Transcript ppt
Wykład IX Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) laser półprzewodnikowy Emisja spontaniczna i wymuszona Emisja spontaniczna • Fotony emitowane są we wszystkich kierunkach z jednakowym prawdopodobieństwem w przypadkowych chwilach. • Emitowana fala elektromagnetyczna nie jest spójna. Emisja wymuszona • Wymuszający i emitowany foton mają takie same : • częstotliwość • kierunek • fazę • Emitowana fala jest spójna Inwersja obsadzeń W przypadku wzbudzeń termicznych E2 n2 E exp n1 kT W stanie równowagi termodynamicznej zawsze E1 n1 n2 EINSTEIN: Aby zaszła akcja laserowa konieczne jest inwersja obsadzeń: n2 n1 W celu uzyskania inwersji obsadzeń układ musi być „pompowany” Podstawowe metody pompowania: wyładowania elektryczne, pobudzanie optyczne wstrzykiwanie nośników (złącze p-n). Z równania Boltzmana E2 n2 ( E2 E1 ) exp n1 kT • n1 - ilość elektronów na poziomie E1 • n2 - ilość elektronów na poziomie E2 E1 Przykład: T=3000 K E2-E1=2.0 eV n2 4.4 104 n1 Współczynniki Einsteina Prawdopodobieństwo absorpcji wymuszonej R1-2 R1-2 = r (n) B1-2 E1 Proces emisji wymuszonej R2-1 = r (n) B2-1 + A2-1 A 2-1 - proces emisji spontanicznej Zał: n1 atomów w stanie e 1 i n2 atomów w stanie e 2 jest w równowadze w temperaturze T z polem promieniowania o gęstości r (n): n1 R1-2 = n2 R2-1 Stąd r (n) E2 n1r (n) B1-2 = n2 (r (n) B2-1 + A2-1) A21 / B21 r n = n1 B1 2 1 n2 B21 Względna liczba cząstek na dany stan: r (n) = n1 exp(e 2 e1) / kT exp( hn / kT ) n2 A21 / B21 B1 2 hn exp( ) 1 B21 kT = 8hn 3 / c 3 exp( hn / kT ) 1 gęstość widmowa promieniowania CDC (prawo Plancka) B1-2/B2-1 = 1 A21 8hn 3 B21 c3 Stosunek A2-1 prawdopodobieństwa emisji spontanicznej do prawdopodobieństwa emisji wymuszonej B2-1r(n : A21 exp(hn / kT ) 1 B21r (n ) 1. Energia hn fotonów światła widzialnego zawiera się w granicach 1.6eV – 3.1eV. 2. kT w temperaturze 300K ~ 0.025eV. 3. Dopiero gdy hn/kT <<1 emisja wymuszona może być dominująca. I tak np. w zakresie mikrofalowym hn <0.0015eV. W ogólności częstość emisji do częstości absorpcji x jest dana wzorem: n A n B r (n ) A21 n2 n2 x 2 21 2 21 [1 ] n1B12 r (n ) B21r (n ) n1 n1 jeśli hn /kT <<1. x~ n2/n1 E3 Przebieg akcji laserowej szybkie przejścia E2 akcja laserowa relacja nieoznaczoności Heisenberga: E t E1 1. pompowanie optyczne obsadza szeroki poziom E3 o krótkim czasie życia, rzędu 10-8s; poziomy: metastabilny i podstawowy są wąskie 2. - elektrony przechodzą z pasma wzbudzonego na poziom metastabilny i gromadzą się: inwersja obsadzeń. 3. - emisja wymuszona. (Wystarczy aby jeden elektron opuścił stan metastabilny w procesie emisji spontanicznej. Powstający foton zapoczątkuje emisję wymuszoną.) 4. Wiązka fotonów porusza się prostopadle do luster powstaje fala stojąca. Laser rubinowy • Wynaleziony w latach 60-tych. • Czynnik roboczy: monokryształ rubinu czyli Al2O3 domieszkowany Cr. • Pompowanie optyczne poprzez nawiniętą spiralnie lampę błyskową • Lustra na obu końcach kryształu. • Laser światła czerwonego Laser półprzewodnikowy a) Dioda laserująca bez polaryzacji i b) spolaryzowana napięciem równym energii wzbronionej półprzewodnika. Warunek wystąpienia akcji laserowej: półprzewodniki zdegenerowane EFC EFV 0 napięcie polaryzujące równe ~ przerwie wzbronionej Inwersja obsadzeń w laserze półprzewodnikowym Więcej elektronów w pasmie przew. (CB) w pobliżu EC EFn eV CB Elektrony w CB Eg EFp EFn- EFp = eV eV > Eg eV – napięcie w kier. Przewodzenia Dziury w VB VB niż elektronów w pasmie walencyjnym (VB) w pobliżu EV Inwersja obsadzeń stanów w pobliżu EC i EV w obszarze złącza Jest to jedynie możliwe, gdy zdegenerowane złącze p-n jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia napięciem o energii eV > Eg TU Dresden 09.12.2010 Elektrony i dziury w studniach kwantowych ( Eg E1 + Eg + Eh ). Nośniki w studni potencjału Fotony również w „ studni” współczynnika załamania Nobel Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) • Markery nowotworowe – fluorescencja po oświetleniu światłem niebieskim komórek rakowych różni się od fluorescencji zdrowych komórek. • Detekcja broni chemicznej i biologicznej - po oświetleniu światłem niebieskim pierwiastki znajdujące się w broni chemicznej i biologicznej fluoryzują. • Lepsze drukarki – drukarki laserowe na niebieskim laserze mają dwukrotnie większą rozdzielczość • Medycyna/stomatologia – skalpele, rozdrabniacze złogów i udrażnianie arterii, renowacja uszkodzonej rogówki i naczyń krwionośnych w oku, utwardzanie wypełnień w zębach. • Zastos. militarne – naprowadzanie na cel • Nauka – Charakteryzacja materiałów i metrologia Lasery-zastosowanie • Większość współczesnych dysków (CD i DVD) jest wykonywana przy użyciu laserów na bazie GaAs, które emitują światło w czerwonym lub podczerwonym zakresie widma promieniowania • CD ≈ 700MB używa lasera na 780nm • DVD o pojemności 4.7GB - lasera na ≈ 640nm. • Niebieskie lasery o długości fali ≈ 405 nm: Blu-ray i Advanced Optical Disc mają pojemność 23GB i 36GB. • Krótsze fale umożliwiają zapis olbrzymiej ilości danych Laser niebiesko-fioletowy TU Dresden 09.12.2010 Materiały półprzewodnikowe stosowane na LED i diody laserowe Laser VCSEL