Die Theorie des LASER-Lichts samt der Quantenmechanik

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Mai 1960 - Der erste Laser

Für alle Teilnehmer des Treffens in den Catskill Mountains wurde die Zeit knapp. Maiman hatte zudem nur beschränkte Geldmittel, denn anders als die Bell Labs war man in den "Hughes Research Laboratories" nicht bereit, ihn endlos herumexperimentieren zu lassen.

Maiman blieb nur die Hoffnung auf den Rubin, und das, obwohl ihm der Kristall gerade wieder ein neues Rätsel aufgegeben hatte. Einigen Physikern war nämlich aufgefallen, dass bei den Versuchen, die Chrom-Ionen durch optisches Pumpen anzuregen, Energie zu "verschwinden" schien.

Während dies für Schawlows Team ein weiteres Argument für die Unbrauchbarkeit von Rubin lieferte, wollte Maiman genau wissen, was da passierte.

Als er es unter der Mitwirkung von Irnee D'Haenens entdeckte, erlebten die beiden eine angenehme Überraschung.

Die eingestrahlte (also die zugeführte) Lichtenergie wurde nicht zufällig im Kristall verstreut, wie man befürchten musste. Vielmehr nahmen viele Chrom-Ionen sie auf, um danach in einen Zustand zu springen, der höchst effizient die Ausstrahlung von rot fluoreszierendem Licht erlaubte.

Die Idee mit den professionellen Blitzlichtlampen

Die Entdeckung einer solchen Fluoreszenz gestattete Maiman, den Energietransfer im Rubin besser zu verstehen, und das ermutigte ihn, nun alles auf diese Karte zu setzen.

Er besorgte sich als Quelle für das optische Pumpen professionelle Blitzlichtlampen, die pulsartig Energie lieferten, wobei die Nähe zu den Studios von Hollywood gewiss geholfen hat, Hersteller solcher Blitzlichter ausfindig zu machen.

In diesem Stadium seiner Arbeiten dachte Maiman nicht an einen kontinuierlich strahlenden Laser, der im Dauerbetrieb Licht versendet.

Ihm ging es vor allem um das, was in der Wissenschaft als »proof of principle« bezeichnet wird. Maiman wollte zeigen, dass man Rubin grundsätzlich dazu bringen kann, Laserlicht zu generieren, zum Beispiel in Form von Lichtpulsen, die sich aus der eingeblitzten Energie über stimulierte Emissionen mit Licht von Chromionen aufbauen.

Blitzlichtlampe ist nicht gleich Blitzlichtlampe

Natürlich stellt sich nach der Wahl des Mediums Rubin und der Festlegung der Blitzlichtlampe als Energiequelle immer noch die Frage nach dem genauen Design, aber Rationalität und Zufälligkeit - in Form eines Vertreters, der Erfahrungen mit dem Blitzlicht hatte.

Und ein zäher Wille führten bald zu der Konstruktion einer gewundenen Röhre, die einen zylindrischen Kristall umfing, der eine Länge von 2cm und einen Durchmesser von 1cm hatte.

Es braucht nicht eigens betont zu werden, dass ein besonderes Geschick erforderlich ist, nicht nur um gute Rubin-Kristalle heranzuziehen, sondern um auch die anderen Teile mit passender Qualität zu produzieren.

Dei bedeutende Test im Mai 1960

Aber im Mai 1960 war Maiman und D'Haenens beides gelungen, und sie waren bereit, einen Test durchzufuhren.

Sie mussten sich nur noch darüber klar werden, wie sie das rote Fluoreszieren von dem erhofften - ebenfalls roten - Laserlicht mit einer Wellenlänge von 694 Nanometern unterscheiden konnten.

Die Antwort steckte zum einen in der Pulsform des ersehnten Lichts, das kurz und intensiv sein musste und eng um eine Frequenz herum verteilt sein sollte - im Gegensatz zu der kontinuierlichen Fluoreszenz, die sich durch ein breites Spektrum auszeichnete.

Außerdem sollte es eine sogenannte Laserschwelle geben, das heißt, erst musste eine bestimmte Menge an eingepumpter Energie eingesetzt werden, um die Umkehrung der Besetzungszahlen zu erreichen, ohne die die stimulierte Emission bedeutungslos blieb.

Laserpulse durften sich erst zeigen und das normale Leuchten des Kristalls ablösen, wenn diese Energieschwelle überwunden war.

Am 16. Mai 1960 stand alles bereit.

Maiman startete das Blitzlicht mit Pulsen von 500 Volt, was unterhalb der Laserschwelle blieb und nur die erwartete rote Fluoreszenz hervorbrachte.

Als die Spannung für die einstrahlende Lampe erhöht wurde, stieg auch die Spannung bei Maiman und D'Haenens, der als Farbenblinder zusätzlich Probleme mit dem Versuch hatte und vollständig auf die Beobachtung eines Oszillografen angewiesen war.

Ihn hatte man so geschaltet, dass er das den Rubin verlassende Licht in sichtbare Pulse umwandelte und als solche registrierte.

