Lasery półprzewodnikowe historia

1970 heterozłączeAlGaAs p

AlGaAs n Cienka warstwa GaAs

progowy prąd -kilka kA/cm2

2000 nagroda Nobla dla Alferowa i Kroemera

Krótki czas życia spowodowany dyslokacjami w siatce molekuł

Periodyczne struktury dielektryczne na brzegach rezonatora 1980 zastosowanie w drukarkach i odtwarzaczach CCD

Pierwsza połowa dekady 1980 laser GaInPAs λ = 1,3 – 1.55 μm zastosowanie w telekomunikacji

w pokojowej temperaturze progowy prąd -dziesiątki kA/cm2 bez zastosowania

1962 homozłączeGaAs typu p

GaAs typu n

zasilanie prądem

Lasery półprzewodnikowe historia cd

Koniec dekady1980 studnie kwantowe

okładzina p

okładzina n

zasilanie prądem

∼120

nm

Naprzemian cienkie warstwy np GaAs i AlGaAs

o grubości ∼ 20 nm

1988 laser GaInP λ = 0.63 – 0.69 μm

1991 laser ZnSeCd pasmo zielone

1996 InGaN pasmo niebieskie

1985 lasery PbSnTe i PbSSe λ = 3 – 30 μm praca w temperaturze kriogenicznej, zastosowanie w spektroskopii

Studnie kwantowe Podwójne heterozłącze z warstw o grubości poniżej 50 nm wykonywane metodą epitaksji

E

Grubość studni 120 nm

Warstwy AlGaAs Warstwy GaAs

Pasmo przewodnictwa

Pasmo walencyjne

Przerwa energetyczna

Poziomy energetyczne studni zbudowanej z warstw AlGaAs i GaAs

z gazu VPE – vapor-phase epitaxy płynu LPE – liquid-phase epitaxy

molekularna epitaksja MBE – molecular-beam epitaxy

chemiczne osadzanie MOCVD – metal-organic chemical vapor deposition

Pasma GaAs E

walencyjne

przewodnictwa

Ga

AsPoziomy

niskoenergetyczne

Przerwa energetyczna

Przejście elektronu do pasma przewodnictwa pozostawia wolny stan

kwantowy nazywany dziurą.

Pozorne przemieszczanie dziur jako dodatnich

ładunków

Pasma energetyczne

Przejście elektronu z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego związane jest z emisją fotonu

Półprzewodniki cd

Właściwości elektryczne i optyczne półprzewodników zmieniane przez domieszki

Pasmo walencyjne

Pasmo przewodnictwa

Przerwa energetyczna

E

elektrony

dziury

Typ n - nadmiar elektronów w paśmie przewodnictwaniedomiar dziur w paśmie walencyjnym

Typ p - niedomiar elektronów w paśmie przewodnictwanadmiar dziur w paśmie walencyjnym

Półprzewodniki cd

półprzewodnik typu n

E koncentracja elektronów

koncentracja dziur

półprzewodnik typu p

E koncentracja elektronów

koncentracja dziur

Półprzewodniki cdf

W termicznej równowadze na skutek termicznych oddziaływań jednocześnie

dwa procesy

Proces emisyjnej rekombinacji

Generacja pary elektron –dziura – przejście elektronu do pasma przewodnictwa

Anihilacja pary elektron – dziura –powrót elektronu do pasma

walencyjnego połączony z emisją fotonu lub zamiany na energię drgań siatki

krystalicznej

hν

Homo- i heterozłącza materiałów półprzewodnikowychHomozłącze - połączenia tych samych materiałów z domieszkamiHeterozłącze - połączenia różnych

pasmo przewodnictwa

pasmo walencyjne

koncentracja elektronówkoncentracja dziur

przerwa energetyczna

Energia

p n

złącze W obszarze złącza pole elektrycznezmieniające rozkład energetyczny

elektronów

Wykorzystywanie przestrzennych koncentracji i konfiguracji poziomów energetycznych elektronów do budowy:

diod LED laserów półprzewodnikowych fotodetektorów

Diody LED - light-emitting diode

Zasilanie elektryczne hνSpontaniczna emisja fotonów

Powierzchniowa generacja wiązki

Krawędziowa generacja wiązki

Duży kąt rozbieżności Szerokie widmo

Emisja spontaniczna duży kąt rozbieżności szerokie widmo

[μm]

InxGaxAsxPx

1.0 1.3

GaAsxPzxGaAs

0.90.70.60.4

GaPNGaN

najbardziej popularnediody niebieskie

LEDy cd

PbSnTe i PbSSe λ = 3 – 30 μm

GaInPAsλ = 1,3 – 1.55 μm

LED w UV OE magazine, czerwiec 2003, strony 20-22

Długość fali250 300 350 400 [nm]

