Lasery półprzewodnikowe

Transkrypt

1 Lasery półprzewodnikowe (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) - wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Otrzymywane światło ma charakterystyczne właściwości: bardzo małą szerokość linii emisyjnej (bardzo duża moc w wybranym obszarze widma) łatwo uzyskać wiązkę spolaryzowaną, spójną w czasie i przestrzeni oraz o bardzo małej rozbieżności w laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie oraz szybkie narastanie impulsu. Historia laserów: 1917 Einstein objaśnia emisję wymuszoną 1954 maser amoniakalny: Townes, Basow, Prochorow (1964 nagroda Nobla z fizyki) 1960 Maiman, laser rubinowy 1962 laser półprzewodnikowy 1966 Nobel dla A. Kastlera za teorię pompowania optycznego 1970 laser półprzewodnikowy w obszarze widzialnym (Z. I. Alferov i H. Kroemer Nobel 2000) woodlaserengraver.com 1

2 Lasery półprzewodnikowe MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) - urządzenie wzmacniające mikrofale za pomocą emisji wymuszonej promieniowania elektromagnetycznego. - zasada działania identyczna jak lasera, ale emisja w innym zakresie częstotliwości Są to urządzenia emitujące fale o częstotliwościach mniejszych niż odpowiadające podczerwieni. Dla podczerwieni, światła widzialnego i wyższych zakresów częstotliwości najczęściej stosuje się nazwę laser. Inne nazwy: Radio Frequency Laser lub RF-laser dla częstotliwości radiowych, Wynalazca masera C. Townes microwave laser zamiast masera. 2

3 Filmy science-fiction ;) Obróbka metali Odtwarzacze CD (zapis i odczyt informacji laserem) Wiertarki dentystyczne Technika pomiarowa, radioastronomia, radary Laser He-Ne Telekomunikacja (łączność satelitarna, kosmiczna) - nadajniki Poligrafia (naświetlarki filmów poligraficznych, form drukowych) Znakowanie produktów (usuwanie farby lub zmiana barwy) Geodezja, budownictwo Reklama i prezentacje (efekty wizualne, wskaźniki laserowe) Lasery półprzewodnikowe zastosowania - ogólnie 3 Wikipedia

4 Lasery półprzewodnikowe zastosowania obróbka metali Cięcie metali (przez odparowanie, topienie i wydmuchiwanie, wypalenie, generowanie pęknięć termicznych, zarysowanie itd.) Dokonywane w obecności gazu ochronnego (azot, tlen, argon, hel, CO 2 ). Proces ciecia laserowego zależy od absorpcji padającego promieniowania i przewodności cieplnej materiałów. Spawanie metali - duża gęstość mocy wiązki laserowej energia spawania jest na najniższym możliwym poziomie potrzebnym do stopienia złącza, dlatego:. - wąskie strefy wpływu ciepła i stopienia. - małe odkształcenie materiału, - po spawaniu nie trzeba wykonywać dodatkowej obróbki mechanicznej. Efektywność spawania zależy od absorpcji energii wiązki przez powierzchnię metali, która wynosi: 1 5% dla laserów CO 2 i 2 30% dla laserów stałych. Dlatego powierzchnie poczernia się lub matowi. Drążenie (nawet w diamencie), hartowanie, stopowanie, przetapianie itd. 4 Źródło: Wikipedia

5 Urządzenia pomiarowe (przyśpieszenie, prędkość, aneometry, altimetry itd.) Pomiar odległości (dalmierze laserowe) Systemy naprowadzania Lasery półprzewodnikowe zastosowania wojskowość Celownik optyczny (laserowy wskaźnik celu) Broń energetyczna (uwalniana wielka energia w krótkim czasie) Łączność telefoniczna (pojemne, tajne, trudno podsłuchać) "Airborne Laser" zainstalowany na pokładzie specjalnej wersji samolotu Boeing F. 5 Źródło: Wikipedia

6 Diagnostyka (lasery diagnostyczne), Terapia schorzeń (lasery stymulacyjne i chirurgiczne); Oświetlanie pola operacji. Twarda" obróbka tkanek: Cięcie (skalpel laserowy wąska wiązka, koagulacja, odparowanie (fotoablacja oraz ablacja stymulowana plazmą) obróbka mechaniczna (rozrywanie, fragmentacja, kawitacja) Okulistyka przyklejenie siatkówki dna oka, leczenie zmian naczyniowych, korekcja wad refrakcji (krótkowzroczność, dalekowzroczność, astygmatyzm) zabiegi przeciwjaskrowe i przeciwzaćmowe Dermatologia (usuwanie niektórych nowotworów i naczyniaków, tatuaży i włosów, rozjaśnianie skóry, przywracaniu jej gładkości i sprężystości. 6 Medycyna estetyczna, stomatologia Lasery półprzewodnikowe zastosowania medycyna Źródło: Wikipedia

7 Lasery półprzewodnikowe zastosowania medycyna Laser impulsowy wypala mikroskopijne dziury w rogówce, w miejscu ogniska lasera. Duża moc + precyzja W ten sposób górną część rogówki można oddzielić od dolnej, a następnie ponownie nałożyć. Dzięki temu rogówka jest spłaszczona: leczenie krótkowzroczności. IMPULS ROGÓWKA UTWORZ. OTWORY OKO

8 Lasery półprzewodnikowe zastosowania - drukarka rolka z tonerem papier bęben Lustro 1 Polecenie drukowania uruchamia układy kierujące promień lasera o modulowanej intensywności na bęben. Bęben po naświetleniu zaczyna przewodzić: mozaika punktów naświetlonych i nienaświetlonych. Bęben zbliża się teraz do ujemnie 2 naładowanych cząstek (tonera). Są one odpychane od miejsc ujemnie naładowanych, natomiast przylegają do miejsc obojętnych (czyli naświetlonych). W rezultacie obraz mapy gęstości ładunku na bębnie zamieniony jest na obraz czarno biały, też na bębnie.. 3 Drukarka ładuje dodatnią kartkę papieru i zbliża do bębna, który przewałkowuje ją pozostawiając na papierze toner. Wychodzącą kartkę ogrzewa cylindryczny grzejnik, topiąc toner, który przylega do papieru.

