1 / 19

Wykład IX

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.

chapa
Download Presentation

Wykład IX

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

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

  2. 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

  3. E2 E1 Inwersja obsadzeń W przypadku wzbudzeń termicznych 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).

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

  5. 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)

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

  7. 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

  8. E3 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 igromadzą 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.

  9. Laser rubinowy • Wynaleziony w latach 60-tych. • Czynnik roboczy: monokryształ rubinu czyli Al2O3 domieszkowanyCr. • Pompowanie optyczne poprzez nawiniętą spiralnie lampę błyskową • Lustra na obu końcach kryształu. • Laser światła czerwonego

  10. 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

  11. Inwersja obsadzeń w laserze półprzewodnikowym Więcej elektronów w pasmie przew. (CB) w pobliżu EC CB EFn Elektronyw CB Eg eV niż elektronów w pasmie walencyjnym (VB) w pobliżu EV Dziury w VB EFp VB • Inwersja obsadzeń stanów w pobliżu ECi EVw 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

  12. Elektrony i dziury w studniach kwantowych ( Eg  E1 + Eg + Eh ).

  13. Nośniki w studni potencjału Fotony również w „ studni” współczynnika załamania Nobel

  14. 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 biologicznejfluoryzują. • 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

  15. 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≈ 700MBużywa lasera na 780nm • DVD o pojemności 4.7GB - lasera na ≈ 640nm. • Niebieskie laseryo długości fali ≈ 405 nm: Blu-ray i Advanced Optical Disc mają pojemność 23GBi 36GB. • Krótsze fale umożliwiają zapis olbrzymiej ilości danych

  16. Laser niebiesko-fioletowy TU Dresden 09.12.2010

  17. Materiały półprzewodnikowe stosowane na LED i diody laserowe

  18. Laser VCSEL

More Related