesamtwirkungsgrade von mehr als 30% sind typisch für Laserdioden.
Da Laserdioden aus Halbleitermaterialien bestehen, benötigen sie nicht die für Gaslaser typischen zerbrechlichen Glasgehäuse oder Spiegelausrichtung. Die daraus resultierende Robustheit und geringe Größe ermöglichen den Einsatz von Laserdioden in Umgebungen und Räumen, in denen andere Lasertypen nicht arbeiten können.
Kohärenz- und Einzelwellenlängeneigenschaften von Laserdioden ermöglichen es, die Ausgänge dieser Bauelemente auf eine beugungsbegrenzte Spotgröße zu fokussieren. Die Größe des resultierenden Punktes hängt von der Wellenlänge des Lasers ab - je kürzer die Wellenlänge des Lichts, desto kleiner die Größe des Spots, der erzeugt werden kann. Der Betrieb bei kürzeren blauen und UV-Wellenlängen ermöglicht kleinere Spotgrößen, wodurch mehr Informationen auf optischen Datenträgern mit einer höheren Dichte gespeichert werden können.
Ein weiterer Vorteil von Laserdioden ist, dass sie bei hohen Frequenzen direkt moduliert werden können. Durch die Modulation des Antriebsstroms wird der Ausgang der Laserdiode bei der Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation mit Frequenzen bis zu mehreren GHz moduliert.
Low-Power-Laserdioden
Low-Power-Laserdioden sind in einer Vielzahl von Gehäusen erhältlich. Die meisten haben eine Monitor-Fotodiode, die in die Laserdiode integriert ist. Im Allgemeinen emittieren Laserdioden Licht von beiden Enden ihres Hohlraums. Durch die Überwachung des hinteren Facettenausgangsstrahls der Laserdiode kann der Laser auf einem konstanten Leistungsniveau gehalten werden. Für Leistungsstufen im Bereich von 1 W oder weniger wird am häufigsten das TO-Can-Gehäuse verwendet, das entweder in einer Basis mit einem Durchmesser von 5,6 mm oder 9 mm erhältlich ist (Abbildung 1). Weitere Gehäuse umfassen TO-3-Gehäuse für Laserdioden mit höherer Leistung (>1 W).
Telekommunikationslaserdioden sind in 14-poligen Schmetterlingsgehäusen erhältlich. Die meisten enthalten sowohl ein thermoelektrisches Kühlermodul (TEC) als auch eine Montageplatte zur Wärmeableitung.
Viele andere Pakete werden verwendet, darunter koaxiale Dosen für gepulste Laserdioden und eine Vielzahl von Faser-Pigtail-Laserdioden mit CD/DVD-Laserdioden, die in ein kundenspezifisches Gehäuse integriert sind, das Fokussieroptik und einen Faserausgang umfasst.
Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL) können in 2D-Arrays für den Einsatz in optischen Computern, Drucken und Kommunikation hergestellt werden. Ihre Laserstruktur hat eine kreisförmige Blende, die es ermöglicht, den Ausgangsstrahl mit einer einfachen sphärischen Linse leicht zu kollimieren.
Hochleistungs-Laserdioden
In jüngster Zeit haben Hochleistungslaserdioden, die im Wellenlängenbereich von etwa 0,8 bis 1,1 Mikron arbeiten, aufgrund ihrer weit verbreiteten Anwendungen viel Aufmerksamkeit erregt. Diese Laser werden beim optischen Pumpen von Festkörperlasern wie dem Nd: YAG verwendet und ersetzen herkömmliche Blitzlampendesigns. Hochleistungslaserdioden werden auf das Absorptionsband des dielektrischen Kristalls abgestimmt, was zu einem viel effizienteren Pumpen des Laserstabs führt, von dem aus ein hochleistungsfokussierter kohärenter Lichtstrahl emittiert wird. Dieser Strahl kann dann in einer Vielzahl von industriellen, medizinischen und militärischen Anwendungen eingesetzt werden. Laserdioden wurden entwickelt, um die Absorptionsbänder einer Vielzahl von dielektrischen Kristallen in einem breiten Wellenlängenbereich anzupassen.
Neben Anwendungen, bei denen Festkörperlaserstäbe gepumpt werden, sind Hochleistungslaserdioden auch für faseroptische Telekommunikationszwecke sehr nützlich. In diesen Anwendungen wird eine Hochleistungslaserdiode, die mit einer Wellenlänge von 980 nm arbeitet, als Pumpquelle für Erbium-dotierte Faserverstärker verwendet. Solche optischen Verstärker werden zur direkten optischen Verstärkung der 1550 nm Wellenlängen-Telekommunikationssignale eingesetzt, die sich entlang der Fernkommunikationsleitungen ausbreiten. Auf diese Weise entfällt die Notwendigkeit, elektrische Verstärkungsschaltungen zu verwenden, und die optischen Signale werden direkt verstärkt, mit größerer Effizienz und ohne die Notwendigkeit, das Lichtsignal in ein elektrisches Signal und zurück umzuwandeln.
Durch das Übereinanderstapeln mehrerer Hochleistungslaserdiodenstäbe ist es möglich, gestapelte Laserdiodenarrays mit Ausgangsleistungen im Bereich von Kilowatt herzustellen. Solche Geräte eröffnen eine breite Palette neuer Möglichkeiten in Anwendungen wie dem industriellen Schweißen und dem Präzisionsschneiden von Metallen und verschiedenen anderen Materialien.
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