9 Lasery półprzewodnikowe zastosowania laser w CD Obecnie w odtwarzaczach CD stosuje się lasery GaAlAs (długość fali 780 nm granica spektrum widzialnego - 720) Laser skupia swoją wiązkę ok. 1,2mm wewnątrz powierzchni CD mała czułość na obce ciała. Płyta wiruje w napędzie z dużą szybkością, a wiązka światła laserowego jest skupiona na jej płaszczyźnie. Gdy wiązka trafi na zagłębienie zostaje rozproszona, a gdy płaska powierzchnia odbije ją do detektora, wytwarza impuls. Z impulsów tych składa się kod zarejestrowanych danych lub dźwięku. Układ elektroniczny odtwarzacza zamienia ten kod na prąd sygnału elektrycznego, który zostaje przekształcony w dane lub dźwięki.

10 Niebieski laser - ogólnie Najlepszym podłożem lasera niebieskiego (długość fali 4216 nm) jest płytka z idealnego kryształu azotku galu (GaN). Trudności: proces technologiczny wymaga zastosowania bardzo wysokich temperatur i ogromnych ciśnień azotu (dziesiątki tysięcy atmosfer). Pierwsze na świecie takie (wysokiej jakości) kryształy udało się uzyskać w Centrum Badań Wysokociśnieniowych PAN w Warszawie (2001 r.) + TopGaN Sp. z o.o. - ultraczysta technologia PAMBE (Plasma Assisted Molecular Beam Epitaxy). Poniżej 100 defektów na cm 2! Najczystszy szafir ma 10 tys. razy więcej defektów! Użył ich Shuji Nakamura w swoich niebieskich laserach (GaN) r. Przy mocy 30 mw czas życia lasera zbudowanego na polskim krysztale przekracza 3000 godz. (z podłożem szafirowym jedynie 300 godz.). Wczesna konstrukcja niebieskiej diody laserowej z Instytutu Wysokich Ciśnień w Warszawie

11 Niebieski laser po co i dlaczego? - dokładniejsza nawigacja rakietami zdalnie sterowanymi i systemami obrony przeciwrakietowej (wojskowość) - gęstszy zapis danych na płytach (światło o krótszej fali odczyta drobniejsze rowki na płycie) - zwiększenie rozdzielczości wydruków w drukarkach laserowych, faksach i kopiarkach (krótsza długość fal) - superżarówki o długim życiu (cecha azotkowych PP), które zużywają kilkakrotnie mniej energii w stosunku do źródeł tradycyjnych - żarówki zostaną zastąpione przez niebywale trwałe i długowieczne miniaturowe emitery światła białego - łatwiejsza diagnostyka i leczenie raka (lasery niebieskie i pracujące w ultrafiolecie powodują luminescencję chorych tkanek różną od tkanek zdrowych. Ze względu na to, że energia fotonu niebieskiego jest większa od czerwonego (w obecnych laserach półprzewodnikowych), wzbudzona zostaje luminescencja w większym zakresie widmowym) - monitoring skażeń (ten sam mechanizm) - poddane jego działaniu molekuły zanieczyszczeń zaczynają świecić. - komunikacja podwodna (światło niebieskie jest słabo absorbowane przez wodę, co umożliwi bezpośrednią łączność np. pomiędzy okrętami podwodnymi) - lepsze latarki dla nurków - lepsze monitory i ekrany (jasność, barwa i kontrast jak w CRT). Wykorzystując trzy diody półprzewodnikowe na każdy piksel (czerwoną, zieloną i niebieską), uzyskamy monitor o dużym kontraście i jaskrawości.

12 Niebieski laser technologia Pierwszy niebieski laser powstał w 1996 r. w Japonii (Nakamura) Schemat niebieskiej diody laserowej Szczegóły montażu niebieskich diod laserowych w obudowach 5.6 mm. Z archiwum IWC PAN Aktualne badania firma Nichia: Lasery emisji powierzchniowej VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) Room-Temperature CW Lasing of a GaN-Based Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser by Current Injection Yu Higuchi, Kunimichi Omae, Hiroaki Matsumura, and Takashi Mukai, Appl. Phys. Express 1 (2008)

13 Ciekawostka - największe lasery świata Najpotężniejsze lasery świata są używane przede wszystkim do badania struktury atomów i reakcji rozszczepienia. Emitują one potężne impulsy energii w zakresie bilionów watów - impulsy te jednak są bardzo krótkie, krótsze od bilionowej część sekundy. Nova laser Vulcan laser Najpotężniejszy laser brytyjski, nazywający się "Vulcan", ma moc rzędu PW, a największy w USA, "Nova" - 10 TW. W obu tych laserach ośrodkiem jest szkło. 1 TW = W = W. 1 PW peta wat W (2 ns)

14 Klasyfikacja laserów Kryterium klasyfikacji opiera się o potencjalne zagrożenie biologiczne i dzieli lasery na 4 podstawowe klasy: Klasa I. Lasery o niskim stopniu emisji promieniowania Klasa I.A. Lasery, które z założenia nie są do oglądania, małej mocy (stosowane np. w czytnikach kodów kreskowych) Klasa II. Lasery małej mocy, które mają poziom emisji wyższy niż Klasa I, ale wiązka laserowa ma moc nie większa niż 1 mw Źródło: PN-EN :2005 (Bezpieczeństwo urządzeń laserowych -- Część 1: Klasyfikacja sprzętu, wymagania i przewodnik użytkownika).