Als Maiman mehr als 950 Volt an die Blitzlichtlampen anlegte, schoss die auf dem Oszillografen sichtbare Spur deutlich in die Höhe und ließ eine Spitze erkennen.

»Das war es. Der Laser war geboren!«

Mit ihr zeigte sich genau das Muster, auf das die beiden gewartet hatten: »Das war es. Der Laser war geboren!«, wie Maiman den entscheidenden und sicher aufregenden Moment in seiner Autobiographie beschreibt.

Ein intensiver roter Lichtfleck von 1cm Durchmesser konnte beobachtet werden.

Doch während D'Haenens vor Freude in die Luft sprang, fühlte sich Maiman eher benommen. Immerhin konnte er erleichtert feststellen, dass sich sein Einsatz gelohnt hatte und er seinen Arbeitgeber beruhigen konnte. Vermutlich ahnte er aber zugleich, dass es noch viele Schwierigkeiten bereiten würde, um sämtliche Skeptiker zu überzeugen.

Was 1960 noch passierte ......
Die US-Median waren damals bereits sensationsgeil

Eine erste Enttäuschung erlebte Maiman, als er seinen Erfolg zu Papier gebracht hatte und das Manuskript mit dem Titel »Optical Maser Action in Ruby« seinem bevorzugten Fachblatt "Physical Review Letters" zur Veröffentlichung anbot.

Der Herausgeber lehnte die Veröffentlichung des Textes mit dem Hinweis ab, darin ginge es zu wenig um grundlegende Physik und zu viel um technische Anwendungen.

Maiman schickte daraufhin eine verkürzte Version mit Erfolg und der größere Aufmerksamkeit erregenden Überschrift »Stimulated Optical Radiation in Ruby« an die hochrangige britische Fachzeitschrift Nature, die den knapp gehaltenen und einige experimentelle Details aussparenden Beitrag in ihrer Ausgabe vom 6. August 1960 publizierte.

Dennoch muss es Maiman missfallen haben, eine Absage von dem wichtigsten Organ seines Fachs erhalten zu haben. Immerhin schlug die "Hughes Aircraft Company" ihrem Angestellten vor, eine Pressekonferenz abzuhalten, auf der am 7. Juli 1960 die erfolgreiche Entwicklung vorgestellt wurde.

Die amerikanische Presse verkündete daraufhin zwar stolz, aber wenig spektakulär, dass die USA als Sieger aus dem weltweiten Wettrennen um kohärentes Licht hervorgegangen seien.

In den Interviews wurde Maiman von Reportern gebeten, mögliche Nutzanwendungen seiner Erfindung zu nennen, und so zählte er unter anderem die neuen spektroskopischen Methoden auf, die künftig alte Bedürfnisse der Grundlagenforschung befriedigen könnten, die besseren Kommunikations- möglichkeiten, die Laserstrahlen erlauben, und deren Einsatz vor allem im medizinischen Bereich.

»Ein Mann aus LA entdeckt Todesstrahl.«

Ein Redaktionsmitglied der "Chicago Tribüne" (ähnlich der Bild-Zeitung) wollte schließlich wissen, ob seine Erfindung auch zu Laserwaffen führen könnte. Maiman drückte sich um eine klare Antwort und murmelte so etwas wie » mindestens zwanzig Jahre«, die für die Entwicklung eines solchen Projekts nötig seien, ohne an die Folgen dieses Satzes zu denken.

Diese konnte er am nächsten Tag in den Medien finden, die Maimans Wissenschaft jetzt besser verkaufen konnten. Das Thema der Waffen, das die Lasergemeinde von nun an plagen sollte, war angesprochen worden.

Am Tag nach der Pressekonferenz titelte zum Beispiel der Los Angeles Herald: »Ein Mann aus LA entdeckt Todesstrahl.« Und als 1965 die deutsche Übersetzung von John M. Carrolls Geschichte des Lasers bei Ullstein erschien, gab der Verlag dem Buch den Titel "Todesstrahlen ?" - allerdings mit einem Fragezeichen versehen.

KAPITEL 4 - Eine erstaunliche Vielfalt

Bei den Bell Labs musste man enttäuscht sein, dass die erste Laserapparatur nicht im eigenen Haus, sondern in Kalifornien rote Lichtpulse ausgesendet hatte.

Man beeilte sich umso mehr, die Konstruktion unter die kritische Lupe zu nehmen, was konkret bedeutete, dass man sie - besser natürlich - nachbaute, den von ihr generierten Laserstrahl genauer charakterisierte und nicht zuletzt dafür sorgte, dass das Ergebnis zügig in der Zeitschrift publiziert wurde, deren Herausgeber Maimans Beitrag abgelehnt hatte.

Schon am 1. Oktober 1960 konnte man in den "Physical Review Letters" nachlesen, was ein Team der "Bell Laboratories" über die Kohärenz und andere Qualitäten des Lichts herausgefunden hatte, das den Rubinkristall als stimulierte Strahlung verließ.

