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