Nicht zum Reinbeißen

Herkömmliche Halbleiterlaser eignen sich besonders gut zum Einbau in komplexe Geräte, da sie sehr kompakt sind. Sie erreichen jedoch nicht die Leistung anderer Laser­systeme, und ihr Strahl ist nicht so gut fokussierbar. Eine wichtige Verbesserung brachte die Erfindung des Festkörper-Scheibenlasers an der Universität Stuttgart und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raum­fahrt (DLR) Stuttgart. Diese befruchtete auch den Halbleiter­bereich und führte zur Realisierung von Halbleiter-Scheiben­lasern. Letztere sind zwar um den Faktor 100 leistungsfähiger als konventionelle Halb­leiter­laser. Für viele Anwendungen reicht jedoch auch das manchmal nicht aus.

An den Instituten für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenz­flächen (IHFG) und für Strahl­werkzeuge (IFSW) suchten Forscher daher nach einem Weg, um Halbleiter-Scheibenlaser in ihrer Ausgangs­leistung weiter zu verbessern, ohne deren Vorteile – unter anderem ein hervorragendes 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, ließen die Wissenschaftler alles weg, was nicht unbedingt für den Laser benötigt wird: Das Träger­substrat, auf dem die Halbleiter­schichten abgeschieden werden, entfernten sie ganz; den bei Halbleiter-Scheibenlasern stets integrierten Halb­leiter­spiegel ersetzten sie durch einen weiteren externen Spiegel. Übrig blieb die nur wenige 100 Nanometer dicke laser­aktive Zone. Diese wurde zwischen zwei Diamant­scheibchen gepresst, da sich der transparente Edelstein hervorragend als integrierter Kühlkörper eignet.

Hierfür isolierten die Doktoranden Hermann Kahle (IHFG) und Cherry May Mateo (damals IFSW) mit nass­chemischen Verfahren die auf dem Träger­substrat hergestellte laseraktive Zone. Die Halbleiter­membran, insgesamt nur ein Achtzigstel so dick wie ein menschliches Haar, kann überhaupt nur in einer Flüssigkeit aufbewahrt werden. Dann wurde es spannend, denn es galt, die Membran auf einen der nur vier Millimeter großen und 0,5 Millimeter dicken Diamanten zu platzieren, und zwar an einem Stück, mittig und absolut 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.

Nach etlichen Versuchen war das Diamant-Halbleiter-Sandwich fertig und konnte nun in einen Laserresonator eingesetzt und im Optik-Labor charakterisiert werden. Das Justieren dauerte Stunden, dann blitzte es endlich auf: Der Membran­laser funktionierte und emittierte einen starken Licht­strahl im roten Spektralbereich. Und dieser zeigte all die Eigenschaften, die die Doktoranden sich erhofft hatten: eine hohe Ausgangs­leistung, die Einstell­barkeit der Laser­wellen­länge während des Betriebs, ein perfektes Strahlprofi – und das Ganze dank des Diamant-Sandwichs bei einer Betriebs­temperatur von zehn Grad Celsius. Früher musste das Bauteil teilweise bis minus dreißig Grad Celsius gekühlt werden.

Für das Forscherteam fängt die Detailarbeit jetzt freilich 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 Membran-Laser herstellen.

U. Stuttgart / DE