Lasery półprzewodnikowe historia

Transkrypt

1 Lasery półprzewodnikowe historia GaAs typu p GaAs typu n zasilanie prądem 1962 homozłącze w pokojowej temperaturze progowy prąd - dziesiątki ka/cm 2 bez zastosowania AlGaAs p AlGaAs n Cienka warstwa GaAs 1970 heterozłącze progowy prąd - kilka ka/cm nagroda Nobla dla Alferowa i Kroemera Krótki czas życia spowodowany dyslokacjami w siatce molekuł Periodyczne struktury dielektryczne na brzegach rezonatora 1980 zastosowanie w drukarkach i odtwarzaczach CCD Pierwsza połowa dekady 1980 laser GaInPAs λ = 1, μm zastosowanie w telekomunikacji

2 Lasery półprzewodnikowe historia cd zasilanie prądem 120 nm okładzina p okładzina n Naprzemian cienkie warstwy np GaAs i AlGaAs o grubości 20 nm Koniec dekady1980 studnie kwantowe 1988 laser GaInP λ = μm 1991 laser ZnSeCd pasmo zielone 1996 InGaN pasmo niebieskie 1985 lasery PbSnTe i PbSSe λ = 3 30 μm praca w temperaturze kriogenicznej, zastosowanie w spektroskopii

3 Studnie kwantowe Podwójne heterozłącze z warstw o grubości poniżej 50 nm wykonywane metodą epitaksji z gazu VPE vapor-phase epitaxy płynu LPE liquid-phase epitaxy molekularna epitaksja MBE molecular-beam epitaxy chemiczne osadzanie MOCVD metal-organic chemical vapor deposition E Warstwy AlGaAs Warstwy GaAs Grubość studni 120 nm Pasmo przewodnictwa Przerwa energetyczna Pasmo walencyjne Poziomy energetyczne studni zbudowanej z warstw AlGaAs i GaAs

4 Pasma GaAs E Pasma energetyczne przewodnictwa walencyjne Przejście elektronu do pasma przewodnictwa pozostawia wolny stan kwantowy nazywany dziurą. Ga As Przerwa energetyczna Poziomy niskoenergetyczne Pozorne przemieszczanie dziur jako dodatnich ładunków Przejście elektronu z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego związane jest z emisją fotonu

5 Półprzewodniki cd Pasmo przewodnictwa Przerwa energetyczna E elektrony dziury Pasmo walencyjne Właściwości elektryczne i optyczne półprzewodników zmieniane przez domieszki Typ n - nadmiar elektronów w paśmie przewodnictwa niedomiar dziur w paśmie walencyjnym Typ p - niedomiar elektronów w paśmie przewodnictwa nadmiar dziur w paśmie walencyjnym

6 E Półprzewodniki cd koncentracja elektronów półprzewodnik typu n koncentracja dziur E koncentracja elektronów półprzewodnik typu p koncentracja dziur

7 Półprzewodniki cdf hν W termicznej równowadze na skutek termicznych oddziaływań jednocześnie dwa procesy Generacja pary elektron dziura przejście elektronu do pasma przewodnictwa Anihilacja pary elektron dziura powrót elektronu do pasma walencyjnego połączony z emisją fotonu lub zamiany na energię drgań siatki krystalicznej Proces emisyjnej rekombinacji

8 Homo- i heterozłącza materiałów półprzewodnikowych Homozłącze -połączenia tych samych materiałów z domieszkami Heterozłącze -połączenia różnych złącze W obszarze złącza pole elektryczne zmieniające rozkład energetyczny p n elektronów Energia pasmo przewodnictwa przerwa energetyczna pasmo walencyjne koncentracja elektronów koncentracja dziur Wykorzystywanie przestrzennych koncentracji i konfiguracji poziomów energetycznych elektronów do budowy: diod LED laserów półprzewodnikowych fotodetektorów

9 Diody LED - light-emitting diode Zasilanie elektryczne Spontaniczna emisja fotonów hν Powierzchniowa generacja wiązki Krawędziowa generacja wiązki Duży kąt rozbieżności Szerokie widmo

10 LEDy cd Emisja spontaniczna duży kąt rozbieżności szerokie widmo GaN GaPN GaAs x P zx GaAs In x Ga x As x P x GaInPAs λ = 1, μm PbSnTe i PbSSe λ = 3 30 μm [μm] diody niebieskie najbardziej popularne

11 LED w UV OE magazine, czerwiec 2003, strony Unormowana intensywność [nm] Długość fali

12 Żółta Wydajność świetlna [lm/w] Źródła żarowe Żarówka Edisona L a t a Na podstawie Photonics Spectra, styczeń 2005, str. 61

13 Lokalizacja LED ów w trójkącie barw Uzyskanie diod generujących światło białe Z uwagi na wyższą sprawność świetlną dłuższy czas życia lepszą konsystencję barw niższy koszt zastępują żarowe oświetlenie

14 Oświetlenie kasyna Breda w Holandii Na podstawie Photonics Spectra, styczeń 2005, str. 81

15 Oświetlenie dekoracyjne mostu w Los Angeles 160 LED o mocy 19.5 W każda generujących światło niebieskie Na podstawie Oemagazine, October 2005, str.10

