Lasery półprzewodnikowe historia

Podobne dokumenty
!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

Rezonatory ze zwierciadłem Bragga

Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

VI. Elementy techniki, lasery

LASERY NA CIELE STAŁYM BERNARD ZIĘTEK

Ogólne cechy ośrodków laserowych

Optyczne elementy aktywne

w obszarze linii Podziały z różnych punktów widzenia lasery oscylatory (OPO optical parametric oscillator)

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

Aleksandra Banaś Dagmara Zemła WPPT/OPTOMETRIA

Sprzęganie światłowodu z półprzewodnikowymi źródłami światła (stanowisko nr 5)

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

6. Emisja światła, diody LED i lasery polprzewodnikowe

Materiały w optoelektronice

PODSTAWY FIZYKI LASERÓW Wstęp

Transmisja i absorpcja fotonów przez ośrodek

Różnorodne zjawiska w rezonatorze Fala stojąca modu TEM m,n

Wzmacniacze optyczne ZARYS PODSTAW

Spektroskopia modulacyjna

Politechnika Wrocławska Wydział Podstawowych Problemów Techniki

Kształtowanie wiązki laserowej przez układy optyczne

Technika laserowa, otrzymywanie krótkich impulsów Praca impulsowa

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

CHARAKTERYSTYKA WIĄZKI GENEROWANEJ PRZEZ LASER

Lasery. Własności światła laserowego Zasada działania Rodzaje laserów

Właściwości światła laserowego

Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych

Struktura pasmowa ciał stałych

Źródła światła: Lampy (termiczne) na ogół wymagają filtrów. Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł. 3 1/18

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

UNIWERSYTET MARII CURIE-SKŁODOWSKIEJ W LUBLINIE

PL B1. INSTYTUT TECHNOLOGII ELEKTRONOWEJ, Warszawa, PL INSTYTUT FIZYKI POLSKIEJ AKADEMII NAUK, Warszawa, PL

Fizyka Laserów wykład 11. Czesław Radzewicz

Światłowodowy iterbowy wzmacniacz impulsów promieniowania o nanosekundowym czasie trwania

Materiały fotoniczne

SYLABUS DOTYCZY CYKLU KSZTAŁCENIA / /20 (skrajne daty)

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

Technika falo- i światłowodowa

Wprowadzenie do optyki nieliniowej

Fotonika kurs magisterski grupa R41 semestr VII Specjalność: Inżynieria fotoniczna. Egzamin ustny: trzy zagadnienia do objaśnienia

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

PL B1. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL

L E D light emitting diode

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

UMO-2011/01/B/ST7/06234

Przejścia promieniste

GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO

MATERIAŁY POMOCNICZE DO WYKŁADU Z PODSTAW ZASTOSOWAŃ ULTRADŹWIĘKÓW W MEDYCYNIE (wyłącznie do celów dydaktycznych zakaz rozpowszechniania)

Wykład IV. Dioda elektroluminescencyjna Laser półprzewodnikowy

Azotkowe diody laserowe na podłożach GaN o zmiennym zorientowaniu

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wysokowydajne falowodowe źródło skorelowanych par fotonów

Laboratorium techniki światłowodowej. Ćwiczenie 2. Badanie apertury numerycznej światłowodów

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

Źródła światła w technice światłowodowej - podstawy

Dyspersja światłowodów Kompensacja i pomiary

Światłowodowy pierścieniowy laser erbowy

Metody optyczne w medycynie

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

ELEMENTY SIECI ŚWIATŁOWODOWEJ

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

Widmo promieniowania elektromagnetycznego Czułość oka człowieka

Lasery. Własności światła laserowego Zasada działania Rodzaje laserów

Teoria pasmowa ciał stałych

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

OTRZYMYWANIE KRÓTKICH IMPULSÓW LASEROWYCH

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

Czujniki światłowodowe

Autokoherentny pomiar widma laserów półprzewodnikowych. autorzy: Łukasz Długosz Jacek Konieczny

GaSb, GaAs, GaP. Joanna Mieczkowska Semestr VII

Właściwości optyczne. Oddziaływanie światła z materiałem. Widmo światła widzialnego MATERIAŁ

Niezwykłe światło. ultrakrótkie impulsy laserowe. Piotr Fita

Badanie emiterów promieniowania optycznego

Piotr Targowski i Bernard Ziętek LASER PÓŁPRZEWODNIKOWY

PL B1. Politechnika Wrocławska,Wrocław,PL BUP 02/04

PL B1. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL BUP 18/15. HANNA STAWSKA, Wrocław, PL ELŻBIETA BEREŚ-PAWLIK, Wrocław, PL

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wzmacniacze optyczne

Rozszczepienie poziomów atomowych

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Lasery i światłowody

Laser z podwojeniem częstotliwości

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

Uniwersytet Warszawski Wydział Fizyki. Światłowody

Bernard Ziętek OPTOELEKTRONIKA

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Fizyka Laserów wykład 6. Czesław Radzewicz

Wykład 5 Fotodetektory, ogniwa słoneczne

Wielomodowe, grubordzeniowe

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

Opracowanie nowych koncepcji emiterów azotkowych ( nm) w celu ich wykorzystania w sensorach chemicznych, biologicznych i medycznych.

Ośrodki dielektryczne optycznie nieliniowe

UMO-2011/01/B/ST7/06234

Skończona studnia potencjału

1. FALE ELEKTROMAGNETYCZNE: WŁASNOŚCI I PARAMETRY.

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Trzy rodzaje przejść elektronowych między poziomami energetycznymi

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej. Zakład Optoelektroniki

Badanie dynamiki rekombinacji ekscytonów w zawiesinach półprzewodnikowych kropek kwantowych PbS

Lasery. Własności światła laserowego Zasada działania Rodzaje laserów

Transkrypt:

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 2 2000 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 = 1,3 1.55 μm zastosowanie w telekomunikacji

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 = 0.63 0.69 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

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

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

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

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

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

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

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

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 = 1,3 1.55 μm PbSnTe i PbSSe λ = 3 30 μm 0.4 0.6 0.7 0.9 1.0 1.3 [μm] diody niebieskie najbardziej popularne

LED w UV OE magazine, czerwiec 2003, strony 20-22 Unormowana intensywność 250 300 350 400 [nm] Długość fali

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

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

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

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

Rezonator falowodowy zwierciadło rezonatora warstwa p warstwa n Kąty rozbieżności wiązki propagujące się pole w falowodzie zwierciadło transmisyjne rezonatora 5 0 50 0

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

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

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

Lasery półprzewodnikowe Widmo δλ = 0.6 nm odległość międzymodowa Kryształ InGaAsP n = 3.5 Długość rezonatora L= 0.4 mm 1.300 1.305 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] 800 0.05 1300 0.08 prąd

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

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

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

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

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

Widok kropek kwantowych

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

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

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

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

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

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

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

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

Lasery włóknowe Domieszki i pasma Lasery wysokiej mocy λ [μm] Jony neodymu Nd 3+ 1.06 1.12 iterbu Yb 3+ 1.02 1.18 erbu Er 3+ 1.53 1.565 Podwójny płaszcz profil n pompa Rdzeń Średnica rdzenia 10 15 μm Średnica płaszcza 100 400 μm

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

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

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

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

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