15 Klasyfikacja laserów Klasa IIIA. Lasery małej mocy wiązki laserowej (1-5 mw), które mogą być szkodliwe tylko przy bezpośrednim kontakcie oka z wiązką, stosowane bardzo powszechnie we wszelkiego rodzaju wskaźnikach laserowych Klasa IIIB. Lasery umiarkowanej mocy. Klasa IV. Lasery wysokiej mocy, które są szkodliwe przy każdym bezpośrednim kontakcie, grożą zapaleniem oraz są bardzo niebezpieczne przy bezpośrednim i pośrednim kontakcie wzrokowym oraz mogą powodować schorzenia skóry Źródło: PN-EN :2005 (Bezpieczeństwo urządzeń laserowych -- Część 1: Klasyfikacja sprzętu, wymagania i przewodnik użytkownika).

16 Typy laserów gazowe krystaliczne (rubinowy, YAG) szklane (neodymowy) półprzewodnikowe (GaAs-GaAlAs) barwnikowe (zawierające roztwór rodaminy) chemiczne

17 FIZYCZNE PODSTAWY DZIAŁANIA LASERA ZWYKŁE ŚWIATŁO: -emisja niezależna -nie może interferować -niezależna polaryzacja ŚWIATŁO LASEROWE: - emisja wymuszona: wszystkie fotony w tym samym stanie kwantowym - występuje interferencja Podstawą działania wszystkich laserów jest emisja fotonów poprzez elektrony wzbudzonych atomów oraz ukierunkowanie fotonów tak, aby miały taki sam kierunek i fazę. Rozróżniamy trzy rodzaje oddziaływania fotonów z atomami: - absorpcję - emisję spontaniczną - emisję wymuszoną

18 EMISJA I ABSORPCJA PROMIENIOWANIA W praktyce trudno uzyskać efekt inwersji obsadzeń przy dwóch stanach (podstawowym i wzbudzonym). Foton podczas zderzenia może z jednakowym prawdopodobieństwem spowodować przejście elektronu do stanu wzbudzonego, jak i przejście ze stanu wzbudzonego do stanu normalnego. Wiele własności laserów o różnej budowie można objaśnić analizując zachowanie się populacji atomów o dwupoziomowej strukturze energetycznej: E 2 (N 2)- ilość atomów w stanie wzbudzonym h V=E 2 -E 1 E 1 (N 1)- ilość atomów w stanie podstawowym W stanie równowagi termodynamicznej obsadzenie poziomów podlega prawu Boltzmanna: N N 2 1 hn exp, N N kbt 2 1 Większość atomów jest w stanie podstawowym 18

19 FIZYCZNE PODSTAWY - ABSORPCJA Układy atomowe znajdują się w określonych stanach kwantowych, charakteryzujących się dyskretnymi wartościami energii. Przejściu układu kwantowego od jednego poziomu energetycznego do drugiego towarzyszy pochłonięcie kwantu energii, równej różnicy poziomów przejścia. (absorpcja)

20 FIZYCZNE PODSTAWY - EMISJA SPONTANICZNA Emisja spontaniczna następuje samoczynnie, kiedy atom dąży do zmniejszenia swojej energii. Efekt takiej emisji nie jest w pełni przewidywalny.

21 FIZYCZNE PODSTAWY - EMISJA WYMUSZONA Podczas emisji wymuszonej elektron znajdujący się na zewnętrznej powłoce jest bombardowany fotonem i zmuszany do przejścia na niższą wydzielając przy tym drugi identyczny foton.

22 EMISJA I ABSORPCJA PROMIENIOWANIA Powrót elektronu na niższy poziom następuje na dwa sposoby: hv hv hv Emitowane fotony o danej energii mają: przypadkowe kierunki przypadkowe fazy Spontaniczny czas życia: Właściwości emitowanych fotonów: równe fazy (światło spójne, koherentne) równe częstości (światło mono jednakowe kierunki propagacji Stymulowany czas życia: st 22

23 FIZYCZNE PODSTAWY - INWERSJA OBSADZEŃ Aby mogła zachodzić emisja wymuszona w dużą intensywnością należy w ośrodku wzmacniającym stworzyć odpowiednie warunki, to znaczy spowodować, by więcej elektronów było w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym 1 E2 E exp N kt N 1 2

24 Inwersyjny rozkład energetyczny w atomie

25 Inwersja obsadzeń Inwersja obsadzeń jest konieczna dla wzmocnienia optycznego. Rozkład Boltzmanna W warunkach równowagi zawsze N 2 < N 1 Odwrócenie obsadzeń można uzyskać w wyniku pompowania w układzie 3- lub 4- poziomowym. 25

26 FIZYCZNE PODSTAWY - PROCES POMPOWANIA Dokonanie inwersji obsadzeń poziomów jest równoważne energetycznemu wzbogacaniu układu, odbywającemu się kosztem dostarczania energii. Jedną z metod stosowaną głownie w laserach zbudowanych na ciele stałym jest pompowanie. Atomy absorbują energię fotonów, foton powoduje wybicie elektronu na wyższą powłokę. Ładowanie elektronów przy pomocy zewnętrznego źródła światła nazywa się pompowaniem lasera.