16 Rezonator falowodowy zwierciadło rezonatora warstwa p warstwa n Kąty rozbieżności wiązki propagujące się pole w falowodzie zwierciadło transmisyjne rezonatora

17 Lasery półprzewodnikowe Porównanie diody i lasera LED laser Pompowanie elektryczne przez wstrzyknięcie elektronów Krawędzie odbijające w celu wywołania generacji za pomocą emisji wymuszonej + p n - Ścianki odbijające Dla współczynnika załamania GaAs (3.5) współczynnik odbicia ścianki (31%) bez pokrycia wystarczający do wywołania akcji laserowej rezonator

18 Przykład przekroju przez laser półprzewodnikowy Elektroda p zasilanie prądem warstwy kontaktowe 4.5 μm bez podłoża warstwy ograniczające Falowód 200 nm warstwa czynna podłoże warstwy buforowe Elektroda n 400 μm

19 Typowa charakterystyka pracy lasera półprzewodnikowego Moc wiązki jednostki względne nasycenie wywołane temperaturą Zakres pracy Nieodwracalne uszkodzenie lasera stopienie struktury Progowy prąd generacji lasera Prąd jednostki względne

20 Lasery półprzewodnikowe Widmo δλ = 0.6 nm odległość międzymodowa Kryształ InGaAsP n = 3.5 Długość rezonatora L= 0.4 mm λ [μm] Dla lasera AlGaAs λ = 0.8 μm L = 0.3 mm δλ = 0.3 nm Wraz ze zwiększaniem mocy zawężenie widma zanik bocznych modów Mod najsilniejszy tłumi pozostałe mody długość fali mody mody mod Zmiana długości fali na 1 0 C λ [nm] dλ [nm] prąd

21 Przeskoki modów Przypadek generacji jednego modu jeden mod dwa mody jeden mod długość fali przedział generacji jednego modu potencjalne położenie modu związane z długością rezonatora Skok długości fali przy przeskoku modów prąd

22 Lasery półprzewodnikowe z siatkami dyfrakcyjnymi warstwa czynna warstwa p warstwa n zasilanie prądem wyjście rezonator z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym siatka dyfrakcyjna w obszarze pompowania warstwa czynna warstwa p zasilanie prądem wyjście rozłożone zwierciadło Bragga warstwa n siatki dyfrakcyjne na końcach rezonatora Wysoka selektywność widmowa siatek jednomodowy reżim pracy lasera

23 wyjście zasilanie prądem Lasery emitujące powierzchniowo kilkanaście μm warstwa p warstwa czynna warstwa n zwierciadła Bragga Zaleta możliwość budowy dwuwymiarowej macierzy laserów Właściwości: Krótki rezonator jednomodowa praca definiowana przez selektywne odbicie Bragga Małe wzmocnienie kompensowane przez wysoki współczynnik odbicia Bragga Mniejszy kąt rozbieżności wiązki, gdyż większa średnica wiązki

24 Studnie kwantowe Lasery na kropkach kwantowych Przewody kwantowe Kropki kwantowe Pierwsza propozycja 1982 Nadzwyczaj trudna technologia obecnie w trakcie opanowywania Skrajnie niski próg wzbudzenia niezależny od temperatury Wysoka częstotliwość modulacji 40 GHz Przewidywane zastosowania: płaskie ekrany monitora, LED y światła białego, pamięć komputera, elementy techniki telekomunikacyjnej, wykorzystanie energii słonecznej

25 Lasery na kropkach kwantowych Warstwa GaAs Kropka kwantowa InGaAs podłoże GaAs OE magazine, styczeń 2002, str.18-20

26 Widok kropek kwantowych

27 Lasery półprzewodnikowe Właściwości Małe wymiary Typowa struktura laserowa 300x200x100 μm Łatwość sterowania prądem, np. sygnałem 1-2V x dziesiątki ma Wysoka sprawność rzędu dziesiątków procent Modulacja mocy wiązki za pomocą modulacji prądu zasilania Wysokie częstotliwości modulacji maksymalna 10 GHz Moce od mw do kilkudziesięciu W przy powierzchniowej emisji Zależność λ fali od temperatury, a więc i prądu zasilania wada i zaleta Przeskoki modu (skokowa zmiana λ) przy zmianie prądu

28 Lasery półprzewodnikowe Właściwości cd Szeroki zakres spektralny od UV przez pasmo niebieskie do dalekiej IR (30 μm) Wysoka niezawodność uwaga na przekroczenie dopuszczalnego prądu Przy krawędziowej generacji wymiary poprzeczne rezonatora 1x10μm duży kąt rozbieżności wiązki i różny w różnych azymutach ( 60 0 x 5 0 ). Konieczność stosowania dodatkowego kolimującego układu optycznego cylindryczna soczewka lub pryzmat

