II. WYBRANE LASERY. BERNARD ZIĘTEK IF UMK /~bezet

Transkrypt

1 II. WYBRANE LASERY BERNARD ZIĘTEK IF UMK /~bezet

2 Laser gazowy Laser He-Ne, Mechanizm wzbudzenia Bernard Ziętek IF UMK Toruń 2

3 Model Bernard Ziętek IF UMK Toruń 3

4 Rozwiązania stacjonarne Ponieważ lub Zatem Bernard Ziętek IF UMK Toruń 4

5 Ograniczenie mocy! Bernard Ziętek IF UMK Toruń 5

6 Lasery cząsteczkowe laser CO 2 Widma oscylacyjno - rotacyjne cząsteczek v Liczba drgań normalnych: 3 N 6, dla liniowych: 3 N - 5 Reguły wyboru (wzbronione jest przejście ) -Gałąź P: -Gałąź Q: -Gałąź R: Bernard Ziętek IF UMK Toruń 6

7 Ale ponieważ to Bernard Ziętek IF UMK Toruń 7

8 Inwersja obsadzeń wynosi więc gdzie Częściowa (lokalna) inwersja obsadzeń Bernard Ziętek IF UMK Toruń 8

9 a) Laser CO 2 CO 2 cząsteczka liniowa, bez momentu dipolowego Energia oscylacyjna Poziom oscylacyjny l - degeneracja Drgania normalne CO 2 Bernard Ziętek IF UMK Toruń 9

10 Ciśnienia parcjalne typowo: 1:2:3 Całkowite ok. 2.5 kpa Wyładowanie elektryczne efektywne wzbudzenie N 2 do stanu metastabilnego Schemat poziomów energetycznych CO 2 Transfer energii z N 2 do CO 2 Rola innych gazów pomocniczych: -He duże przewodnictwo cieplne gazu i CO 2 utrzymywane jest w niskiej temperaturze, zwiększa depopulację (02 0 0) -H 2 O i H 2 katalizuje utlenianie CO do CO 2 Bernard Ziętek IF UMK Toruń 10

11 Widmo emisji lasera CO 2. Bernard Ziętek IF UMK Toruń 11

12 Laser barwnikowy Przejścia -bezpromieniste -promieniste fluorescencja foforescencja Przejścia międzysystemowe Konwersja wewnętrzna Relaksacja wewnętrzna Anihilacja tryplet - tryplet Reguła Kashy (przejścia promieniste niemal wyłącznie z najniższych stanów energetycznych Przesunięcie Stokesa przesunięcie pasma fluorescencji w kierunku czerwieni w stosunku do pasma absorpcji Zasada zwierciadlanej symetrii Bernard Ziętek IF UMK Toruń 12

13 Bernard Ziętek IF UMK Toruń 13

14 Pompowanie Bernard Ziętek IF UMK Toruń 14

15 Pierwszy laser 1960 T. Maiman Laser rubinowy Schemat poziomów Al 2 O 3 + Cr 3+ Widmo absorpcji Przy dużych stężeniach: Bernard Ziętek IF UMK Toruń 15

16 Al 2 O 3 + Ti 3+ Laser tytanowo - szafirowy Bernard Ziętek IF UMK Toruń 16

17 Laser neodymowy Schemat poziomów Widmo absorpcji Bernard Ziętek IF UMK Toruń 17

18 Rezonatory laserów światłowodowych Mogą być: liniowe i pierścieniowe Bernard Ziętek IF UMK Toruń 18

19 Bernard Ziętek IF UMK Toruń 19

20 Zasada działania FEL Koncepcja: wysoko monochromatyczne elektrony drgają w zewnętrznym polu magnetycznym tworzy się drgający dipol i jest emitowane promieniowanie. Wiggler, falownik, undulator Bernard Ziętek IF UMK Toruń 20

21 Rozkład natężenia pola dipola w funkcji jego prędkości Bernard Ziętek IF UMK Toruń 21

22 Problem synchronizmu Można spowolnić falę przez - zastosowanie dielektryka - zastosowanie periodycznych struktur. Dobre dla fal długich! Inna metoda wyznacza odległość między magnesami Bernard Ziętek IF UMK Toruń 22

23 Grupowanie elektronów i Bernard Ziętek IF UMK Toruń 23

24 Bernard Ziętek IF UMK Toruń 24

25 Lasery półprzewodnikowe Półprzewodniki - samoistne - domieszkowane Domieszkowanie: Al, Ga, In (III grupa) typ p P, As, Sb (V grupa) typ n Rozkład Fermiego: Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu o energii E F energia Fermiego Bernard Ziętek IF UMK Toruń 25

26 Gęstość stanów -w paśmie przewodzenia -w paśmie walencyjnym Gęstość elektronów w paśmie przewodnictwa lub gdzie Całka Fermiego Bernard Ziętek IF UMK Toruń 26

27 Przejścia -proste - skośne Przykłady Bernard Ziętek IF UMK Toruń 27

28 Stałe sieci i przerwy energetyczne najważniejszych półprzewodników. Linie ciągłe dotyczą półprzewodników z przerwą prostą Bernard Ziętek IF UMK Toruń 28