Eine Zeitlang sorgte diese Publikation für Verwirrung, weil einige Physiker nach der Lektüre annahmen, die Bell-Labs hätten den ersten funktionierenden Laser vorgestellt und erläutert.

Endlich in kontinuierlicher Laserstrahl

Wenn die Wissenschaftler der "Bell Labs" auch nicht den ersten Rubinlaser in Gang setzen konnten, so durfte trotzdem aus gutem Grund in ihren Reihen gefeiert werden, und zwar im Dezember 1960, als Ali Javans Team Erfolg mit einem Helium-Neon-Gaslaser der staunenden Welt einen kontinuierlichen Laserstrahl vorführen konnte.

Das Trio, das hier zusammengearbeitet hatte - Ali Javan, Donald Herriott und William R. Bennett -, jubelte uneingeschränkt, als der Laser leuchtete, und Javan spendierte sogar eine Flasche Wein, die seit über einhundert Jahren darauf gewartet hatte, geöffnet und geleert zu werden.

Das Problem mit der Resonator-Röhre und den Spiegeln

Die Bemühungen, ein Gasgemisch aus Helium und Neon als Lasermedium einzusetzen, waren bislang kaum von Erfolg gekrönt. Das Problem trat bei der Konstruktion des Resonators zutage, der das Gas beherbergen und in der Lage sein musste, die zum Pumpen erforderliche Energie aufzunehmen.

In der Praxis setzte Javans Team zur Energielieferung ein sogenanntes Magnetron ein, das seit den 1920er Jahren bekannt war und zur Erzeugung von Schwingungen
diente.

Zunächst hielt die aus Quarz bestehende Röhre, in der die Gase angeregt wurden und dann stimuliert Licht aussenden sollten, den dabei entstehenden Temperaturen nicht stand. Dann blätterte die Oberfläche der Spiegel ab, die für die oszillierende Erzeugung der Resonanz sorgen sollten.

Aber am 13. Dezember i960 schien alles zu halten - nur dass sich zunächst kein Laserstrahl zeigen wollte. Doch Javan blieb gelassen; er nahm sich vor, die Ausrichtung der Spiegel (in der Glasröhre) sorgfältig zu überprüfen, und begann sie um winzige Winkel zu drehen.

Und endlich - der Dauerstrichbetrieb eines Gas-Lasers

Und endlich zeigte sich das erhoffte Signal, und so verfügte die Welt noch vor Weihnachten über den ersten Laser, der Gase als Medium nutzte und sein Licht kontinuierlich abstrahlte - der erste Laser mit Dauerstrichbetrieb, wie es in der Fachsprache heißt, wobei der »Strich« in der Wortmitte das Aussehen des Strahls erfasst, der das Gerät verlässt.

Der Gaslaser schien nur Vorteile zu bieten - neben dem durchgehenden Strahl verfügte er über eine hohe Effizienz und bot zudem die Möglichkeit, die Emission so zu steuern, dass das ausgehende Licht »einen hohen Grad an Frequenzreinheit aufwies«, wie die Urheber stolz mitteilten.

Alles super toll - aber leider unsichtbar

Er hatte aber einen ärgerlichen Nachteil: Wie erwähnt, blieb sein Licht unsichtbar. Der Helium-Neon Laser produzierte zunächst Strahlung mit einer Wellenlänge von 1153 Nanometern, und wenn dies auch meilenweit von den Mikrowellen der frühen Maser entfernt war, so gehörte dieses Licht zum infraroten Bereich des Spektrums, mit dessen Komponenten es uns zwar warm wird, die unseren Augen aber nicht zugedacht sind, sodass wir mit diesem Licht nur etwas fühlen, nicht aber sehen können.

Die Forscher brauchten bis 1963, bevor sie einem Helium-Neon-Laser auch sichtbares - rotes - Licht entlocken konnten.

10 Jahre Laserentwicklung

Zwischen den frühen 1960er Jahren und 1970 wurde eine Vielzahl von Lasern entwickelt. Im Folgenden sollen jedoch nur vier Entwicklungslinien berücksichtigt werden, die bis heute nachwirken. Zum einen wurde der Menschheit ein unerwartetes Lasermedium beschert.

Dann wurde ein neuartiger Gaslaser entwickelt, der statt mit dem Helium-Neon-Gemisch mit C02 (Kohlendioxid) operierte - einem Stoff, der in Zeiten des Klimawandeis eher unangenehme Assoziationen wecken kann, was aber nicht von der Qualität als Lasermedium ablenken sollte.

Zum dritten wurde der wahrscheinlich wichtigste Festkörperlaser entwickelt, der in der Fachwelt durch das Kürzel Nd:YAG bekannt ist, was sich einfach als »Neo-dümjag« oder »N-d-jag« aussprechen lässt (und gleich erläutert wird).

Und schließlich ging es um eine besondere Klasse von Festkörperlasern, die den Namen Halbleiterlaser bekommen hat. Bei diesen erfolgt die Anregung und Lichterzeugung völlig anders, als bisher dargelegt wurde.