29 Mikrolasery Miniaturowe lasery 1x1x1 mm 3 - mikrochipy 300 nm Dopasowanie widma emisyjnego diody i absorpcyjnego pręta 808 nm Dopasowanie kształtu wiązki diody do kształtu modu lasera Lampa ksenonowa Dioda AlGaAs Widma emisyjne Widmo absorpcyjne YAG:Nd 3+ Całkowita sprawność lasera 20% Emitancja diody dla λ = 808 nm około 1000 razy większa

30 Mikrolaser objętościowy Mikrolasery cd Wiązka pompująca λ = 808 nm Wiązka laserowa λ = 1.06 μm Odbija λ = 808 nm i częściowo transmituje λ = 1.06 μm Transmituje λ = 808 nm odbija λ = 1.06 μm Zwierciadła dichroiczne rezonatora Praca impulsowa - pasywny przełącznik dobroci wewnątrz rezonatora płytka YAG:Cr 3 o grubości 0.25 mm Krótki rezonator laser jednoczęstotliwościowy Przestrajanie λ - termicznie, elektrooptycznie, piezoelektrycznie

31 Mikrolasery z przestrojeniem na drugą harmoniczną 2.5 mm λ = 1.06 μm λ = 532 nm Dioda pompująca λ = 808 nm Ośrodek aktywny Nd:YVO 4 Ośrodek nieliniowy KTP Dichroiczne zwierciadła rezonatora

32 Mikrolaser cienkowarstwowy Mikrolasery cd Wiązka pompująca λ = 808 nm Nd:YAG Wiązka laserowa λ = 1.06 μm Transmituje λ = 808 nm odbija λ = 1.06 μm YAG Zwierciadła dichroiczne rezonatora Odbija λ = 808 nm i częściowo transmituje λ = 1.06 μm Cechy podobne do laserów objętościowych Inny kształt modu (zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia) Dłuższy rezonator, można nie uzyskać lasera jednoczęstotliwościowego

33 Pompowanie wzdłużne Układy pompujące mikrolaserów λ = 808 nm Nd:YAG Wiązka laserowa λ = 1.06 μm Dioda pompująca Zwierciadła dichroiczne rezonatora Pompowanie poprzeczne falowód Wiązka laserowa λ = 1.06 μm Zwierciadło rezonatora Diody pompujące Zwierciadło rezonatora

34 Szczególne cechy Mikrolasery Miniaturowe wymiary Wysoka sprawność i niski próg generacji Praca ciągła i impulsy nano- i pikosekundowe Monolityczna konstrukcja dla II-giej i wyższych harmonicznych Prostota zasilania i niski koszt Możliwość generacji jednoczęstotliwościowej, droga koherencji rzędu 10 4 m Płynne przestrajanie w zakresie szerokości linii Nd Zastosowanie w telekomunikacji, wojsku (dalmierze), metrologii i spektroskopii

35 Lasery włóknowe Domieszki i pasma Lasery wysokiej mocy λ [μm] Jony neodymu Nd iterbu Yb erbu Er Podwójny płaszcz profil n pompa Rdzeń Średnica rdzenia μm Średnica płaszcza μm

36 Rezonatory laserów włóknowych pompa λ p τ p =1 ρ las = 1 λ las ρ p =1 0<τ las <1 Zwierciadła rezonatora dielektryczne pompa λ las Zwierciadła rezonatora λ p dielektryczne, praca impulsowa modulator dobroci pompa λ p λ las Zwierciadło Bragga w rezonatorze λ las

37 Laser włóknowy z falą biegnącą pompowanie poprzeczne λ p mniejsze długości światłowodów sprzęgacz λ las

38 Lasery włóknowe Właściwości Wysokie wzmocnienie Wysoka sprawność i niski próg generacji Łatwa wymiana ciepła z otoczeniem (chłodzenie) Uzyskano 2.4 W mocy dla włókna o długości 50 m W laserach w kształcie dysku o grubości 100 μm moce wyjściowe rzędu kilkadziesięciu W Są doniesienia literaturowe o mocy kw ze światłowodem o średnicy 1 mm M.Malinowski: Lasery światłowodowe. Oficyna Wydawnicza PW. Warszawa 2003

39 Inne typy laserów Lasery gazodynamiczne Lasery molekularne, w których mieszanie gazów CO 2 i N 2 w wysokich temperaturach i prędkościach poddźwiękowych pozwala uzyskać bardzo wysokie moce (kw) N 2 T > 1500 K P > 2 MPa strefa mieszania CO 2 T 500 K wiązka laserowa λ = 10.6 μm W impulsie 4 ms moc 400 kw

40 Inne typy laserów cd Lasery chemiczne Wykorzystanie reakcji chemicznej do pompowania ośrodka czynnego Bardzo wysokie moce szczególnie przy pracy impulsowej (GW) Zastosowanie w technice wojskowej (synteza jądrowa) Podobne w budowie do laserów gazodynamicznych mieszanie gazów wywołujących reakcje egzotermiczne Lasery rentgenowskie Dotyczy miękkiego promieniowania rentgena pochłanianego przez powietrze Inwersja obsadzeń uzyskana przez bombardowanie folii metalowej impulsami lasera wysokiej mocy. Zastosowanie - rentgenolitografia