27 METODY POMPOWANIA Pompowanie odbywa się na kilka sposobów : a) Przez oświetlenie substancji czynnej silnym światłem o dostatecznej energii fotonów b) za pomocą np. innego lasera lub błysku flesza (lasery barwnikowe ) c) za pomocą wyładowania elektrycznego (lasery gazowe) d) z wykorzystaniem energii reakcji chemicznych e) za pomocą wiązki elektronowej, zderzeń atomów f) z wykorzystaniem energii prądu elektrycznego przepływającego przez substancją czynną lasera (lasery półprzewodnikowe )

28 PODSTAWY FIZYCZNE DZIAŁANIA LASERA - podsumowanie Wykorzystywane są dwa zjawiska: inwersja obsadzeń i wymuszona emisja. - w normalnym stanie elektrony w atomie znajdują się w najniższych stanach energetycznych - przy bombardowaniu atomu np. fotonami o odpowiednio dużej energii spowodujemy, że elektrony po pochłonięciu tej energii (w wyniku zderzenia z fotonami) przejdą na wyższy stan energetyczny niż dotychczas przy dużej skali zjawiska następuje inwersja obsadzeń - układ taki będzie dążył do powrotu do stanu o najniższej energii (stany wzbudzone są nietrwałe) - elektrony przy tym przejściu będą emitować energię w postaci fali o określonej długości mamy wtedy do czynienia z przejściami samoistnymi o szerokim widmie. - aby uzyskać akcję laserową konieczne jest zatrzymanie możliwie największej liczby elektronów w stanie wzbudzonym, tak żeby w wyniku zderzenia z fotonem nastąpiło lawinowe przejście elektronów ze stanu wzbudzonego (o jednej wartości energii) do stanu podstawowego. W wyniku takiego przejścia otrzymamy spójną monochromatyczną wiązkę światła czyli właśnie wiązkę laserową. Różnicę między przejściami samorzutnymi a wymuszonymi widać na wykresie. 28

29 EMISJA I ABSORPCJA PROMIENIOWANIA - układ trójpoziomowy Układy zawierające jedynie dwa poziomy energetyczne są mało wydajne. W celu zwiększenia wydajności wprowadza się do układu dodatkowe stany (składające się na pasmo pompowania), do których wzbudzane są elektrony, następnie zaś przechodzą z tego pasma (bez emisji fotonów) do stanu metatrwałego (metastabilnego), z którego wywoływana jest akcja laserowa. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwa jest do uzyskania stosunkowo duża inwersja stanów i silna wiązka promieniowania laserowego. Układ trójpoziomowy: linia falista - absorpcja lub pompowanie, strzałka pusta przejście z promieniowaniem strzałka czarna przejście bez promieniowania 29

30 Pompowanie optyczne oraz emisja laserowa dla lasera rubinowego

31 Inwersja obsadzeń: laser rubinowy układ 3-poziomowy Zbudowany na bazie kryształu tlenku glinu (Al 2 O 3 ), w którym niektóre atomy glinu są zastąpione atomami chromu. Atomy chromu nadają rubinowi charakterystyczną czerwoną barwę (absorbują one żółto-zieloną część widma). Rolę aktywną w laserze rubinowym spełniają tylko jony chromu. Monokryształ sztucznego rubinu szlifowany jest do postaci cylindra o średnicy 5 mm i długości 5-10 cm, którego podstawy są polerowane płasko, równolegle do siebie. Jedna z tych powierzchni jest pokryta warstwą odbijającą o blisko 100% współczynniku odbicia, druga ma odbicie około 50%. Tak przygotowany kryształ umieszczony jest w ksenonowej lampie błyskowej. 31

32 Inwersja obsadzeń: laser rubinowy układ 3-poziomowy 1. Ksenonowa lampa błyskowa wzbudza elektrony z poziomu E 1 w stan E 2.Średni czas przebywania na poziomie E 2 jest krótki i wynosi jedynie 0,05 ms. 2. Elektrony wracają do stanów niższych. Wiele z nich przechodzi bezpromieniście (energia zostaje przekazana sieci krystalicznej i dlatego taki laser musi być chłodzony) na poziom E 3. Średni czas życia na poziomie E 3 jest dość długi wynosi około 3 ms jest metastabilny. 3. Oświetlenie rubinu światłem białym powoduje masowe przechodzenie elektronów do stanu E 3. Proces taki nazywamy pompowaniem optycznym. Następuje inwersja obsadzeń. Aby uzyskać silną emisję wymuszoną, konieczne jest utworzenie optycznej komory rezonansowej. Tworzy ją sam kryształ rubinu. Wystarczy pojawienie się w pręcie tylko jednego fotonu o częstotliwości rezonansowej, poruszającego się równolegle do osi pręta, aby rozpoczął się proces narastania emisji wymuszonej. Foton ten wymusza bowiem emisję w atomach położonych wzdłuż jego drogi, a powstała przy tym wiązka fotonów odbijając się wiele razy od przeciwległych powierzchni lustrzanych oddziałuje z nowymi wzbudzonymi atomami i wyzwala coraz więcej fotonów. Prowadzi to do lawinowego wzrostu natężenia promieniowania laserowego. Światło wysyłane przez laser rubinowy ma kolor czerwony, odpowiadający długości fali 694,3 nm. 32

33 Inwersja obsadzeń: laser rubinowy układ 3-poziomowy Rozkład Boltzmanna przed pompowaniem układu 3-poziomowego Rozkład osiągnięty w wyniku pompowania Niepromieniste przejście E 2 E 1 następuje szybko. Stan E 1 jest metatrwały i populacja z tym obsadzeniem rośnie przekraczając N 0 (inwersja obsadzeń ). Schemat budowy lasera rubinowego (1) Promień światła (2) Flesz (3) Pręt korundowy (4) Zwierciadło (5) Rezonator optyczny (6) Zwierciadło półprzepuszczalne [Źródło: Wikipedia] Układy z tego typu konfiguracją 3-poziomową wymagają dużej mocy pompowania, gdyż stanem końcowym akcji laserowej jest poziom podstawowy, a atomów w stanie E o jest najwięcej (prawie wszystkie). 33

34 Inwersja obsadzeń: laser neodymowy Nd:YAG układ 4-poziomowy Mniejsza moc pompowania jest wymagana w układach 4 -poziomowych: Populacja atomów z układem 4 poziomowym przed pompowaniem. Populacje z obsadzeniami E 3, E 2, E 1 są małe Rozkład po pompowaniu. Poziom E 2 jest metatrwały. Czasy życia poziomów w laserze Nd:YAG τ 32 = 10-8 s τ 21 = 0.5 ms τ 10 = s 34

