Physik Journal 5 / 2012

Die Geschichte des Halbleiterlasers ist geprägt von Irrtümern und Konfusion. Es ist die Geschichte eines Konzepts, für dessen Erfolg es immer neuer Anläufe bedurfte, und zwar über Jahrzehnte hinweg. Die Entwicklung des Halbleiterlasers ist ein Mus­ter­beispiel für interdisziplinäre Forschung mit langem Atem, für das Zusammenwirken von Materialwissenschaften mit unterschiedlichsten physikalischen Disziplinen, mit Computerentwicklung, Kommunikationstechnik und Maschinenbau. Es ist eine Geschichte, die uns lehrt, dass man nie aufgeben sollte.

1960 beobachtete Theodore Maiman stimulierte Emission zwischen elektronischen Übergängen von Chrom-Atomen in Al2O3 (Rubin) und bestätigte damit Einsteins Vorhersage aus dem Jahr 1917. Innerhalb von 18 Monaten wurden der aus dem Staunen nicht herauskommenden Weltöffentlichkeit weitere Laser präsentiert. Dazu zählten Festkörperlaser, z. B. auf YAG-Basis, sowie die ersten Gas- und Halbleiterlaser. Festkörper- und Gaslaser arbeiteten von Beginn an bei Zimmertemperatur. Ihr Anwendungspotenzial in der Forschung, von der Spektroskopie bis zur Kernfusion, war ebenso offensichtlich wie in der Material­bearbeitung –  vom Bohren kleinster Löcher in der Uhrenherstellung, über das Schweißen in der Auto­mobilfertigung, bis hin zum Härten der Zylinder von Dieselmotoren.

Halbleiterlaser hingegen funktionierten nur bei der Temperatur flüssigen Heliums, also bei 4,2 K. Ihre theoretischen Grundlagen legten von 1960 bis 1962 im Wesentlichen vier Arbeitsgruppen um Nicolay Basov vom Lebedev-Institut der Russischen Akademie der Wissenschaften, um Willard Boyle und David Thomas von den Bell Labs, um Georges Duraffourg vom CNET in Frankreich und um William Dumke von IBM. Die Idee war einfach: Man nehme einen pn-Übergang in einem Halbleiter (Homoübergang) und injiziere Ladungsträger, d. h. Elektronen von der n-Seite und Löcher von der p-Seite. Damit sind die beiden Grundvoraussetzungen für einen Laser erfüllt: ...

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Das Fermatsche Prinzip der Optik besagt, dass das Licht stets den Weg nimmt, der dem extremalen (oft dem kürzesten) optischen Weg entspricht. Der optische Weg ist proportional zur Laufzeit des Lichts und gegeben durch das Integral der optischen Brechzahl über den Weg. Der Weg und die optische Brechzahl sind also entscheidend. Ein verkürzter Weg ist äquivalent zu einer kleineren Brechzahl n. Dies deutet schon darauf hin, dass sich die Geometrie des gekrümmten oder verzerrten Raums mit der Lichtpropagation verknüpfen lässt. Diese Verknüpfung ist in der Elektrodynamik und Optik immer exakt möglich und darüber hinaus näherungsweise auch in anderen Wellensystemen.

Die hierbei auftretenden Verzerrungen entsprechen mathematisch Koordinatentransformationen – daher der Name Transformationsoptik. Wichtig ist hierbei, dass die Maxwellschen Gleichungen auch bei der Transformation in krummlinige Koordinaten ihre mathematische Gestalt beibehalten. Nur die Tensoren der elektrischen Permittivität ε und der magnetischen Permeabilität µ ändern sich. Startet man beispielsweise die Transformation mit dem Vakuum, ergibt sich außerdem ε = µ. Dies gewährleistet, dass an keiner Stelle des Raums Reflexionen oder Polarisationsabhängigkeiten auftreten. Resonanzen in maßgeschneiderten künstlichen Materialien ermöglichen prinzipiell solche anisotropen magneto-dielek­trischen optischen Eigenschaften. Ist man bereit, gewisse Reflexionen und/oder Polarisationsabhängigkeiten zu tolerieren, lassen sich aber auch schon mit Dielektrika, für die µ=1  gilt, viele Möglichkeiten näherungsweise umsetzen. ...

Wenn Gummiwerkstoffe versagen, kann das dramatische Folgen haben. Einer der spektakulärsten Fälle war sicher die Challenger-Katastrophe am 28. Januar 1986, bei der alle sieben Besatzungsmitglieder starben. Eine Untersuchungskommission wurde einberufen, um den Unfall zu klären. Einer der prominentesten Mitglieder, Richard Feynman, führte auf einer öffentlichen Sitzung der Kommission ein Experiment zur Elastizität der Dichtungsringe vor, das die Frage nach der Unfallursache beantwortete und tags darauf die Medien beherrschte: Ursache für die Katastrophe waren schadhafte Dichtungsringe aus Gummi an einer der beiden wieder verwendbaren Feststoffraketen. Bei den relativ niedrigen Nachttemperaturen verloren die Ringe an Elastizität, sodass ein Leck entstand, aus dem Gas austrat und sich entzündete.

Materialversagen war auch die Ursache des „Fire­stone-Ford-Debakels“ im Jahr 2000. Der Ford Explorer war mit Firestone-Reifen ausgestattet, die auffallend häufig Reifenplatzer hatten. Die Folge waren rund 700 Unfälle, davon 200 mit Todesfolge. Eine Rückrufaktion von 30 Millionen Reifen verursachte direkte Kosten von 3,5 Milliarden US-Dollar. Weniger spektakulär sind der alltägliche Reifenabrieb oder die bei besonders rauen Fahrbedingungen, etwa auf Schotterpisten, hervorgerufenen Verschleißphänomene. Ein aktuelles Beispiel von Materialversagen lieferten Brust­implantate, die aufgrund von Rissen im Silikongummi geplatzt sind.

Sowohl bei Reifengummi als auch bei dem sehr weichen Silikongummi handelt es sich um chemisch vernetzte und verschlaufte Polymernetzwerke, die relativ stark verformbar sind. Reifengummi besteht in der Regel aus einem Gemisch („Blends“) verschiedener Polymertypen wie natürlichem oder synthetischem Kautschuk. Zusätzlich sind sie noch mit Füllstoffen wie technischen Rußen oder gefällter Kieselsäure (bei Silika-Reifen) verstärkt. ...