Im Mittelpunkt stehen dabei die Halbleiter (»semiconduetor«), mit denen sowohl die bereits erwähnten Transistoren als auch die heute sich verbreitenden Leuchtdioden gefertigt werden und aus deren Einsatz insgesamt ein riesiges Wirtschaftspotenzial erwachsen ist. Erwähnt sei noch, dass sich bereits
vor Maimans Erfolg mit Rubin Physiker darum bemüht haben, Laser mithilfe von Halbleitern zu konstruieren. Es dauerte aber noch bis zum Herbst 1962, bis sie ihren Erfolg melden konnten.

Vier Lasertypen im Vergleich

Typ Strahl Energiequelle Leistung Wellenlänge
Argon-Ionen-Laser Dauerstrich Entladung einige Watt 488nm
Nd:YAG-Laser Puls/Dauerstrich Licht   einige 100 W/kW 1064nm
C02-Laser Dauerstrich Entladung 1-20 kW 10,6um
Halbleiterlaser Dauerstrich Strom einige mW bis kW 400 und 1650nm

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Über die Leistungsdichte von Laser-Strahlen

Aus dem Alltag bekannt sind die Glühbirnen, auf denen manchmal etwas von 100 Watt zu lesen ist. Die Einheit »Watt«:, die nach dem Erfinder der Dampfmaschine benannt ist, erfasst die Energie, die pro Zeiteinheit geliefert beziehungsweise verbraucht wird.

Die Glühbirne nimmt beispielsweise 100 Watt Leistung auf, das bedeutet jedoch nicht, dass sie so viel abstrahlt. Gewöhnlich verfügen Haushaltslampen über einen Wirkungsgrad von knapp 5%, was heißt, dass sie nur mit knapp 5 Watt zur Helligkeit beitragen und ein Zimmer beleuchten.

Da diese Menge sich rundum verteilt, spürt man zwar eine angenehme Wärme in der Nähe einer eingeschalteten Glühbirne, deren Oberfläche sogar sehr heiß wird - aber viel mehr passiert bei diesen Energiemengen nicht, wenn man von dem Licht absieht, das den Raum durchflutet.

Der erwähnte Argon-Ionen-Laser bringt ebenfalls einige Watt an Leistung zustande, aber bei ihm gilt - wie bei jedem Laserlicht - zu beachten, dass die gesamte Energie in dem Strahl gebündelt ist.

Was zählt, ist die Leistungsdichte (Intensität), die gewöhnlich als Watt/cm2 angegeben wird. Wenn man 5 Watt auf einen runden Strahl mit dem Durchmesser von 1 Millimeter konzentriert, erzielt man bereits eine Leistungsdichte von rund 160 Watt/cm2, und wenn man sich gar einen noch kleineren Lichtpunkt von einem Zehntelmillimeter vorstellt, dann geht es schon um runde 16 Kilowatt (kW], wobei dieser Begriff von den Kilowattstunden her bekannt ist, die auf der Stromrechnung zu finden sind.
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1964 - eine geniale Entdeckung - Nd:YAG

Der wichtigste Festkörperlaser stammt aus dem Jahr 1964 und trägt den Namen Nd:YAG. Wesentlich verantwortlich für seine Entwicklung war Joseph E. Geusic, der damals ebenfalls in den Bell Labs arbeitete.

Seine selbst gestellte Aufgabe bestand darin, den ursprünglichen Rubinlaser zu verbessern, was zum Beispiel heißen konnte, das Medium verlässlicher und billiger zu machen oder nach Wegen zu suchen, um einen kontinuierlichen Strahl zu produzieren.

Zur Erinnerung: Rubin enthält als Lasermedium das Element Chrom, das in einer chemisch nicht besonders auffälligen Kristallstruktur eingebettet ist. So konnte die erste Aufgabe der Entwickler darin bestehen, das Periodensystem im Umkreis von Chrom zu erkunden und die dort liegenden Elemente auszuprobieren.

Es galt, die Frage zu klären, ob ihre Energieniveaus besser als die von Chrom für den Lasereffekt geeignet sein würden, und die Antwort lautete
Ja. Das bald bevorzugte Element, das schon früh im Visier der Laserpioniere war, hieß Neodym.

Was ist aber Neodym? Achtung : Wir sind noch im Jahr 2010

Natürlich könnte man jetzt auch fragen: Was ist Chrom ?, ohne dass jemand mit den chemischen Eigenschaften des Metalls mit der Ordnungszahl 24 im Periodensystem der Elemente antworten würde. Chrom ist uns aber als Wort geläufig - etwa wenn man von chromglitzernden Stoßstangen spricht oder an verchromte Leichtmetallfelgen denkt.

Neodym bleibt im Alltag ohne entsprechenden Anklang. Es ist wie Chrom ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit der Ordnungszahl 60.

Dieses silbrigweiß glänzende dreiwertige Metall wird den »Metallen der seltenen Erden« zugeordnet und hat von Beginn an das Interesse der Laserforscher geweckt, die es gemeinsam mit anderen Elementen wie Erbium schon ab 1961 Kristallen beifügten, um sie zum Lasern zu bringen.