35 Inwersja obsadzeń laser półprzewodnikowy Istotną rolę odgrywają tu elektrony i dziury w odpowiednich pasmach. Absorpcja w półprzew. z prostą przerwą przed pompowaniem Emisja wymuszona po pompowaniu (zapełnieniu pasm) hν = E 2 - E 1 E Fn, E Fp quasipoziomy Fermiego Fotony o energiach: E g hn E E F n F p nie są absorbowane, ale powodują emisję wymuszoną. 35

36

37 Ośrodkiem czynnym jest półprzewodnik. W porównaniu z diodą LED laser półprzewodnikowy musi zapewniać: 1. Inwersję obsadzeń Laser półprzewodnikowy Musi być obszar, gdzie jest dużo elektronów w paśmie przewodzenia i dziur w paśmie walencyjnym. Uzyskuje się to w wyniku dodatniej polaryzacji złącza utworzonego z silnie domieszkowanych materiałów n oraz p (półprzewodniki zdegenerowane). Przy polaryzacji napięciem rzędu E g /e elektrony i dziury są wstrzykiwane w ilościach umożliwiających inwersję obsadzeń w wąskim obszarze zwanym obszarem aktywnym. Odwrócenie poziomów energetycznych (pompowanie) poprzez wstrzykiwanie nośników mniejszościowych za pomocą złącza p-n (lub heterozłącza) spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. 2. Optyczne dodatnie sprzężenie zwrotne. Rezonator ma kształt prostopadłościanu o rozmiarach rzędu ułamka milimetra. Sprzężenie optyczne uzyskuje się dzięki parze zwierciadeł prostopadłych do płaszczyzny obszaru czynnego lub dzięki specjalnie pofałdowanej powierzchni równoległej do tego obszaru (lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym: DFB - Distributed FeedBack). 37

38 Laser półprzewodnikowy Zdegenerowane złącze p/n w równowadze... Po przyłożeniu napięcia w kierunku przewodzenia t grubość obszaru aktywnego d grubość modowa, w której istnieją mody optyczne 38

39

40 Porównanie lasera z diodą LED

41 Laser półprzewodnikowy Inwersja obsadzeń, a więc i wzmocnienie zachodzi w obszarze t, który dla homozłącza jest w przybliżeniu równy długości drogi L e dyfuzji nośników (przy silnym domieszkowaniu n jest to droga dyfuzji nośników wstrzykniętych do p). Dla zdeg. GaAs w temp. pokojowej L e ~ 1 3μm. W przypadku diod laserowych nie istnieje potrzeba stosowania zwierciadeł zewn., aby wytworzyć dodatnie sprzężenie zwrotne. Duży współczynnik załamania półprzewodnika zapewnia dostateczny wsp. odbicia. Dla GaAs (n = 3.6) w powietrzu (n = 1): ( n 1) R ( n 1) 2 2 0,32 Diody krystaliczne można łupać wzdłuż niektórych płaszczyzn i otrzymać w ten sposób powierzchnie zwierciadlane. Dla GaAs płaszczyzną złącza jest (100), a płaszczyznami łupanymi są (110). Dodatkowe nośniki w obszarze aktywnym zwiększają nieznacznie jego współcz. załamania n i tworzy się światłowód dielektryczny. Ze względu na małe różnice tych współczynników (około 0,02) światło penetruje obszar poza obszarem aktywnym (grubość modowa). 41

42 Laser półprzewodnikowy zalety i wady Zalety typowe dla przyrządów półprzewodnikowych: - małe rozmiary i masa - duża sprawność i niskie napięcie zasilania - moc może być modulowana (poprzez modulację prądu zasilającego) w szerokim zakresie częstotliwości (od 0 do kilku GHz) Pod względem właściwości optycznych ustępują laserom innych typów

43 Laser półprzewodnikowy prąd progowy Natężenie prądu zasilającego laser półprzewodnikowy, przy którym występuje wzbudzenie lasera Eksperymentalnie jego wartość można wyznaczyć z charakterystyki emisyjnej. Wartość I th (ang. threshold próg) leży w miejscu przecięcia przedłużenia prostolinijnej, szybko wznoszącej się części charakterystyki z osią odciętych.

44 Diody homozłączowe pracują dzięki silnemu wstrzykiwaniu (~400 A/mm 2 ), stąd w temp. pok. jest możliwa tylko praca impulsowa. Akcja laserowa zachodzi po przekroczeniu wartości progowej prądu: rośnie gwałtownie natężenie promieniowania i maleje szerokość linii emisyjnej: Idealna charakterystyka lasera półprzewodnikowego Natężenie światła w funkcji częst. dla lasera p-n 44

45 Lasery półprzewodnikowe widmo promieniowania Widmo częstotliwościowe diody laserowej jest wąskie, jednak ze względu na obecność zwierciadeł na końcach struktury generowane są fale o kilku różnych długościach. Długość rezonatora jest skwantowana i wytworzyć się może kilka fal stojących. Charakterystyka widmowa składa się zwykle z wielu wierzchołków wynikających z wzbudzania tych modów, którym odpowiada największa dobroć rezonatora.

46 Lasery półprzewodnikowe widmo promieniowania Długości fal emitowanego promieniowania l skupionego w powyższych modach można wyznaczyć z warunku na wytworzenie fali stojącej w rezonatorze prostokątnym: gdzie: d r, W r, L - grubość, szerokość, długość rezonatora, q - oznacza liczbę połówek fali danego modu wzdłuż osi z, m, s - ilość miejsc zerowych w rozkładzie natężenia pola elektrycznego promieniowania danego modu wzdłuż osi x i y.