Uno

rmow

ana

inte

nsyw

ność

Na podstawie Photonics Spectra, styczeń 2005, str. 61

Wyd

ajność

świe

tlna

[lm

/W]

Źródła żarowe

Żarówka Edisona

L a t a

Żółta

Lokalizacja LED’ów w trójkącie barw

Z uwagi na

• wyższą sprawność świetlną

• dłuższy czas życia

• lepszą konsystencję barw

• niższy koszt

zastępują żarowe oświetlenie

Uzyskanie diod generujących światło białe

Oświetlenie kasyna Breda w HolandiiNa podstawie Photonics Spectra, styczeń 2005, str. 81

Na podstawie Oemagazine, October 2005, str.10

Oświetlenie dekoracyjne mostu w Los Angeles

160 LED o mocy 19.5 W każda generujących światło niebieskie

Rezonator falowodowy

zwierciadło transmisyjne rezonatora

zwierciadło rezonatora

warstw

a pwar

stwa n

propagujące siępole w falowodzie

Kąty rozbieżności wiązki

∼ 500∼ 50

Lasery półprzewodnikowe

LED laser

Porównanie diody i lasera

p n+ -

Ścianki odbijające

rezonator

Dla współczynnika załamania GaAs (3.5) współczynnik odbicia ścianki (31%) bez

pokrycia wystarczający do wywołania akcji laserowej

Pompowanie elektryczne przez wstrzyknięcie elektronów

Krawędzie odbijające w celu wywołania generacji za pomocą

emisji wymuszonej

Przykład przekroju przez laser półprzewodnikowy

warstwy kontaktowe

Elektroda p

Elektroda n

podłoże

4.5 μm bez

podłoża

zasilanie prądem

∼ 400 μm

Falowód ∼ 200 nm

warstwy ograniczające

warstwa czynna

warstwy buforowe

Typowa charakterystyka pracy lasera półprzewodnikowego

Moc

wią

zki

jedn

ostk

i wzg

lędn

e

Prąd jednostki względne

Nieodwracalne uszkodzenie lasera stopienie struktury

nasycenie wywołane

temperaturą

Progowy prąd generacji lasera

Zakres pracy

Lasery półprzewodnikowe Widmo δλ = 0.6 nm

odległość międzymodowa

1.300 1.305 λ [μm]

Kryształ InGaAsP n = 3.5Długość rezonatora L= 0.4 mm

Dla lasera AlGaAs λ = 0.8 μm L = 0.3 mm

δλ = 0.3 nm

Wraz ze zwiększaniem mocy – zawężenie widma – zanik bocznych modów Mod najsilniejszy tłumi pozostałe mody

prąd

dług

ość

fali

mod

y mod

y

mod Zmiana długości fali

na 10C

λ [nm] dλ [nm]

800 ∼0.051300 ∼0.08

Przeskoki modów Przypadek generacji jednego modu

przedział generacji jednego modu

dług

ość

fali

potencjalne położenie modu związane z

długością rezonatoraprąd

jeden mod dwa mody jeden mod

Skok długości fali przy przeskoku modów

Lasery półprzewodnikowe z siatkami dyfrakcyjnymi

rezonator z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym

siatka dyfrakcyjna w obszarze pompowania

siatki dyfrakcyjne na końcach rezonatora

rozłożone zwierciadło Bragga

Wysoka selektywność widmowa siatek

jednomodowy reżim pracy lasera

warstwa p

warstwa n

zasilanie prądemwarstwa czynna wyjście

warstwa p

warstwa n

zasilanie prądemwarstwa czynna wyjście

Lasery emitujące powierzchniowo

warstwa n

warstwa p

warstwa czynna

zasilanie prądem

wyjście

zwierciadła Bragga

kilk

anaś

cie μm

Właściwości:

Krótki rezonator – jednomodowa praca definiowana przez selektywne odbicie Bragga

Małe wzmocnienie kompensowane przez wysoki współczynnik odbicia Bragga

Mniejszy kąt rozbieżności wiązki, gdyż większa średnica wiązki

Zaleta – możliwość budowy dwuwymiarowej macierzy laserów

Lasery na kropkach kwantowych

Pierwsza propozycja 1982

Nadzwyczaj trudna technologia obecnie w trakcie opanowywania

Skrajnie niski próg wzbudzenia niezależny od temperatury

Wysoka częstotliwość modulacji 40 GHz

Przewidywane zastosowania: płaskie ekrany monitora, LED’y światła białego, pamięć komputera, elementy techniki

