Radosław Strzałka Materiały i przyrządy półprzewodnikowe 03.01.2011 Niebieski laser 1960-2010 Radosław Strzałka Materiały i przyrządy półprzewodnikowe 03.01.2011

Plan prezentacji Historia powstania lasera - prekursorzy lasera - fizyka akcji laserowej - pierwszy laser na ciele stałym Laser niebieski - dlaczego tak późno? - laser GaN: budowa, wytwarzanie - pierwsze lasery niebieskie: silny polski akcent Zastosowania lasera niebieskiego - te już wdrożone - te jeszcze w planach 4. Podsumowanie

Prekursorzy lasera i ich idee (1) Po obublikowaniu idei MASERa przez Townesa rozpoczyna się wyścig w wynalezieniu lasera

Prekursorzy lasera i ich idee (2) bardzo mało rozbieżna wiązka fala spójna (koherentna) wiązka monochromatyczna fala spolaryzowana

Prekursorzy lasera i ich idee (3) populacje obsadzeń dane rozkładem Boltzmanna Inwersja obsadzeń Równanie kinetyczne populacji: Równowaga procesów

Prekursorzy lasera i ich idee (4) Wiązka para amoniaku przepuszczona przez separator elektryczny oraz wpuszczona do wnęki rezonansowej, gdzie następuje emisja wymuszona Drgania atomu wodoru z częstotliwością 23,87 GHz (λ=12,57 mm) MASER = Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Wynalezienie lasera – Theodore Maiman (1960) = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 694.3 nm

Wynalezienie lasera – Theodore Maiman (1960) Dla rubinu: P – fotony zielone, R – „ciepło”, L – fotony czerwone Dodatnie sprzężenie zwrotne Pręt rubinowy b. dobrze pracuje jako wzmacniacz światła, ale nie jako generator światła. Rezonator optyczny Limit dyfrakcyjny:

50 lat lasera - rozwój w etapach Lata 60: lasery gazowe i półprzewodnikowe Q-switching, mode-locking Lata 70 - dekada zastosowań lasera: laser w obróbce mechanicznej, medycynie, laser półprzewodnikowy w telekomunikacji Lata 80 – dekada nowych odkryć: CPA (chirped pulse amplification), Kerr lens mode locking, nowe materiały (laser tytanowo-szafirowy – ultrakrótkie impulsy) Lata 90 – dekada laserów ogromnej mocy: 1999 pierwszy laser petawatowy LASER NIEBIESKI (1995/1996) Lata 2000 – attoscience: coraz krótsze impulsy laserowe

Lasery półprzewodnikowe pierwsze lasery pp – 1962 (w Polsce 1966), wykorzystanie heterozłącza 1963 inwersja obsadzeń uzyskana dzięki efektowi elektroluminescencji w obszarze przejściowym złącza p-n łatwość sterowania i modulowania natężenia promieniowania bardzo prosta budowa i niski koszt produkcji – szerokie zastosowania w życiu codziennym

Limit dyfrakcyjny – dlaczego niebieski jest fajny? nawet 4x większa gęstość zapisu dysków optycznych

Kolor niebieski Lasery niebieskie na podłożu SiC znane już wcześniej, jednak ze względu na skośną przerwę mają o wiele mniejszą moc emisji wymuszonej. Dlatego lepiej skonstruować laser GaN o przerwie prostej.

Pierwszy laser niebieski 1993 – pierwsza niebieska dioda LED 1995/96 – laser niebieski na podłożu szafirowym

Pierwszy laser Nakamury Shuji Nakamura – firma Nichia Chemicals Laser niebieski na pdołożu szafirowym: - mała moc 2-30 mW, krótka żywotność ok. 300 godz. (jest to skutkiem wielkiej liczby dyslokacji/cm2) - niedopasowanie sieciowe GaN i szafiru (15%) - wysoka temperatura hodowli GaN - problemy z domieszkowaniem