47 Lasery półprzewodnikowe widmo promieniowania Rozróżnia się w ten sposób trzy rodzaje modów: - mody podłużne - różniące się jedynie liczbą połówek fali wzdłuż osi z, czyli o różnych wartościach q, o tych samych wartościach m i s, - mody boczne - różne s, to samo m i q, - mody poprzeczne - różne m, to samo q i s. Jeśli w rezonatorze wzbudzają się jedynie osiowe mody podłużne (m=s=0), warunek redukuje się do postaci: Wtedy odległości między kolejnymi modami można wyrazić zależnością: Dla typowego rezonatora GaAs o długości L = 400mm, Dl wynosi około 0,25nm (T=300K).

48 Lasery półprzewodnikowe charakterystyka emisyjna Charakterystyka idealna: część pierwsza określa moc promieniowania spontanicznego część druga określa moc promieniowania spójnego, jej nachylenie jest miarą sprawności kwantowej przyrostowej Charakterystyka rzeczywista: schodki są wynikiem niestabilności struktury modowej generowanego promieniowania

49 Lasery półprzewodnikowe sprawność kwantowa przyrostowa Stosunek przyrostu liczby fotonów składających się na emitowany strumień promieniowania spójnego do przyrostu liczby nośników ładunku przepływających przez złącze p-n Miarą s.k.p. jest nachylenie charakterystyki emisyjnej lasera powyżej progu wzbudzenia. Sprawność wiąże się z wewnętrzną sprawnością kwantową lasera za pomocą zależności

50 Lasery półprzewodnikowe częstotliwość rezonansowa Częstotliwość rezonansowa taka, przy której występuje gwałtowny wzrost głębokości modulacji mocy wyjściowej lasera, co ogranicza szerokości pasma tej modulacji. Modulację mocy wyjściowej lasera półprzewodnikowego realizuje się z reguły poprzez modulację natężenia prądu zasilającego

51 Lasery półprzewodnikowe bilans mocy Przy przetwarzaniu energii pobieranej ze źródła zasilania na energię użytecznego promieniowania występuje kilka rodzajów strat: - generacja ciepła Joule a - rekombinacja niepromienista nośników - emisja promieniowania spontanicznego - absorpcja bądź rozpraszanie części promieniowania wymuszonego

52 Lasery heterozłączowe Użycie heterozłączy gwałtownie obniża prąd progowy do wartości rzędu 10 A/mm 2, poprawiając jednocześnie sprawność. Umożliwia to pracę typu ciągłego CW (continuous wave) w temp. pokojowej. Elektrony wstrzykiwane z n+-gaas do warstwy aktywnej p-gaas są blokowane przed dyfuzją przez barierę tworzącą się na granicy z szerokoprzerw. półprz. p-algaas. Warstwą aktywną jest tylko warstwa p-gaas (1μm) o małej grubości (dostateczny stopień wstrzykiwania przy mniejszym prądzie). Laser w postaci pojedynczego heterozłącza 52

53 Układ pasm przy silnej polaryzacji przewodzenia Zmiana współcz. załamania Efektywne działanie falowodowe Rozkład pola promieniowania Pole promieniowania ograniczone w znacznym stopniu do obszaru aktywnego 53

54 W heterostrukturach tzw. paskowych można uzyskać dalszą redukcję prądu progowego. Prąd płynie w pasku o szerokości kilku μm. Zredukowanie poprzecznego wymiaru obszaru aktywnego powoduje, że do uzyskania żądanego stopnia wstrzykiwania potrzebny jest mniejszy prąd. Kontakt metaliczny Warstwa kont. p+gaas TRAWIONA STRUKTURA MESA P+AlGaAs W. aktywna pgaas N+AlGaAs n+gaas Kontakt metaliczny STRUKTURA Z PASKAMI DEFINIOWANYMI W WYNIKU IMPLANTACJI PROTONAMI, Z WYTWORZENIEM OBSZARÓW WYSOKOOMOWYCH Implantowane obszary wysokoomowe 54

55 STRUKTURA ZAGRZEBANYCH PASKÓW W WYNIKU TRAWIENIA MESA I PONOWNEGO WZROSTU AlGaAs Kontakt metaliczny Tlenek AlGaAs w wyniku powtórnego wzrostu Inne zalety struktur heterozłączowych paskowych to: wyjście jednorodne małe wymiary obszaru czynnego co ułatwia sprzęganie ze światlowodami. 55

56 BUDOWA LASERA PÓŁPRZEWODNIKOWEGO

57 Lasery na studniach kwantowych Studnia kwantowa - jednowymiarowy potencjał w kształcie studni powodujący ograniczenie cząstek w jednym wymiarze przez bariery potencjału. W studni kwantowej rośnie gęstość stanów na krawędzi pasma i w związku z tym elektrony są rozłożone w mniejszym przedziale energii niż dla przypadku trójwymiarowego. W ten sposób uzyskuje się inwersję obsadzeń przy mniejszym prądzie wstrzykującym niż dla diody konwencjonalnej. Studnia potencjału Gęstość stanów w funkcji energii V (x) = x a/2 V (x) = 0 x < a/2 Dany potencjał wiąże cząstkę o dowolnej skończonej energii, która w studni kwantowej może poruszać się w dwóch wymiarach. 57

58 Laser na pojedynczej studni kwantowej Część nośników nie daje wkładu do emisji wymuszonej 58

59 Laser GRIN SCH (graded refractive indexseparate confinement heterostructure) Obszar wielokrotnych studni kwantowych (MQW) jest ograniczeniem dla nośników prądu. Ograniczeniem dla światła jest obszar między warstwami spełniającymi rolę płaszcza. 59

60 LASER ZE STUDNIAMI KWANTOWYMI O NAPRĘŻONEJ SIECI Niedopasowanie na interfejsach studni kwantowej i warstwy barierowej Likwidacja degeneracji pasma walencyjnego Obniżenie efektywnej ilości stanów walencyjnych Obniżenie prądu progowego

