II. WYBRANE LASERY. BERNARD ZIĘTEK IF UMK www.fizyka.umk.pl/~ /~bezet



Podobne dokumenty
Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

LASERY NA CIELE STAŁYM BERNARD ZIĘTEK

Rezonatory ze zwierciadłem Bragga

VI. Elementy techniki, lasery

!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

Wykład IV. Dioda elektroluminescencyjna Laser półprzewodnikowy

Sprzęganie światłowodu z półprzewodnikowymi źródłami światła (stanowisko nr 5)

6. Emisja światła, diody LED i lasery polprzewodnikowe

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

PODSTAWY FIZYKI LASERÓW Wstęp

Struktura pasmowa ciał stałych

Trzy rodzaje przejść elektronowych między poziomami energetycznymi

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Właściwości światła laserowego

Teoria pasmowa ciał stałych

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Piotr Targowski i Bernard Ziętek LASER PÓŁPRZEWODNIKOWY

Wprowadzenie do struktur niskowymiarowych

Przejścia optyczne w strukturach niskowymiarowych

Przejścia promieniste

Optyczne elementy aktywne

III.3 Emisja wymuszona. Lasery

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Skończona studnia potencjału

Urządzenia półprzewodnikowe

Ogólne cechy ośrodków laserowych

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

WYZNACZENIE STAŁEJ PLANCKA NA PODSTAWIE CHARAKTERYSTYKI DIODY ELEKTROLUMINESCENCYJNEJ

Projekt FPP "O" Kosma Jędrzejewski

Model elektronów swobodnych w metalu

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Z POMIARU CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH. Irena Jankowska-Sumara, Magdalena Krupska

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

Lasery. Własności światła laserowego Zasada działania Rodzaje laserów

Widmo promieniowania elektromagnetycznego Czułość oka człowieka

Ciała stałe. Literatura: Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 42 Orear, t. 2, rozdz. 28 Young, Friedman, rozdz

IX. DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE Janusz Adamowski

UNIWERSYTET SZCZECIŃSKI INSTYTUT FIZYKI ZAKŁAD FIZYKI CIAŁA STAŁEGO. Ćwiczenie laboratoryjne Nr.2. Elektroluminescencja

Lasery półprzewodnikowe na złączu p-n. Laser półprzewodnikowy a dioda świecąca

Przejścia kwantowe w półprzewodnikach (kryształach)

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

Przemysłowe urządzenia elektrotermiczne działające w oparciu o pozostałe metody nagrzewania elektrycznego Prof. dr hab. inż.

Materiały w optoelektronice

Spektroskopia modulacyjna

Lasery. Własności światła laserowego Zasada działania Rodzaje laserów

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Fizyka Laserów wykład 10. Czesław Radzewicz

Ćwiczenie 1 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Lasery budowa, rodzaje, zastosowanie. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

Teoria pasmowa ciał stałych Zastosowanie półprzewodników

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

Źródła promieniowania optycznego problemy bezpieczeństwa pracy. Lab. Fiz. II

Nanostruktury i nanotechnologie

W książce tej przedstawiono:

L E D light emitting diode

Repeta z wykładu nr 4. Detekcja światła. Dygresja. Plan na dzisiaj

Część 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych

Piotr Targowski i Bernard Ziętek LASER PÓŁPRZEWODNIKOWY

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

Systemy laserowe. dr inż. Adrian Zakrzewski dr inż. Tomasz Baraniecki

Technika laserowa, ośrodek czynny. Moc (bezpieczeństwo) Sposób pracy (ciągłe, impulsowe) Długość fali Ośrodek czynny Zastosowania

Technika laserowa. dr inż. Sebastian Bielski. Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG

IV. Transmisja. /~bezet

Źródła światła w technice światłowodowej - podstawy

Elektryczne własności ciał stałych

Złącze p-n: dioda. Przewodnictwo półprzewodników. Dioda: element nieliniowy

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

Informacje wstępne. Witamy serdecznie wszystkich uczestników na pierwszym etapie konkursu.

1. Od czego i w jaki sposób zależy szybkość reakcji chemicznej?

Pole elektrostatyczne

Elektryczne własności ciał stałych

4. Diody DIODY PROSTOWNICZE. Są to diody przeznaczone do prostowania prądu przemiennego.

Przyrządy półprzewodnikowe część 2

Złącza p-n, zastosowania. Własności złącza p-n Dioda LED Fotodioda Dioda laserowa Tranzystor MOSFET

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Absorpcja związana z defektami kryształu

Wybrane elementy optoelektroniczne. 1. Dioda elektroluminiscencyjna LED 2. Fotodetektory 3. Transoptory 4. Wskaźniki optyczne 5.

SYLABUS DOTYCZY CYKLU KSZTAŁCENIA / /20 (skrajne daty)

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

3. ZŁĄCZE p-n 3.1. BUDOWA ZŁĄCZA

Bernard Zi etek LASERY

1 Źródła i detektory. I. Badanie charakterystyki spektralnej nietermicznych źródeł promieniowania elektromagnetycznego

Złącze p-n powstaje wtedy, gdy w krysztale półprzewodnika wytworzone zostaną dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa p i n. Nośniki większościowe

Rozszczepienie poziomów atomowych

Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych

Atomy w zewnętrznym polu magnetycznym i elektrycznym

Zasada działania tranzystora bipolarnego

Wzbudzony stan energetyczny atomu

Fotoelementy. Symbole graficzne półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych: a) fotoogniwo b) fotorezystor

Informacje ogólne. 45 min. test na podstawie wykładu Zaliczenie ćwiczeń na podstawie prezentacji Punkty: test: 60 %, prezentacja: 40 %.

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Fotodetektory. Fotodetektor to przyrząd, który mierzy strumień fotonów bądź moc optyczną przetwarzając energię fotonów na inny użyteczny sygnał

ZASADA DZIAŁANIA LASERA

Transkrypt:

II. WYBRANE LASERY BERNARD ZIĘTEK IF UMK www.fizyka.umk.pl/~ /~bezet

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

Model Bernard Ziętek IF UMK Toruń 3

Rozwiązania stacjonarne Ponieważ lub Zatem Bernard Ziętek IF UMK Toruń 4

Ograniczenie mocy! Bernard Ziętek IF UMK Toruń 5

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

Ale ponieważ to Bernard Ziętek IF UMK Toruń 7

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

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

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

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

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

Bernard Ziętek IF UMK Toruń 13

Pompowanie Bernard Ziętek IF UMK Toruń 14

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

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

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

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

Bernard Ziętek IF UMK Toruń 19

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

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

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

Grupowanie elektronów i Bernard Ziętek IF UMK Toruń 23

Bernard Ziętek IF UMK Toruń 24

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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