Einen harten Festkörper mit konstanten optischen Eigenschaften

Auch Geusic nahm sich des Neodyms an, wobei sein erstes Augenmerk der Suche nach dem geeigneten Gerüst galt, in das sich das aktive Laserelement einbauen ließ.

Man wollte einen harten Festkörper mit konstanten optischen Eigenschaften, der sich mit möglichst wenig Pump-Energie betreiben ließ. Geusic und sein Team gingen systematisch vor, probierten rund vierzig Kristallformen aus und landeten schließlich bei der Verbindung, die heute weltweit eingesetzt und mit den Buchstaben YAG bezeichnet wird, einer Abkürzung für die Kombination Yttrium-Aluminium-Granat.

In dieser Verbindung sind die drei Elemente Yttrium, Aluminium und Sauerstoff in der durch die Formel Y3Al5012 gegebenen Relation miteinander verbunden. Solche Verbindungen formen Kristalle, die - nach dem lateinischen Wort »granum« für Korn - Granate heißen.

Das "warum" ist nicht geklärt, aber es funktioniert

Zwar wird kaum jemand in der Lage sein, befriedigend zu erklären, was ausgerechnet Nd:YAG so lasertauglich macht, die damit funktionierenden Laser sind jedoch in der Forschung und zur Bearbeitung von Materialien sehr beliebt: Sie gelten als sehr zuverlässig, sind vielfältig verwendbar, operieren mit vier Zuständen, zwischen denen sich zwei Laserniveaus befinden, und können sowohl im kontinuierlichen Betrieb als auch im Pulsmodus betrieben werden.

Erwähnenswert ist, dass es mit Nd:YAG bereits 1966 gelungen ist, Laserpulse zu erzeugen, die kürzer als 10 hoch -10 Sekunden dauerten. Bei einer Lichtgeschwindigkeit von 300.000 km/sec bedeutet dies, dass der Laserstrahl in dieser Zeit nur 3 Zentimeter weit gekommen ist.

1967 kamen die ersten Nd:YAG-Laser auf den Markt

Nd:YAG-Laser kamen ab 1967 auf den Markt und lösten im Verlauf des restlichen Jahrzehnts die Vormachtstellung der Rubinlaser ab. YAG-Kristalle konnten bei einer Dicke von einem Zentimeter bis zu einer Länge von 15 Zentimetern gezogen werden; zu ihrer Betreibung standen geeignete, mit dem Edelgas Krypton (anstelle von Neon) arbeitende Lampen als optische Pumpen zur Verfügung, die sowohl langlebig waren als auch kostengünstig angeboten wurden.
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  • Anmerkung : Bezüglich der Entwicklung der Laser-Video-Discs bei Philips ist zu vermuten, daß die Philips Ingenieure 1968 auch damit experimentiert hatten.  Doch kurz darauf kamen die ersten Halbleiter Laser aus den Labors oder zumindest die Berichte und die Artikel darüber. Damit war die Laser-Abtastung mit dem langen Laser-Rohr bereits Geschichte.

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Die Halbleiter bei den Lasern

Wenn bei Rubin kristallen oder YAG von einem Festkörperlaser gesprochen wird, dann kann dies insofern irreführend sein, da das Licht nicht von diesen Materialien ausgeht.

Es stammt vielmehr von den Zusätzen (Dotierungen), mit denen sie »aufgeputscht« worden sind. Als »Dopingmittel« fungiert beim Rubin das Chrom und beim YAG das Neodym, und beide leisten ihre Dienste.

Festkörperlaser, bei denen die Kristalle selbst laseraktiv sind

Tatsächlich gibt es aber echte Festkörperlaser, bei denen die Kristalle selbst laseraktiv sind, allerdings auch erst nach geeigneter Verabreichung von »Aufputschmitteln«.

Mit ihrer Hilfe können Elemente, die als Halbleiter bekannt und viele Jahrzehnte hindurch von Experten als nutzlos betrachtet wurden, zu Wunderwerkzeugen der Technik geschmiedet werden. Als Halbleiterlaser haben sie längst den Weltmarkt und unseren Alltag erobert.

Es ist leicht einsichtig, warum Halbleiter zunächst weder zum großen Renner der Forschung noch von Ingenieuren beachtet wurden. Die Welt brauchte zunächst Stoffe, die entweder Strom leiteten - dann nannte man sie Leiter - oder sein Fließen verhinderten - dann sprach man von Isolatoren.

Halbleiter, wie zum Beispiel die Elemente Silizium oder Germanium, stehen zwischen den genannten Kategorien. Sie können "nichts Halbes und nichts Ganzes", das heißt, sie können Strom zwar leiten, können ihn aber auch blockieren, und was sie gerade tun, hängt von äußeren Bedingungen wie zum Beispiel der Temperatur ab.

Neu : Die inneren Eigenschaften von Halbleitern

Irgendwann fiel auf, dass die Eigenschaften von Halbleitern auch von inneren Bedingungen abhängen, womit nicht die Temperatur, sondern so etwas wie die Reinheit eines Halbleiters gemeint ist.

