Lézerek

1. Lézerek Nagy Szilvia

2. Tartalom • működés • tulajdonságokk • alkalmazás • atomi energiaszintek • populációinverzió • energiasávok szilárdtestekben • félvezető heteroátmenetek • kvantum well lézerek • VCSEL-ek

3. A lézerek tulajdonságai • Monokromatikusfény – kis sávszélesség • Kis divergencia – keskeny, irányított nyaláb • Koherensnyaláb – a fotonok közel azonos fázisúak • Többnyire nem túl nagy teljesítmény • nagy teljesítménysűrűség • nem nagyon hatékony energiaátalakítás

4. Felhasználás • Anyagfeldolgozás – vágás, fúrás, hőkezelés, olvasztás, … • Optikai jelek olvasása – CD, vonalkód, … • Grafika – nyomtatók, színelválasztók, nyomtatási lemezek, sablonok, … • Laboratórium, mérések • Orvoslás – vérzés nélküli szike, tumor roncsolás, … • Katonai – célzók, keresők, … • Hírközlés

5. A lézerek működése Mi kell a lézerek működéséhez • Lézer erősítő – optikai erősítés • Optikai rezonátor – pozitív visszacsatolás a fény optikai teljesítménye visszaverődés előtt: Pvisszaverődés után:(1−t1)P reflexió

6. A lézerek működése Mi kell a lézerek működéséhez • Lézer erősítő – optikai erősítés • Optikai rezonátor – pozitív visszacsatolás új fotonok keletkeznek visszaverődés optikai erősítés:P g∙ℓ∙P

7. A lézerek működése Mi kell a lézerek működéséhez • Lézer erősítő – optikai erősítés • Optikai rezonátor – pozitív visszacsatolás t2∙P (1−t2)P

8. A lézerek működése • Teljesítmény egy körben P ℓ

9. Zajforrások • RIN (Relative Intensity Noise) • random amplitúdófluktuáció • zajteljesítmény 1MHz-es sávban/össztelj. • -160dB/Hz, amin a visszavert hullámok sokat rontanak: izolátorok • Chirp – mellékhullám moduláció: • kicsi frekvenciamoduláció - ciripelés • nagyobb CSO • hőmérsékletváltozás • eltolódó karakterisztika

10. Atomi energiaszintek A Schrödinger-egyenlet megoldása szerint • kvantált sajátenergiák • hozzájuk rendelhető hullámfüggvények 2. gerjesztett állapot 1. gerjesztett állapot alapállapot

11. Atomi energiaszintek Ha egy energiájú foton kölcsönhat egy atommal, egy elektron az Emszintről azEnenergiaszintre gerjesztődhet: foton abszorpció– relatív gyakoriság: foton

12. Atomi energiaszintek Egy gerjesztett elektron azEmszintről az alacsonyabbEn szintre tud relaxálódni, miközben egy fotont bocsát ki, melynek energiája: spontán emisszió – relatív gyakoriság: foton – random irány spontán élettartam

13. Atomi energiaszintek Ha egyenergiájú foton egy olyan atommal hat kölcsön, melynek egy gerjesztett elektronja van azEn szinten, a foton az elektront azEn szintre való lépésre késztetheti indukált emisszió foton 2 foton – azonos irány, azonos fázis

14. Atomi energiaszintek Az indukált emisszió sokkal a spontán élettartam vége előtt létrejöhet. indukált emisszió: egy foton bekét foton ki Az optikaierősítőmegvalósítható olyan atomok halmazaként, melyeknek sok elektronja van ugyanabba a hosszú spontán élettartamú állapotba gerjesztve.