61 2D Studnia kwantowa Elektron uwięziony pomiędzy dwiema barierami potencjału

62 1 D drut kwantowy

63 0D kropka kwantowa Niewielkie rejony przestrzeni, ograniczone w trzech nanometrowych wymiarach barierami potencjału z uwięzioną wewnątrz cząstką o długości fali porównywalnej z rozmiarami małego punktu. Inne nazwy to: pudło kwantowe; sztuczny atom - tylko dobrze określone, dyskretne poziomy energetyczne mogą być zajęte przez cząstkę;

64 Quasiatomy Czym charakteryzuje się atom? -Dyskretne poziomy energetyczne -Energia jonizacji (13,6eV dla H) -Powinowactwo elekronowe Kropki kwantowe spełniają te warunki i stanowią układy quasiatomowe (artificial atoms). 1 2 Układ okresowy quasiatomów Ta 3 Et 4 Au 5 Ko Sa To Ho Mi Cr W Fr El

65 Atom Kropka siły ograniczające elektron są określane z góry poprzez strukturę jądra i prawie niezmienne przestrzeń, w której zamknięte są elektrony, jest bardzo niewielka, w związku z czym przerwy pomiędzy dozwolonymi poziomami energii są duże energii potrzebnej do przenoszenia elektronów na wyższe poziomy energetyczne mogą dostarczyć fotony światła widzialnego siły ograniczające w sztucznym atomie można dokładnie kontrolować znacznie większe od atomów, więc w konsekwencji przerwy pomiędzy dozwolonymi poziomami energii są dużo mniejsze nie udało się wytworzyć tak małych kropek, aby można było badać ich poziomy energetyczne za pomocą światła

66 w atomie dodanie jądro utrzymuje atomy na miejscu w kropce bramki powierzchniowe z odpowiednimi napięciami zamykają elektrony w kropce kropki kwantowe łączą się z obszarem 2DEG za pomocą specjalnych przewężeń kwantowych kontaktów punktowych zamknięcie kontaktu = odizolowanie kropki (elektrony mogą wtedy dotrzeć do kropki jedynie przez tunelowanie kwantowe)

67 Kropki w kryształach Marian Grynberg, "Druty i kropki kwantowe", Wiedza i Życie nr 6,1998.

68 Kołowrót dla elektronów wykorzystuje: kropkę kwantową efekt blokady Coulomba regularny przepływ prądu pojedyncze elektrony przechodzą przez kropkę z regularnością mechanizmu zegarowego Marian Grynberg, "Druty i kropki kwantowe", Wiedza i Życie nr 6,1998.

69 TYPOWY WYGLĄD KROPKI KWANTOWEJ kropki o kształcie soczewek o średnicy podstawy ok. 36 nm i wysokości ok. 4,4 nm albo kropki o kształcie piramidy z kwadratem w podstawie, którego bok wynosi ok. 24 nm, a wysokość piramidy ok. 2,8 nm

70 Sposoby tworzenia kropek kwantowych: Wytrawianie litograficzne. Najpierw wytwarza się studnie kwantowe.

71 Wyhodowane wcześniej studnie kwantowe trawi się do uzyskania kropki. l/wyn/laser.html

72 Laser wykorzystujący kropki kwantowe (QD laser) Do skonstruowania lasera używa się gęstej matrycy kropek kwantowych jednakowych rozmiarów w obszarze aktywnym i zwierciadeł na końcach tego obszaru tworzących wnękę laserową. Energia emitowanego promieniowania zależy od przerwy energetycznej materiału kropek oraz wielkości naprężeń i maleje ze wzrostem rozmiarów kropek. Elektrony i dziury mogą być wytwarzane w kropce za pomocą wzbudzenia optycznego bądź elektrycznego. Pompowany optycznie laser na kropkach kwantowych InP. Pary elektron dziura wzbudzane są przez zogniskowane światło zielone padające z lewej strony. Czerwone światło emisji wymuszonej z kropek (promieniowanie lasera) jest obserwowane z prawej strony. Warstwa QD z InP w środku warstwy GaInP, która ulokowana była pomiędzy warstwami AlInP o mniejszym współczynniku załamania tworząc falowód utrzymujący światło w bezpośrednim sąsiedztwie obszaru czynnego.

73 Zalety laserów na kropkach kwantowych Światło emitowane przez kropki kwantowe jest bardzo intensywne. Lasery na kropkach kwantowych są bardzo wydajnymi i precyzyjnymi źródłami światła. Odznaczają się lepszymi parametrami sprawnościowymi Mogą pracować w wyższych temperaturach

74 Laser z emisją powierzchniową o pionowej wnęce (Vertical Cavity Surface Emitting Laser VCSEL) Ich produkcję zapoczątkowała potrzeba komunikacji optycznej między mikrostrukturami scalonymi i konieczność rozwiązań matrycowych. W praktyce można wytwarzać wiele tysięcy VCSEL jednocześnie na 3 płytce i poddawać je testowaniu w trakcie produkcji. W rozwiązaniach matrycowych każdy laser może być adresowany niezależnie, co jest bardzo istotne w komunikacji opartej na kanałach równoległych. VCSEL posiada wnękę rezonansową prostopadłą do płaszczyzny warstwy aktywnej, w odróżnieniu od laserów krawędziowych (wnęka w płaszczyźnie warstwy aktywnej). Światło rezonuje między zwierciadłami odległymi typowo 1μm, co przy tak małej drodze w ośrodku czynnym wymaga zwierciadeł z odbiciem R >

75 Laser z emisją powierzchniową o pionowej wnęce (Vertical Cavity Surface Emitting Laser - VCSEL) Mesa VCSEL λ = 980 nm DBR Distributed Bragg Reflector (zwierciadło braggowskie) MQW wielokrotna studnia kwantowa Skład warstw w sąsiedztwie MQW 75

