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Halbleiterlaser Neue Generation von Lasern durch Diamant-Sandwich

| Redakteur: Rebecca Vogt

Wissenschaftler der Universität Stuttgart machten jetzt den Weg für eine neue Generation von Halbleiterlasern frei. Diese soll besonders leistungsfähig sein und neue Anwendungen ermöglichen. Realisieren konnten die Forscher ihr Vorhaben durch ein Diamant-Sandwich.

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Eine Halbleitermembran zwischen zwei runden Diamantscheibchen. Der transparente Edelstein fungiert als integrierter Kühlkörper.
Eine Halbleitermembran zwischen zwei runden Diamantscheibchen. Der transparente Edelstein fungiert als integrierter Kühlkörper.
(Bild: Universität Stuttgart/Hermann Kahle)

Ihre Popularität verdanken sie Filmen wie Star Wars oder James Bond. Heute kommen Laser je nach Leistung, Strahlqualität und Wellenlänge unter anderem beim Schneiden und Schweißen verschiedenster Werkstoffe oder in der Medizintechnik zum Einsatz. An den Instituten für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen (IHFG) sowie für Strahlwerkzeuge (IFSW) hat man nach einem Weg gesucht, Halbleiter-Scheibenlaser in ihrer Ausgangsleistung weiter zu verbessern, ohne deren Vorteile – unter anderem ein sehr gutes Strahlprofil und die Möglichkeit, die Wellenlänge bei laufendem Betrieb zu verstellen – aufs Spiel zu setzen.

Die Lösung bestand in einer Art Abspeckkur: Da Halbleiter selbst eher schlechte Wärmeleiter darstellen und zu hohe Temperaturen im Allgemeinen allen Lasern schaden, verzichteten die Wissenschaftler auf alles, 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.

Ruhige Hände und Fingerspitzengefühl

Übrig blieb die nur wenige Hundert Nanometer dicke laseraktive Zone. Diese wurde zwischen zwei Diamantscheibchen gepresst, da sich der transparente Edelstein als integrierter Kühlkörper eignet. Hierfür isolierten zwei Doktoranden mit nasschemischen Verfahren die auf dem Trägersubstrat hergestellte laseraktive Zone. Die Halbleitermembran – insgesamt nur ein Achtzigstel so dick wie ein menschliches Haar – kann nur in einer Flüssigkeit aufbewahrt werden. Dann galt es, die Membran auf einem der nur 4 mm großen und 0,5 mm dicken Diamanten zu platzieren, und zwar in einem Stück, mittig und glatt. „Wir brauchten sehr ruhige Hände, viel Geschick und Geduld, denn wenn die Halbleitermembran erst einmal angeheftet ist, kann man sie nicht mehr entfernen, ohne sie zu zerstören“, erklärt Hermann Kahle, Doktorand am IHFG.

Hohe Ausgangsleistung erreicht

Die Herstellung des Diamant-Halbleiter-Sandwichs erforderte Fingerspitzengefühl und ruhige Hände.
Die Herstellung des Diamant-Halbleiter-Sandwichs erforderte Fingerspitzengefühl und ruhige Hände.
(Bild: Universität Stuttgart)

Nach mehreren Versuchen war das Diamant-Halbleiter-Sandwich fertig und konnte in einen Laserresonator eingesetzt und im Optiklabor charakterisiert werden. Das Justieren dauerte Stunden. Schließlich funktionierte der Membranlaser und emittierte einen starken Lichtstrahl im roten Spektralbereich. Dieser zeigte die erhofften Eigenschaften: eine hohe Ausgangsleistung, die Einstellbarkeit der Laserwellenlänge während des Betriebs, ein perfektes Strahlprofil. Das Ganze gelang durch das Diamant-Sandwich bei einer Betriebstemperatur von 10 °C. Früher musste das Bauteil teilweise bis -30 °C gekühlt werden.

Anwendung in der Medizin

Für das Forscherteam fängt die Detailarbeit erst an. „Wir werden künftig neue Laser realisieren können, die in der kompakten Halbleiterklasse bisher undenkbar waren“, hofft Kahle. Das dürfte zum Beispiel Mediziner freuen: Mittelfristig könnte ein neuer Laser für die photodynamische Therapie zur Verfügung stehen, dessen Wellenlänge passend zum verwendeten lichtaktiven Medikament eingestellt werden kann. Zudem kann der Lichtbereich von Halbleiterlasern um neue Farben wie Gelb oder Orange erweitert werden. Mit anderen Halbleitermaterialien lassen sich nun auch blaue Membranlaser herstellen. Kombiniert mit rot und grün könnten diese in neue Kinoprojektoren einfließen, die die Laserschwerter in Star Wars dann noch farbintensiver und schärfer aussehen lassen.

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