Mit der Compact Disc schufen führende Unternehmen der Unterhaltungselektronik ein beliebtes Format, das den Musikmarkt mehrere Jahrzehnte dominierte. Eine der wesentlichen technologischen Entwicklungen aus dieser Zusammenarbeit war die Laserdiode, die in der Folge von einer bahnbrechenden Entwicklung zur nächsten führte.

Laserdioden im Fokus

Laserdioden im Fokus Sharp Devices Europe, Thinkstock

In den meisten CD-Playern kamen ab 1982 die Laser von Sharp zum Einsatz; es waren die ersten Laserdioden in Serienfertigung. Ein schneller Blick auf dreieinhalb Jahrzehnte später zeigt, dass heute Laserdioden in allen möglichen Geräten arbeiten: von Vermessungswerkzeugen über Head-up-Displays bis hin zu Wegmess-Sensoren. Nicht ohne Grund sieht die Branche den Lasermarkt im Aufwind. Der weltweite Umsatz lag 2014 bei 9,56 Milliarden US-Dollar, stieg 2015 auf 10,07 Milliarden, und für 2016 prognostizieren die Experten weiteres Wachstum.

Augmented Reality

Autofahrer haben heute dank Head-up-Displays die wesentlichen Informationen im Visier, ohne den Blick von der Straße zu nehmen – von den Navigationshinweisen bis zur Geschwindigkeitsanzeige. In Zukunft wird das Head-up-Display sogar die Abbiege-Information genau auf der Fahrspur anzeigen, auf der sich das Fahrzeug bewegen soll und dabei folglich dynamisch den Abbiegepfeil entsprechend der aktuellen Spur des Fahrzeugs mit bewegen. Dies ist nur ein Beispiel für eine Technologie, die als Augmented Reality (AR) bekannt ist und die nahtlos Computergrafik in reale Umgebungen einbindet. AR ergänzt die reale Umgebung mit verschiedenen Assistenzsystemen und digitalen Informationen – und all das ist möglich durch Laser.

Infrarot-Laser eignen
sich unter anderem
für Sensing-Anwendungen.

Infrarot-Laser eignen
sich unter anderem
für Sensing-Anwendungen. Sharp Devices Europe, Thinkstock

AR kommt heutzutage durch integrierte Laser auch in Head-Mounted-Displays (HMD) und speziellen Brillen zum Einsatz. Diese Geräte erleichtern alles, von Such- und Rettungsaufgaben über Gaming bis hin zu medizinischen Einsatzzwecken. Doch die Entwicklung von hochleistungsfähigen roten Laserdioden stand vor einigen technischen Herausforderungen, denn diese Komponenten müssen in der Lage sein, bei Temperaturen zwischen 50 und 90 °C permanent eine hohe Leistung im 630- bis 660-nm-Spektrum zu bringen.

Wirkungsgrad

Der Energieverbrauch ist ebenfalls ein wichtiger Gesichtspunkt, unabhängig davon, ob der Laser in einem Automobil, in einem Picoprojektor oder einer Datenbrille seinen Dienst verrichtet. Der Wirkungsgrad von Lasern trägt im Englischen die Bezeichnung Wall-Plug Efficiency (WPE). Eine 638-nm-Monomode-Laserdiode von Sharp hat zum Beispiel eine WPE von 33 % bei einer Leistung von 180 mW bei 25 °C. Je höher der Wirkungsgrad, desto geringer der Auswirkung auf die Leistungsbilanz. Der kritische Faktor in vielen Anwendungen ist, dass nur effiziente Laser den Kühlaufwand reduzieren.

Vorsicht mit den Augen

Hocheffiziente Infrarot-Laserdiode für Display-Anwendungen.

Hocheffiziente Infrarot-Laserdiode für Display-Anwendungen. Sharp Devices Europe, Thinkstock

Nicht nur rote Laser sondern auch Infrarotlaser sind immer mehr verbreitet. Wie bei den roten Lasern sind auch bei ihnen gute Daten in punkto Leistung und Wirkungsgrad gefragt. Infrarotlaser kommen üblicherweise zur Präzisions- und Entfernungsmessung zum Einsatz. Aktuelle Modelle strahlen auf Wellenlängen zwischen 750 und 940 nm und sind für biosensorische Zwecke geeignet. Viele davon sind auch mit siliziumbasierten optischen Sensoren kompatibel. Die WPE kann sogar noch die von roten Lasern übertreffen, wobei die Werte bei einer Monomode-Infrarotlaserdiode bis zu 45 % betragen. Manche der Produkte, die eine hohe Leistung bieten, finden ihre Anwendung in biometrischen Authentifizierungsgeräten, bewegungsgesteuerten Schnittstellen, Nachtsichtkameras, medizinischen Geräten und Spielkonsolen.

All diese Geräte haben jedoch eines gemeinsam: Sie arbeiten in nächster Nähe der Menschen, die sie bedienen, und das kann zum Problem werden, weil ein stark konzentrierter Infrarotlaser das menschliche Auge schädigen kann.

Nicht nur Spiel und Spaß

Infrarot-Laser der
Klasse 1 sind unbedenklich
für die
Augen.

Infrarot-Laser der
Klasse 1 sind unbedenklich
für die
Augen.
Klasse 1 sind unbedenklich
für die
Augen. Sharp Devices Europe, Thinkstock

Moderne Videospielkonsolen bieten dreidimensionale Erlebniswelten, die mit jeder neuen Generation realistischer werden. Manche Systeme generieren das 3-D-Erlebnis durch eine Kombination von Infrarotlasern und bildgebenden Sensoren, um die Bewegungen der Spieler im Raum zu erfassen, die dadurch das Spiel steuern können. Die Laserleistung ist bei 3-D-Sensoren relativ hoch und kann bei unsachgemäßer Auslegung Schädigungen der Retina verursachen.

Sicherheit schon eingebaut

Eckdaten

Laserdioden gibt es mittlerweile in vielen Varianten und mit hohen Wirkungsgraden. Um die Augen zu schützen, brachte ein japanischer Hersteller sogar eine Laserdiode auf den Markt, die einerseits die geforderte hohe Leistung bringt und andererseits dennoch eventuelle Schädigungen der Netzhaut im Auge verhindert.

Damit Verbraucher mit Entertainment-Geräten nicht ihr Augenlicht riskieren, sitzt normalerweise eine Diffusorscheibe vor den Infrarotlasern. Diese Zusatzkomponente verringert die ausgestrahlte Energiedichte. Eine kürzlich von Sharp entwickelte Laserdiode hat die Diffusorscheibe bereits eingebaut und vereinfacht dadurch die Montage. Dieser Infrarotlaser hat immer noch mehr als genug Leistung für die 3-D-Sensorik.

Die Sicherheit dieses Lasers ist so hoch, dass er soeben als Class-1-Laser eingestuft wurde – ein Novum in der Branche. Class 1 bedeutet, dass der Laser unter allen normalen Gegebenheiten unschädlich für Menschen ist: Die risikofreie Maximalexposition wird nicht überschritten, selbst wenn man mit bloßem Auge direkt in die Diode blickt. Sogar wenn man durch ein handelsübliches Teleskop oder Mikroskop darauf schaut, ist die Sehfähigkeit nicht in Gefahr. Dennoch strahlt diese Laserdiode immer noch eine Leistung von bis zu 700 mW aus, bei einer WPE von 36 %.