Wenn man einen Eisen- oder Kupferwürfel vor sich hat, dann besteht er nicht vollständig aus Eisen- oder Kupfer- Atomen. In jedem Material gibt es unvermeidliche Verunreinigungen, und selbst das als rein gepriesene Quellwasser ist durchsetzt mit Mineralien und Spurenelementen, ohne dass diese Zusätze etwas Wesentliches verändern würden - das Wasser bleibt gesund und schmeckt wie vorher, und Eisen oder Kupfer leiten die Elektrizität, als ob es keine anderen Elemente in ihnen gäbe.

Das ändert sich entscheidend bei Halbleitern, wenn man die Hinzufügungen - die Aufputschmittel beziehungsweise Dotierungen - passend wählt.

Was sind passende Dotierungen bei Halbleitern ?

Was heißt aber passend? Da gilt es, zwei Möglichkeiten zu unterscheiden. Zu diesem Zweck betrachten wir als Halbleiter das berühmte Silizium, das sich zum Beispiel im Sand in Riesenmengen findet, und zwar in der chemischen Form, die im Alltag als Quarz bekannt ist und in der Fachsprache Siliziumdioxid (SiOz) genannt wird.

Silizium-Atome tragen vier Elektronen außen in ihrer Hülle, und wenn sich viele Silizium-Atome zu einem Kristall zusammenfinden, geht jedes dieser vier Elektronen eine Bindung mit seinem Nachbarn ein.

Der entscheidende Trick, eher langweilige Halbleiter in höchst aufregende Substanzen zu verwandeln, besteht in der Hinzufügung von anderen Atomen, die entweder ein Elektron mehr in ihrer Außenschale mit sich führen oder eines weniger haben.

Klingt gefährlich : Phosphor oder Arsen

Für den ersten Fall kommen zum Beispiel Phosphor oder Arsen infrage und für den zweiten kann man Aluminium oder Gallium einsetzen.

Nimmt etwa ein Phosphor-Atom in einem Halbleiterkristall den Platz eines Siliziums ein, werden vier seiner verfügbaren Elektronen gebunden, und eines bleibt frei. In dem mit Phosphor ausgestatteten Siliziumkristall schwirren also einige Elektronen frei herum. Sie sorgen dafür, dass der Halbleiter ein Leiter wird, in dem nun ein Strom fließen kann.

Oder vielleicht Gallium ?

Umgekehrt geht es auch. Denn wenn etwa Gallium in dasselbe Siliziumgerüst eingefügt wird, dann fehlt das vierte Elektron, um alle Verbindungen zu den Nachbar-Atomen zu schließen. Dies bedeutet, dass ein Loch entsteht, das ebenso beweglich ist wie ein Elektron selbst.

Man kann das gut anhand einer Sitzreihe im Kino oder Theater veranschaulichen, in der ein Platz in der Mitte frei geblieben ist. Wenn das Stück beginnt, rücken die Zuschauer von der Seite nach, wodurch sich der leere Stuhl - das Loch im Kristall - in die entgegengesetzte Richtung bewegt.

Und da der freie Platz so schnell vorrückt wie die Menschen, die ihn besetzen, kann man sich leicht vorstellen, dass ein Elektronenloch sich so rasch bewegt wie die Elektronen, die es einnehmen könnten.

Mit anderen Worten, auch der eben beschriebene Halbleiter - Silizium mit Gallium dotiert - wird in einen Leiter verwandelt, nur dass die Träger der Ladung diesmal Löcher sind.

Da Elektronen negativ geladen sind, müssen Löcher das positive Gegenstück bilden, und mit den Anfangsbuchstaben dieser beiden Attribute erklärt sich die Bezeichnung von n-dotierten beziehungsweise p-dotierten Halbleitern.

Auf sie kommt es jetzt an, denn mit ihnen kann man eine Menge raffinierter Gerätschaften bauen - Dioden, Laser und Transistoren zum Beispiel.

Dioden auf dem Weg zum Laser

Wir beschränken uns auf die ersten beiden Konstruktionen und beginnen mit der Diode, die sich als Kombination aus einem n-dotierten mit einem p-dotierten Halbleiter ergibt, wobei beide über eine möglichst dünne Verbindungsschicht (»junction«) Kontakt aufnehmen.

Sie entsteht bei der Herstellung einer Diode, und in ihr befinden sich etwa gleich viele überschüssige Elektronen und Löcher. Solange keine Spannung an einer Diode anliegt, passiert gar nichts.

Wenn man aber eine Spannung anlegt ......

.... - etwa mithilfe einer Batterie -, dann bestehen erneut zwei Möglichkeiten:

Man kann den Plus-Pol der Batterie an die n-dotierte Seite der Diode anlegen oder umgekehrt vorgehen. Im ersten Fall bewegen sich die freien Ladungen nach außen und vom Übergang weg, im zweiten Fall drängen sie zu ihm hin.