15. Atomi energiaszintek Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation A rezonátor többnyire sokkal hosszabb a fény hullámhosszánál (több lehetséges módus). Upper Laser Level Lower Laser Level

16. Atomi energiaszintek Egyensúlyban a relatív gyakoriságokra igaz: Így ahnenergiájú fotonok sűrűsége relatív betöltési valószínűség

17. Populációinverzió Termodinamikai egyensúlyban az állapotok betöltöttsége a Boltzmann-tv szerinti: a relatív betöltöttség így

18. Populációinverzió A fotonsűrűséget a fekete test sugárzás eredményeivel összehasonlítva:

19. Populációinverzió Termodinamikai egyensúlyban az állapotok betöltöttsége a Boltzmann-tv szerinti: HaBmn=Bnm, egyensúlyban az abszorpció relatív gyakorisága sokkal nagyobb, mint az indukált emisszióé

20. Populációinverzió valahogy a felső lézer szinten (ULL) lévő elektronok számát meg kell növelni populációinverzió jön létre A részecskék nem termodinamikai egyensúlyban vannak

21. Populációinverzió A populációinverzió létrehozása • az elektronokat egy rövid spontán élettartamú energiaszintre gerjesztjük:pumpálás • a pumpálási szintről (pumpinglevel)az elektronok a felső lézer szinre (upper laser level) relaxálódnak, melynek nagy a spontán élettartama • a felső lézer szinten elektronok halmozódnak fel PL ULL LLL GS

22. Populációinverzió Háromszintű lézer Négyszintű lézer pumping level pumping level upper laser level upper laser level lower laser level lower laser level = ground state ground state rövid spontán élettartam

23. Populációinverzió Populációinverzió létrehozásának módjai • speciális szűrők • elektromos pumpálás • direkt elektromos kisülés • rádiófrekvenciás tér • elektronsugár • p-n heterostruktúra • optikai pumpálás • kémiai pumpálás • nukleáris pumpálás

24. Energiasávok szilárdtestekben Szilárdtestekben az atomi nívók kiszélesednek energiasávok jönnek létre • vibrációk (és rotációk) a kristályban • az energiaszintek momentumfüggése • degenerált állapotok felhasadása, … vezetési sáv (conduction band) tiltott sáv (gap) – nincsenek elektronok valenciasáv (valance band)

25. Energiasávok szilárdtestekben A Fermi-szint a legmagasabb olyan energiaszint, amely betöltött: • a Fermi-szint a vezetési sávbanfém • a Fermi-szint a gapben szigetelő szigetelő (félvezető) fém

26. Energiasávok szilárdtestekben Nem 0 hőmérsékleten a Fermi-szint nem szigorú: a betöltési valószínűség Fermi-Dirac statisztikát követ T = 0 K T > 0 K f(E) f(E)

27. Energiasávok szilárdtestekben Így ha egy szigetelő tiltott sávja nagyobb mennyiségű elektron lehet jelen a vezetési sávnban: vezetési sáv gap vezetési sáv félvezető szigetelő

28. Energiasávok szilárdtestekben Egy kristályban az energiaszintek függenek ak hullámszámtól (kvázimomentum): c.b c.b indirektgap direkt gap v.b v.b momentum megmaradás nincs foton kibocsátás nem kell momentumot vinnifoton emisszió lehet

29. Heterojunctions in semiconductors töltéshordozók vihetők a félvezetőkbe adalékolással (doping): • V főcsoport atomjai: elektronok n-típus • III főcsoport atomjai: lyukak p-típus vezetési sáv lokalizál akceptor/donor nívók p-típus n-típus vegyértéksáv

30. Heterojunctions in semiconductors Ha egy n típusú és egy p típusú réteg kontaktusba kerül, • az érintkezés közelében a pozitív és negatív töltéshordozók rekombinálódhatnak • fotonok keletkezhetnek • potenciálgát alakul ki nincs rekombináció

31. Heterojunctions in semiconductors Ha egy n típusú és egy p típusú réteg kontaktusba kerül, • A rekombinációmegáll, hacsak nem alkalmazunk külső feszültséget: LED rekombináció lehetséges: aktív régió

32. Heterojunctions in semiconductors az egyszerű heteroátmeneteknek vannak hátrányai: • a rel. nagy térbeli kiterjedés miatt nagy áramok kellenek a populációinverzió fenntartásához • nagy hő termelődik, akár az eszközt is tönkreteheti Megoldás: szorítsuk be a nagy áramú részt kicsi helyredupla heteroátmenet