29 Przerwy energetyczne, odpowiadające im długości fal oraz typ przejścia wybranych materiałów Bernard Ziętek IF UMK Toruń 29

30 Złącze p-n Równanie charakterystyki prądowo-napięciowej Złącza p-n gdzie jest prądem nasycenia, D h(e) stała dyfuzji W złączu poziomu Fermiego wyrównują się. Polaryzacja powoduje zakrzywienie poziomu Fermiego. Kierunek polaryzacji złącza: przewodzenia (lasery, diody LED) zaporowy (diody pomiarowe, np. pin Bernard Ziętek IF UMK Toruń 30

31 Silne domieszkowanie Poziomy Fermiego znajdują się w: paśmie przewodnictwa dla typu n paśmie walencyjnym - dla typu p Bernard Ziętek IF UMK Toruń 31

32 Homozłącza Przerwy energetyczne półprzewodników złącza są takie same Heterozłącza Przerwy energetyczne półprzewodników złącza są różne Quasi poziomy Fermiego w złączach spolaryzowanych Bernard Ziętek IF UMK Toruń 32

33 Rekombinacja spontaniczna - bezpromienista - promienista Przy przejściach prostych Szybkość rekombinacji r stała rekombinacji Bernard Ziętek IF UMK Toruń 33

34 Stała przejść rekombinacyjnych Kształt linii emisji rekombinacyjnej Widmo rekombinacyjne Bernard Ziętek IF UMK Toruń 34

35 Przejścia wymuszone Przyrost gęstości fotonów netto Przyrost jest dodatni, jeśli jest większe od zera Warunek na wzmocnienie lub Warunek Bernarda - Duraffourga Współczynnik wzmocnienia Bernard Ziętek IF UMK Toruń 35

36 Wewnętrzne Rezonatory Warunek rezonansu (rezonator płaskorównoległy) Różnica częstotliwości między modami Ze względu na dyspersję ośrodka Liczba modów Bernard Ziętek IF UMK Toruń 36

37 Rezonatory wielozwierciadłowe Zwierciadła Bragga (DBR) Bernard Ziętek IF UMK Toruń 37

38 Zwierciadła zewnętrzne Układy podobne do rezonatorów laserów Innych typów Bernard Ziętek IF UMK Toruń 38

39 Prąd progowy Całkowite wzmocnienie Ponieważ w półprzewodnikach zatem współczynnik wzmocnienia N gęstość elektronów wstrzykniętych do obszaru złącza Warunek progowy Współczynnik wzmocnienia = współczynnik strat Bernard Ziętek IF UMK Toruń 39

40 Współczynnik strat Stąd gęstość progowa ładunku progowego a gęstość prądu progowego κ s - prawdopodobieństwo rekombinacji Bernard Ziętek IF UMK Toruń 40

41 Dynamika laserów Równania kinetyczne gdzie: gęstość fotonów, współczynnik przekrywania obsadzenie progowe wyznaczone z warunku progowego: Bernard Ziętek IF UMK Toruń 41

42 Rozwiązanie stacjonarne Modulacja amplitudowa Moc wyjściowa od częstotliwości modulacji Graniczna częstotliwość modulacji: do ok. 20 GHz Bernard Ziętek IF UMK Toruń 42

43 Właściwości promieniowania laserów półprzewodnikowych a b c Moc wyjściowa w funkcji prądu w różnych temperaturach Prądy zasilania: a 100 ma b 80 ma c 67 ma Widmo mocy w różnych temperaturach Bernard Ziętek IF UMK Toruń 43

44 Rozkład przestrzenny promieniowania lasera krawędziowego Pryzmaty anamorficzne Bernard Ziętek IF UMK Toruń 44

45 Lasery homozłączowe Wady: - bardzo duże prądy progowe, - kontrolowany dyfuzyjnie obszar czynny -mała gęstość fotonów Zalety: - idealne dopasowanie stałych sieci Bernard Ziętek IF UMK Toruń 45

46 Lasery heterozłączowe Zalety: - niski i bardzo niski prąd progowy, - ograniczony obszar dyfuzji nośników, -duża gęstość fotonów (efekt światłowodowy) Wady: - defekty wynikające z różnic stałych sieci Przykład Bernard Ziętek IF UMK Toruń 46

47 Lasery niskowymiarowe Materiał objętościowy a studnie kwantowe, druty kwantowe, kropki kwantowe a) Ośrodek objętościowy b) Studnia kwantowa Gęstość stanów: a) trójwymiarowych, b) dwuwymiarowych, c) jednowymiarowych, d) zerowymiarowych c) Drut kwantowy d) Kropka kwantowa Bernard Ziętek IF UMK Toruń 47

48 Studnia kwantowa a) schemat, energia i gęstość stanów, b) schemat pasm energetycznych Bernard Ziętek IF UMK Toruń 48

49 Lasery VCSEL i DFB Zalety: -użycie nanostruktur (niski próg), - łatwość produkcji (epitaksja) (nie dotyczy DFB), - wysoka monochromatyczność, - kontrola rozkładu przestrzennego promieniowania VCSEL DFB Długość emitowanej fali DFB: gdzie Bernard Ziętek IF UMK Toruń 49