Wykład XI. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) laser półprzewodnikowy

Transkrypt

1 Wykład XI Light Amplificatio by Stimulated Emissio of Radiatio (LASER) laser półprzewodikowy

2 Emisja spotaicza Emisja spotaicza i wymuszoa Fotoy emitowae są we wszystkich kierukach z jedakowym prawdopodobieństwem w przypadkowych chwilach. Emitowaa fala elektromagetycza ie jest spója. Emisja wymuszoa Wymuszający i emitoway foto mają takie same : Emitowaa fala jest spója częstotliwość kieruek fazę

3 Iwersja obsadzeń W przypadku wzbudzeń termiczych E E exp kt E W staie rówowagi termodyamiczej zawsze EINSTEIN: Aby zaszła akcja laserowa koiecze jest iwersja obsadzeń: W celu uzyskaia iwersji obsadzeń układ musi być pompoway Podstawowe metody pompowaia: wyładowaia elektrycze, pobudzaie optycze wstrzykiwaie ośików (złącze p-).

4 Z rówaia Boltzmaa E ( E E ) exp kt - ilość elektroów a poziomie E - ilość elektroów a poziomie E Przykład: T=3000 K 4.40 E E -E =.0 ev 4

5 Współczyiki Eisteia Prawdopodobieństwo absorpcji wymuszoej R - R - = r () B - Proces emisji wymuszoej E E R - = r () B - + A - A - - proces emisji spotaiczej Zał: atomów w staie e i atomów w staie e jest w rówowadze w temperaturze T z polem promieiowaia o gęstości r (): R - = R - r () B - = (r () B - + A - ) Stąd r () A r = B B / B

6 Względa liczba cząstek a day sta: exp( e e )/ kt exp( h / kt) A / B 8h / c exp( ) kt exp( h / kt) r () = = B h B 3 3 gęstość widmowa promieiowaia CDC (prawo Placka) B - /B - = A B 8 h c 3 3

7 Stosuek A - prawdopodobieństwa emisji spotaiczej do prawdopodobieństwa emisji wymuszoej B - r( :. Eergia h fotoów światła widzialego zawiera się w graicach.6ev 3.eV.. kt w temperaturze 300K ~ 0.05eV. 3. Dopiero gdy h /kt << emisja wymuszoa może być domiująca. I tak p. w zakresie mikrofalowym h <0.005eV. W ogólości częstość emisji do częstości absorpcji x jest daa wzorem: jeśli h /kt <<. ) / exp( ) ( kt h B A r ] ) ( [ ) ( ) ( B A B B A x r r r x~ /

8 Przebieg akcji laserowej E 3 E szybkie przejścia relacja ieozaczoości Heiseberga: Et E akcja laserowa. pompowaie optycze obsadza szeroki poziom E 3 o krótkim czasie życia, rzędu 0-8 s; poziomy: metastabily i podstawowy są wąskie. - elektroy przechodzą z pasma wzbudzoego a poziom metastabily i gromadzą się: iwersja obsadzeń emisja wymuszoa. (Wystarczy aby jede elektro opuścił sta metastabily w procesie emisji spotaiczej. Powstający foto zapoczątkuje emisję wymuszoą.) 4. Wiązka fotoów porusza się prostopadle do luster - powstaje fala stojąca.

9 Laser rubiowy Wyalezioy w latach 60-tych. Czyik roboczy: mookryształ rubiu czyli Al O 3 domieszkoway Cr. Pompowaie optycze poprzez awiiętą spiralie lampę błyskową Lustra a obu końcach kryształu. Laser światła czerwoego

10

11 Laser półprzewodikowy a) Dioda laserująca bez polaryzacji i b) spolaryzowaa apięciem rówym eergii wzbroioej półprzewodika. Waruek wystąpieia akcji laserowej: półprzewodiki zdegeerowae E FC E FV 0 apięcie polaryzujące rówe ~ przerwie wzbroioej

12 Iwersja obsadzeń w laserze półprzewodikowym E F CB Więcej elektroów w pasmie przew. (CB) w pobliżu E C Elektroy w CB ev E g E Fp VB Dziury w VB iż elektroów w pasmie walecyjym (VB) w pobliżu E V E F - E Fp = ev ev > E g ev apięcie w kier. Przewodzeia Iwersja obsadzeń staów w pobliżu E C i E V w obszarze złącza Jest to jedyie możliwe, gdy zdegeerowae złącze p- jest spolaryzowae w kieruku przewodzeia apięciem o eergii ev > E g TU Dresde

13 Laser półprzewodikowy

14 Elektroy i dziury w studiach kwatowych ( Eg E + Eg + Eh ).

15 Laser heterozłączowy Nośiki w studi potecjału Fotoy rówież w studi współczyika załamaia Nobel

16 Light Amplificatio by Stimulated Emissio of Radiatio (LASER) Markery owotworowe fluorescecja po oświetleiu światłem iebieskim komórek rakowych różi się od fluorescecji zdrowych komórek. Detekcja broi chemiczej i biologiczej - po oświetleiu światłem iebieskim pierwiastki zajdujące się w broi chemiczej i biologiczej fluoryzują. Lepsze drukarki drukarki laserowe a iebieskim laserze mają dwukrotie większą rozdzielczość Medycya/stomatologia skalpele, rozdrabiacze złogów i udrażiaie arterii, reowacja uszkodzoej rogówki i aczyń krwioośych w oku, utwardzaie wypełień w zębach. Zastos. militare aprowadzaie a cel Nauka Charakteryzacja materiałów i metrologia

17 Lasery-zastosowaie Większość współczesych dysków (CD i DVD) jest wykoywaa przy użyciu laserów a bazie GaAs, które emitują światło w czerwoym lub podczerwoym zakresie widma promieiowaia CD 700MB używa lasera a 780m DVD o pojemości 4.7GB - lasera a 640m. Niebieskie lasery o długości fali 405 m: Blu-ray i Advaced Optical Disc mają pojemość 3GB i 36GB. Krótsze fale umożliwiają zapis olbrzymiej ilości daych

18 Laser iebiesko-fioletowy TU Dresde

19 Materiały półprzewodikowe stosowae a LED i diody laserowe