Produkcja kryształu GaN

Produkcja kryształu GaN Wytworzenie kryształu GaN wymaga użycia ekstremalnych warunków ciśnienia i temperatury, wyższych nawet od tych przy produkcji sztucznych diamentów. Niewiele instytucji na świecie jest w stanie uzyskać kryształy GaN Odpowiedniej czystości  Unipress + TopGaN Kryształ Temperatura topnienia, st. C Ciśnienie w temp. topnienia, bar Si 1400 <1 GaAs 1250 15 GaP 1465 30 GaN 2600 45 000  rozpuszczalność N w Ga jest b. słaba, stosuje się rozpuszczanie molekuł N2 w wysokim ciśnieniu

Polski niebieski laser 1995 – 1999: lasery na podłożu szafirowym: Nichia, Toshiba, Fujitsu, XEROX, Cree, Osram 1999: Nakamura konstruuje laser niebieski na polskim podłożu GaN  żywotność podwaja się 2001: pierwszy polski laser na monokrystalicznym podłożu czystego GaN Instytut Wysokich Ciśnień PAN (dawniej CBW PAN „Unipress”) pod kierownictwem prof. Sylwestra Porowskiego Styczeń 2001: z wydzielenia ze struktur IWC PAN powstaje prywatne przedsiębiorstwo TopGaN (jako spin-off Unipressu)

Polski niebieski laser Produkcja kryształu GaN: ciśnienie 20 000 bar, temperatura ok. 1600 st.C Liczba defektów: nie przekracza 100/cm2

Polski niebieski laser

Blu-ray Disc

Blu-ray Disc Długość fali lasera: 405 nm (światło fioletowe) Grubość warstwy zapisywalnej: 0.1 mm (ważna jest odpowiednia twardość i odporność materiału ochronnego) Pojemność dysku: 25 GB (jednowarstwowy), 50 GB (dwuwarstwowy), Pioneer: 400 GB (16-warstwowy) Szybkość zapisu 1x: 36 Mbit/s (DVD: 10.5 Mbit/s) Popularność: USA – październik 2008: 800 filmów BD (ok. 100 tys. DVD) USA i Kanada – czerwiec 2009: 2500 filmów BD Japonia – lipiec 2010: 3300 tytułów Cena: płyty Verbatim BD 4x 10szt. – 109.99zł odtwarzacze: 300zł – 800zł – 2000zł napędy: 170zł – 300zł

Projektor laserowy Lasery w trzech podstawowych barwach pozwalają na dokładniejsze generowanie obrazów. Stwarza to fascynujące możliwości zastosowań w technikach wizualnych, tam, gdzie zależy nam na doskonałości obrazu np.: w projektorach kina domowego, projektorach multimedialnych etc. Obecnie dostępne na rynku projektory zużywają dużo energii, a jakość obrazu nie jest doskonała. Zastosowanie projektorów laserowych będzie w tej dziedzinie przełomem. Prototyp Kodaka 2010

Inne zastosowania Spektroskopia fotoluminescencji (badanie własności molekuł). Laser niebieski ma większą energię, więc może pobudzać do świecenia większą liczbę różnych typów molekuł, co pozwala na szybsze i lepsze ich rozpoznawanie. Komunikacja pod wodą – światło niebieskie jest praktycznie w ogóle nie pochłanianie przez wodę morską. Urządzenia fotolitograficzne Diagnostyka medyczna

Podsumowanie Fizyka działania lasera jest prosta, także konstrukcja (idea) lasera półprzewodnikowego jest prosta. Niezwykle trudne jest uzyskanie materiału o odpowiedniej przerwie energetycznej (odpowiadającej światłu niebieskiemu), czyli produkcja kryształu GaN Pierwszy niebieski laser 1995/96, laser polski 2001 Pierwsze zastosowania: 2003 – japoński odtwarzacz 2004 – powstaje Blu-ray Disc Association czerwiec 2006 – pierwsza nagrywarka Zastosowania: głównie BD, projektory multimedialne (w rozwoju)