33. Heterojunctions in semiconductors A kettős heteroátmenet a populációinverziót kis térbeli tartományba korlátozza, két különböző tiltott sávval (D1ésD2) rendelkező félvezető alkalmazásával: aktív réteg

34. Heterojunctions in semiconductors A dupla heteroátmenet félvezetői nemcsak a D1, D2 tiltott sávjukban, hanem az n1ésn2 törésmutatójukban is különböznek: aktív réteg a lézersugár is lokalizált x irányban

35. Heterojunctions in semiconductors A dupla heteroátmenet mind a populációinverziót, mind pedig a lézernyalábot lokalizálja kevesebb hő elektróda szubsztrát, p típus ptípus, D2 aktív réteg, D1 n típus, D2 szubsztrát(n típus/adalékolatlan) elektróda

36. Heterojunctions in semiconductors Azért, hogy ne keletkezzenek mechanikai feszültségek a kristályban, a rétegeknek hasonló rácsállandóval kell rendelkezniük. példák p-GaAs, p-InGaAsP,… p-Ga0,7Al0,3As, p-InP,… Ga0,95Al0,05As, InGaAsP,… n-Ga0,7Al0,3As, n-InP,… n-GaAs, n-InP,…

37. Heterojunctions in semiconductors A vékony rétegeknek igen pontos vastagsággal kell rendelkeznie, pontos növesztési eljárások szükségesek: • fémorganikus kémiai párologtatás (metal-organic chemical vapor deposition) • molekulasugaras epitaxia (molecular beam epitaxy)

38. Heterojunctions in semiconductors A tükröket a rétegekre merőlegesen alakítják ki a fény a rétegekkel párhuzamosan terjed A csíkok hasítás utáni felülete többnyire eléggé visszaverő. Ám az optikai tulajdonságai ezeknek a felületeknek nem kontrollálható Megoldás:Bragg-refraktorok fény

39. Heterojunctions in semiconductors A populációinverzió a másik irányban is lokalirálható: elektróda a csíkszerű elektróda megszorítja az áram folyásának helyét a populációinverzió csak kis sávban jön létre

40. Heterojunctions in semiconductors Speciális geometriával a lézernyaláb és a populációinverzió is megszorítható törésmutatón<n1 A magasabb törésmutatójú rész hullámvezető n típus n típus p típus p típus az n-p átmenetek nem engednek áramot erre

41. Heterojunctions in semiconductors Speciális geometriával a lézernyaláb és a populációinverzió is megszorítható minél vékonyabb a réteg annál kevesebb módus tud terjedni minél keskenyebb a réteg, annál kevesebb áram szükséges a megfelelő populáció-inverzióhoz elliptikus sugár

42. Heterojunctions in semiconductors For proper optical confinement single waveguide mode is needed the higher order modes have to be cut off.This requires thickness or less. For l= the1.3 mm, d<0.56mm. (ng and nc are reflective indices of waveguide and the cladding)

43. Heterojunctions in semiconductors If the waveguide is too thin, the light spreads out of it the loss increases. For confining the population inversion thinner layers would be needed. Solution: the waveguide and the active layer are not the same – Separate Confinement Heterostructure (SCH) active layer waveguide

44. Heterojunctions in semiconductors If the waveguide is too thin, the light spreads out of it the loss increases. For confining the population inversion thinner layers would be needed. Solution: the waveguide and the active layer are not the same – GRaded INdex SCH (GRINSCH) active layer waveguide

45. Quantum well lasers If the active region is thin enough, 10 nm • only few layers of atoms in the active region • quantum well is formed The solution of the Schrödinger equation of quantum wells: • electron in a potential well in the x direction • free electron gas solution in the yz plane

46. Quantum well lasers The solution of the 1D potential well problem:

47. Quantum well lasers The solution of the 1D potential well problem: • the Schrödinger equation

48. Quantum well lasers • the boundary conditions:

49. Quantum well lasers • The solution of the differential equation system: with and

50. Optikai adók spektrumképei