76 Zwierciadło braggowskie Metal DBR R=80-95% T=0% R<100% T=1-R Dla m par warstw dielektrycznych bezstratnych o współcz. załamania n 1 oraz n 2 oraz grubościach: L 2 l 4n 2 L 1 l 4n 1 współcz. odbicia wynosi: R DBR n 1 n n 1 n m 2m 2 76

77 Wąskie pasmo o wysokim odbiciu AlAs/ GaAs DBR 25 par, T=300K Dla dużej różnicy współczynników załamania ilość warstw maleje do kilku. Zalety laserów VCSEL: Kołowy kształt i niska apertura numeryczna, co umożliwia łatwe sprzęganie ze światłowodami przestrzenią swobodną, Jednomodowość (małe rozmiary wnęki) korzystne w zastosowaniach WDM (Wavelength Division Multiplexing), Duża wydajność konwersji małe wydzielanie ciepła, istotne w układach scalonych, Emisja pionowa ułatwia konstrukcje matrycowe. 77

78 Lasery krótkofalowe Lasery tworzone w oparciu o azotek galu GaN (dioda niebieska Nakamura 1996). Technologia: heteroepitaksja metodą MOCVD podłoże szafir, niedopasowanie sieciowe 16%, gęst. dyslokacji cm -2 istotny postęp technologia ELOG gęstość dyslokacji cm -2 rozrost GaN w optymalnej temperaturze pasek SiO 2 lateralny rozrost GaN (gest. dyslokacji~10 5 cm -2 ) nad SiO 2 Technologia ELOG GaN (0001) warstwa o gestosci dyslokacji ~ cm -2 c - Al 2 O 3 MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) - technika osadzania warstw na powierzchni materiałów poprzez stosowanie związków metaloorganicznych w formie gazowej. Jest to jedna z technik epitaksjalnych, stąd jej alternatywna nazwa MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy). 78

79 kontakt do p p - GaN p-al 0.2 Ga 0.8 N TiO 2 /SiO 2 n-mqw In 0.15 Ga 0.85 N/ In 0.02 Ga 0.98 N n-in 0.1 Ga 0.9 N n-gan supersiec n - GaN supersiec Al 0.14 Ga 0.86 N/n-GaN kontakt do n ELOG GaN SiO d = 80 mm 2 SiO 2 Obszar aktywny : studnie kwantowe InGaN (15% In) 4 nm przedzielone warstwami InGaN (2% In) 10 nm prąd krytyczny 3 ka/cm 2, moc 10 mw, τ = 10 tys.h Obszar aktywny umieszczony jest między supersieciami AlGaN/GaN zapewniającymi prowadzenie wiązki świetlnej. Są one odporne na powstające naprężenia. 79

80 Lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym (Distributed Feedback Lasers DFB) W niektórych zastosowaniach laserów wymagana jest duża czystość modowa. Można to osiągnąć przykładowo przez zastosowanie rozłożonego sprzężenia zwrotnego. Wytrawione pofałdowanie (zwierciadło selektywne częstotliwościowo) Inna nazwa: Rozłożony reflektor Bragga (DBR) Interferencja konstruktywna między dwiema wiązkami nastąpi wtedy gdy: l0 2D m n D - okres siatki λ 0 - dług. fali w próżni n - wsp. załamania m liczba całkowita Struktura pofałdowana pełni rolę zwierciadła selektywnego. Dobierając D, wybiera się jeden mod podłużny. W obszarze niepompowanym występuje jednak znaczna absorpcja. 80

81 Jeżeli obszar pofałdowany rozciągnie się na całą przestrzeń pompowaną, otrzymamy wydajny laser DFB. Przestrzeni pofałdowanej nie wytwarza się bezpośrednio w ośrodku czynnym, aby nie wytwarzać dodatkowych defektów. Takie lasery o wąskich liniach stosuje się m.in. w transmisji WDM (zwielokrotnienie falowe z podziałem długości fal). 81

82 DFB LASER Z ROZŁOŻONYM SPRZĘŻENIEM ZWROTNYM Likwidacje degeneracji pasma walencyjnego Obniżenie efektywnej ilości stanów walencyjnych Obniżenie prądu progowego

83 DFB LASER Z ROZPROSZONYM ODBICIEM BRAGGA Siatki dyfrakcyjne odbicie Bragga Wielosekcyjne DFB i DBR - rozproszony reflektor Bragga - przesunięcie fazy

84 Wzmacniacze optyczne Chętnie stosowane, gdyż unika się konieczności zamiany sygnału optycznego na elektryczny i na powrót na optyczny. Takie wzmacniacze pracują w obszarze 1.3 μm oraz 1.5 μm, zgodnie z reżimem pracy światłowodów telekomunikacyjnych. Wzmacniaczem optycznym jest światłowód kwarcowy domieszkowany erbem (Erbium Doped Fibre Amplifier - EDFA), pracujący na ogół w trzecim oknie Telekomunikacyjnym (1.55 μm). Poziomy energetyczne Er 3+ w matrycy światłowodu kwarcowego Do pompowania używa się diod laserowych najczęściej o długościach fali: 0.98 μm 1.06 μm 1.48 μm 84

85 Światłowód połączony jest z pompą optyczną (laser dużej mocy). Światło lasera i sygnał wejściowy doprowadzany jest do światłowodu za pomocą sprzęgacza WDM. Podczas pracy wzmacniacza pompa laserowa wzbudza jony erbu Er 3+, które oddają energię wzmacniając sygnał optyczny przechodzący przez włókno. Sygnał wzmacniany jest na skutek zjawiska wymuszonej emisji (inwersji obsadzeń uzyskanych w wyniku pompowania optycznego). Straty sprzężenia na złączach są bardzo małe (ok. 0.1 db). Wzmocnienie osiąga 54 db dla pompowania 980 nm (11dB/mW). W praktyce stosuje się mniejsze wzmocnienie db dla uniknięcia ewentualnej akcji laserowej. 85