Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) Wykład IX Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) laser półprzewodnikowy

Emisja spontaniczna i wymuszona 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 E1 E2 W stanie równowagi termodynamicznej zawsze EINSTEIN: Aby zaszła akcja laserowa konieczne jest inwersja obsadzeń: W celu uzyskania inwersji obsadzeń układ musi być „pompowany” Podstawowe metody pompowania: wyładowania elektryczne, pobudzanie optyczne wstrzykiwanie nośników (złącze p-n).

n1 - ilość elektronów na poziomie E1 Z równania Boltzmana E1 E2 Przykład: T=3000 K E2-E1=2.0 eV n1 - ilość elektronów na poziomie E1 n2 - ilość elektronów na poziomie E2

E2 E1 Współczynniki Einsteina   Prawdopodobieństwo absorpcji wymuszonej R1-2 R1-2 = r (n) B1-2 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 n1r (n) B1-2 = n2 (r (n) B2-1 + A2-1) Stąd r (n) E1 E2

gęstość widmowa promieniowania CDC (prawo Plancka) Względna liczba cząstek na dany stan:   r (n) = =     gęstość widmowa promieniowania CDC (prawo Plancka) B1-2/B2-1 = 1

Stosunek A2-1 prawdopodobieństwa emisji spontanicznej do prawdopodobieństwa emisji wymuszonej B2-1r(n ):    Energia hn fotonów światła widzialnego zawiera się w granicach 1.6eV – 3.1eV. kT w temperaturze 300K ~ 0.025eV. 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: jeśli hn /kT <<1.     x~ n2/n1

Przebieg akcji laserowej szybkie przejścia Przebieg akcji laserowej E2 akcja laserowa relacja nieoznaczoności Heisenberga: E1 pompowanie optyczne obsadza szeroki poziom E3 o krótkim czasie życia, rzędu 10-8s; poziomy: metastabilny i podstawowy są wąskie -  elektrony przechodzą z pasma wzbudzonego na poziom metastabilny i gromadzą się: inwersja obsadzeń. -   emisja wymuszona. (Wystarczy aby jeden elektron opuścił stan metastabilny w procesie emisji spontanicznej. Powstający foton zapoczątkuje emisję wymuszoną.) 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 napięcie polaryzujące równe ~ przerwie wzbronionej

Inwersja obsadzeń w laserze półprzewodnikowym Więcej elektronów w pasmie przew. (CB) w pobliżu EC CB EFn Elektrony w CB Eg eV niż elektronów w pasmie walencyjnym (VB) w pobliżu EV Dziury w VB EFp VB 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 EFn- EFp = eV eV > Eg eV – napięcie w kier. Przewodzenia 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