UV-Laser als Ersatz für Leuchtstoffröhren
Wissenschaftler haben den Prototyp eines Festkörper-Lasers vorgestellt, der als langlebige und energiesparende Alternative zu Leuchtstoffröhren oder Glühbirnen eingesetzt werden könnte.
Wissenschaftler der Sandia National Laboratories und der Brown University haben den Prototyp eines Festkörper-Lasers in VCSEL-Bauweise vorgestellt, der im ultravioletten Spektral-Bereich leuchtet. Mit Phosphor beschichtet leuchtet der Laser intensiv weiß; er könnte als langlebige und energiesparende Alternative zu Leuchtstoffröhren oder Glühbirnen eingesetzt werden. Die Wissenschaftler versprechen sich von der Markteinführung ihrer Entwicklung weltweit Einsparungen von 100 Milliarden US-Dollar und eine Abnahme der Kohlenstoff-Emissionen um gut 350 Millionen Tonnen jährlich – eine solche Markteinführung wird allerdings voraussichtlich noch bis 2025 dauern. Ein Bericht der Forscher ist jetzt in der Fachzeitschrift IEE-Electronic Letters veröffentlicht worden.
Dass Halbleitermaterialien wie Galliumnitrid und Aluminiumnitrid im Ultravioletten emittieren, ist der Wissenschaft schon länger bekannt. Allerdings liegt die Effizienz solcher Laser bei Umwandlung der elektrischen Energie in Strahlungsenergie lediglich bei einem Prozent. Der Durchbruch gelang den Wissenschaftlern um Jung Han, als sie zur bekannten Materialmischung Indium hinzufügten. Dadurch stieg die Effizienz der VCSEL auf gut zwanzig Prozent. Allerdings verschiebt sich durch den Zusatz von Indium die Wellenlänge auf 380 Nanometer und liegt somit an der Grenze des ultravioletten Bereiches. Der UV-VCSEL existiert momentan nur als Prototyp und wird durch andere, größere Laser optisch gepumpt. Allerdings hoffen die Wissenschaftler, dass ihr Laser in zwei Jahren wie andere kommerzielle Schaltelemente elektrisch gepumpt wird.
VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) sind kleine schichtförmig aufgebaute und aus dem Trägermaterial herausgeätzte vertikale Laser-Zylinder, die das Licht senkrecht zu der Substratoberfläche emittieren. Das lichtverstärkende Medium in diesen Lasern besteht aus einer Halbleiterschicht, die nur wenige Atomlagen dick ist. In einer solchen Schicht können Elektronen nur bestimmte diskrete Energiezustände annehmen, die durch eine verbotene Zone, die Bandlücke des Halbleiters, getrennt sind. Zwingt man die Elektronen, über die Bandlücke zu springen, senden sie ein Photon der gewünschten Energie aus.
Damit in der extrem dünnen Halbleiterschicht eine nennenswerte Lichtverstärkung stattfinden kann, müssen die Photonen sie sehr häufig durchqueren. Der obere und untere "Deckel" des Zylinders reflektiert die Photonen – die Spiegel bilden einen so genannten Resonator – sodass sie das Halbleitermaterial sehr oft durchqueren. Nur ein kleiner Teil des Photonen wird durch einen der Spiegel durchgelassen (ausgekoppelt). Damit die Resonatorspiegel möglichst gut reflektieren, nutzt man den Effekt, dass Licht an der Grenzfläche von Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindices teilweise reflektiert wird. Die Spiegel der Mikrolaser baut man in der Regel alternierend aus dünnen Schichten etwa aus Gallium- und Aluminiumarsenid auf. Die Mikrolaser können in großer Anzahl und rasterförmiger Anordnung auf einem Wafer zusammen hergestellt und in einem Arbeitsschritt getestet werden, wie es auch bei integrierten Schaltkreisen üblich ist. (wst)