Im ersten Fall passiert nichts, aber im zweiten Fall treffen Elektronen und Löcher aufeinander, was eine klare Folge hat: Beide kommen wieder zusammen und neutralisieren ihre Ladungen oder rekombinieren - wie es fachlich korrekt heißt -, und dabei entsteht Licht.

  • Anmerkung : Das müsste etwas genauer erklärt werden, den die allermeisten Dioden leuchten gar nicht.

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Wenn aus der Markierungs-Linie ein Band wird ....

Jetzt wird es komplex. Sie müssen das nicht verstehen.

Die für das Lasergeschehen maßgebliche Einsicht der Physik besteht bekanntlich in der Existenz von charakteristischen Zuständen, die durch unterschiedliche Energien ausgezeichnet sind. Wenn Atome zwischen diesen diskreten Zuständen mittels Quantensprüngen wechseln, wird das Licht frei, das man durch geeignete Anordnungen in einen Laserstrahl verwandeln kann.

Was für einzelne Atome - etwa ein Chrom im Rubin oder ein Neodym im Granat - gilt, bleibt richtig für Atome im Kristallverbund, also in einem Festkörper - mit dem Unterschied, dass aus dem einzelnen Zustand ein Gemisch geworden ist, das seine Form unter anderem durch die Wechselwirkungen zwischen Nachbarn im Kristall bekommt.

Aus der Linie, die den Quantenzustand eines einzelnen Atoms markiert, wird im Festkörper ein Band, das angibt, welche Energien den Bausteinen zur Verfügung stehen. Und wie in einem Atom im Wesentlichen zwei Zustände zu unterscheiden sind - der Grundzustand und die angeregte Variante -, gibt es auch im Festkörper zwei Bänder, deren Namen angeben, was die in ihnen zu findenden Gegebenheiten tun. In der Physik spricht man von einem Leitungsband mit hoher Energie, weil die sich dort aufhaltenden Elektronen für die Leitfähigkeit sorgen. Es wird vom Valenzband mit geringer Energie unterschieden, weil es hier um Beiträge zur chemischen Bindung geht.

Das Licht einer Diode kann nun einfach erklärt werden: Wenn Elektronen und Löcher im Übergang einer p-n-Anordnung rekombinieren, springen sie zugleich aus dem Leitungs- in das Valenzband, und die dabei frei werdende Energie können wir als Licht sehen.

Das war beinahe schon zu kompliziert, aber es funktioniert

Das soeben Beschriebene funktioniert heute in Leuchtdioden, die nicht nur wie Glühbirnen käuflich sind, sondern auch wie sie strahlen.

Das heißt, Leuchtdioden senden Licht in alle Himmelsrichtungen aus, was bedeutet, dass es noch einen eigenen Schritt brauchte, um von der Diode zum Diodenlaser zu gelangen. Es hat aber nicht lange gedauert, bis die Wissenschaft ihn gehen konnte, denn beide Lichtquellen wurden bereits im Jahr 1962 vorgestellt.

Die erkennbaren Perspektiven des Dioden-Lasers

Das Interesse an Diodenlasern war deshalb sofort so groß, weil zum einem die Energie für den gewünschten Laserstrahl mithilfe einer elektrischen Spannung direkt in das Medium einzubringen war - man spricht daher manchmal von Injektions-Lasern - und weil zum anderen das Licht bei der damals bereits verfügbaren Auswahl an Halbleitermaterialien alle möglichen Farben von Rot bis Blau annehmen konnte.

Darüber hinaus konnte man erwarten, dass die Dimensionen eines Diodenlasers im Vergleich zum Rubinlaser oder zu den CO2-Lasern winzig sein würden.

Es kam aus der Entwicklung der Transistoren - Galliumarsenid

Was die Entwicklung des Diodenlasers wirklich beschleunigte, hatte mit der Tatsache zu tun, dass den Physikern längst ein Material zur Verfügung stand, das dafür wie geschaffen schien.

Gemeint ist die Verbindung Galliumarsenid (GaAs), zu deren Entwicklung unter anderem der berühmte Elektronikriese IBM beigetragen hat. Hier benötigte man diese Halbleiterverbindung für die Transistoren, mit deren Hilfe immer bessere Computer mit immer mehr Schaltungen und Speicherplatz entwickelt werden konnten.

In dem Galliumarsenid bilden sich bei anfänglich niedriger Spannung - also geringem Strom - spontan erste Elektron-Loch-Paare, deren Zahl mit zunehmender Spannung wächst und deren Licht schließlich - oberhalb einer Schwelle - Elektron-Loch-Paare stimuliert, die ihre überschüssige Energie erst einmal behalten und nicht sofort als Licht abgeben.

Wenn nun hinreichend Strom fließt .......

, ...... kommt es zu der für den Lasereffekt benötigten Umkehr der Besetzungszahlen, das heißt, es gibt jetzt mehr Elektron-Loch-Paare als Atome, deren Extra-Elektron im Valenzband gebunden ist.

Die Operation des Diodenlasers beginnt - wobei das Galliumarsenid zusätzlich mit reflektierenden Oberflächen ausgestattet wird, die zur optischen Resonanz führen und damit die Verstärkung bewirken, die Voraussetzung für jedes Laserlicht ist.

Die Physiker haben für die Elektron-Loch-Paare den Namen Exziton eingeführt, das wie die Worte Photon oder Elektron gebildet ist. Darin kommt zum Ausdruck, dass es sich hierbei um einen angeregten (»excited«) Zustand des Festkörpers handelt, der wie ein Quantenteilchen behandelt werden kann. Er stellt das obere Laserniveau dar, von dem aus die stimulierte und verstärkte Emission ihren Gang nehmen kann.
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Der erste Diodenlaser von Ende 1962

Es wurde ein intensiver Wettkampf zwischen den Teams von General Electric (GE) und IBM um den ersten Diodenlaser ausgetragen, der am Ende des Jahres 1962 realisiert wurde und in den man hohe Erwartungen setzte. Als er funktionierte, wurde der Diodenlaser sogleich als Sensation bewertet.

Seine Effizienz wurde bald auf mehr als 70 Prozent gesteigert, (Anmerkung : Die Eeffiziens eines Gas-Lasers lag unter 1% der zugeführten Energie) und die Ausmaße des Diodenlasers konnten in Millimetern angegeben werden.

In der Fachzeitschrift Electronics wurde damals sogar die Frage aufgeworfen, wann Diodenlaser die früheren Entwicklungen wie Gas- und Festkörperlaser obsolet machen und den gesamten Markt bedienen würden.

Anfänglich eine viel zu hohe Erwartungshaltung

Bei dieser Euphorie übersah man etwas leichtfertig, dass die ersten Halbleiterlaser, die aus Galliumarsenid und damit aus zwei Bauelementen bestanden, die p- beziehungsweise n-dotiert waren, zum einen nur den Pulsbetrieb beherrschten und zum anderen trotz des direkten Einspeisens der Energie eine hohe Wärmeentwicklung zeigten. Sie funktionierten daher nur bei sehr niedrigen Temperaturen und mussten aufwändig durch flüssigen Stickstoff auf runde -200 Grad Celsius abgekühlt werden.

Die Lösung der hohen Abwärme mit etwas Aluminium

Das Problem konnte um 1970 gelöst werden, als es gelang, zwischen die verschieden dotierten Schichten aus mehr oder weniger reinem Galliumarsenid noch Ebenen aus demselben Halbleiter zu schieben, denen zusätzlich ein Anteil an Aluminium beigefügt war.

Diese Idee dazu kam sogar aus Deutschland

Wenn man den aktiven Übergang des ursprünglichen Gallium-Arsenid-Lasers zwischen n- beziehungsweise p-dotierten GaAs-Halbleitern positioniert, entsteht ein besonderer Übergang, der "Heterojunction" genannt wird.

Mit seiner Hilfe können Diodenlaser gebaut werden, die kontinuierlich Licht aussenden und dies bei Raumtemperatur vermögen. Für diese Idee von Halbleiterheterostrukturen und ihre Implementation in Diodenlaser wurde dem -übrigens aus Weimar stammenden - Physiker Herbert Kroemer zusammen mit dem Russen Schores I. Alfjorow der Nobelpreis für Physik für das Jahr 2000 verliehen.

Laserdioden müssen nach wie vor gekühlt werden

Laserdioden werden zur Kühlung auf eine Metalloberfläche montiert, und die Wärme wird über Kühlkörper mittels des sogenannten thermoelektrischen Effekts oder Wassers in Mikrokühl-kanäle abgeführt.

Die Gefahr einer Überhitzung bleibt stets vorhanden, selbst wenn die Hälfte der eingeführten elektrischen Energie in Laserlicht umgewandelt wird.

Das heißt, wenn man sich bei der Laserleistung beschränkt, kann die Wärme gut verkraftet werden - etwa bei den heute beliebten Laserpointern, die rote und grüne, auch blaue oder orangefarbene Punkte auf eine Leinwand bringen können.

Für ihre Leuchtkraft reichen 3 Milliwatt (mW) aus, zudem wird niemand allzu hohe Anforderungen an die Strahlen stellen, solange sie ausreichend hell sind.

In diesem Fall kann man die mitgeführte Energie nutzen, um bei anderen Lasern die zu ihnen gehörenden aktiven Bestandteile (Atome oder Ionen] präzise zu stimulieren, ohne dabei unnötig Anregungsenergie zu verbrauchen. Tatsächlich gibt es längst Laser, die von Lasern gepumpt werden (Festkörperlaser von Diodenlasern).
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Die anderen Eigenschaften der Laser- Dioden- Entwicklung

sowie der Glasfaser-Entwicklung sind für unsere Betrachtung der optischen Abtastung von CD und DVD usw. nicht mehr so relevant. Die Details der Laserdioden für AUDIO-CD-Spieler stehen in den anderen Büchern und die kommen hier .........
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Hier fehlt noch etwas, aber das kommt noch

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