telekomunikacyjnej, wykorzystanie energii słonecznej

Kropki kwantowe

Studnie kwantowe

Przewody kwantowe

Lasery na kropkach kwantowych

OE magazine, styczeń 2002, str.18-20

podłoże GaAs

Kropka kwantowa InGaAs

Warstwa GaAs

Widok kropek kwantowych

Lasery półprzewodnikowe Właściwości

Małe wymiary Typowa struktura laserowa 300x200x100 μm

Łatwość sterowania prądem, np. sygnałem 1-2V x dziesiątki mA

Wysoka sprawność rzędu dziesiątków procent

Modulacja mocy wiązki za pomocą modulacji prądu zasilania

Wysokie częstotliwości modulacji – maksymalna 10 GHz

Moce od mW do kilkudziesięciu W przy powierzchniowej emisji

Zależność λ fali od temperatury, a więc i prądu zasilania → wada i zaleta

Przeskoki modu (skokowa zmiana λ) przy zmianie prądu

Lasery półprzewodnikowe Właściwości cd

Szeroki zakres spektralny od UV przez pasmo niebieskie do dalekiej IR (30 μm)

Wysoka niezawodność – uwaga na przekroczenie dopuszczalnego prądu

Przy krawędziowej generacji wymiary poprzeczne rezonatora

∼1x10μm → duży kąt rozbieżności wiązki i różny w różnych

azymutach (∼ 600 x 50).

Konieczność stosowania dodatkowego kolimującego układu

optycznego cylindryczna soczewka lub pryzmat

MikrolaseryMiniaturowe lasery 1x1x1 mm3 - mikrochipy

Lampa ksenonowa

Dioda AlGaAs

Widma emisyjne

808 nm

300 nm

Dopasowanie kształtu wiązki diody do kształtu

modu lasera

Widmo absorpcyjne

YAG:Nd3+

Dopasowanie widma emisyjnego diody i

absorpcyjnego pręta

Całkowita sprawnośćlasera 20%

Emitancja diody dla λ = 808 nm około 1000 razy większa

Mikrolasery cdMikrolaser objętościowy

Wiązka pompująca λ = 808 nm

Wiązka laserowa λ= 1.06 μm

Zwierciadła dichroiczne rezonatora

Transmituje λ = 808 nm odbija λ = 1.06 μm

Odbija λ = 808 nm i częściowo transmituje λ = 1.06 μm

Praca impulsowa - pasywny przełącznik dobroci wewnątrz rezonatora –płytka YAG:Cr3 o grubości 0.25 mm

Krótki rezonator – laser jednoczęstotliwościowy

Przestrajanie λ - termicznie, elektrooptycznie, piezoelektrycznie

Mikrolasery z przestrojeniem na drugą harmoniczną

Dioda pompująca λ = 808 nm

Ośrodek aktywny Nd:YVO4

Ośrodek nieliniowy

KTP

λ = 1.06 μm

∼ 2.5 mm

λ = 532 nm

Dichroiczne zwierciadła rezonatora

Mikrolaser cienkowarstwowy

Wiązka pompująca λ

= 808 nmWiązka laserowa λ

= 1.06 μm

YAG

Nd:YAG

Mikrolasery cd

Transmituje λ = 808 nm odbija λ

= 1.06 μm

Odbija λ = 808 nm i częściowo transmituje

λ = 1.06 μmZwierciadła dichroiczne rezonatora

Inny kształt modu (zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia)

Dłuższy rezonator, można nie uzyskać lasera jednoczęstotliwościowego

Cechy podobne do laserów objętościowych

Układy pompujące mikrolaserówPompowanie wzdłużne

Zwierciadła dichroiczne rezonatora

λ = 808 nm Wiązka laserowa λ = 1.06 μmNd:YAG

Dioda pompująca

falowódPompowanie poprzeczneWiązka laserowa λ

= 1.06 μm

Diody pompująceZwierciadło

rezonatoraZwierciadło rezonatora

MikrolaserySzczególne cechy

Miniaturowe wymiary

Wysoka sprawność i niski próg generacji

Praca ciągła i impulsy nano- i pikosekundowe

Monolityczna konstrukcja dla II-giej i wyższych harmonicznych

Prostota zasilania i niski koszt

Możliwość generacji jednoczęstotliwościowej, droga koherencji rzędu 104 m

Płynne przestrajanie w zakresie szerokości linii Nd

Zastosowanie w telekomunikacji, wojsku (dalmierze), metrologii ispektroskopii

Lasery włóknowe Lasery wysokiej mocy

Domieszki i pasma

λ [μm]

Jony neodymu Nd3+ 1.06 – 1.12

iterbu Yb3+ 1.02 – 1.18

erbu Er3+ 1.53 – 1.565

Podwójny płaszcz

Rdzeńpompa

profil n

Średnica rdzenia 10 – 15 μm Średnica płaszcza 100 – 400 μm

Rezonatory laserów włóknowych

pompa λp

λlas

τp=1 ρlas = 1

ρp=1 0<τlas<1

Zwierciadła rezonatora dielektryczne

pompa λp

λlas Zwierciadła rezonatora dielektryczne, praca impulsowa

modulator dobroci

pompa λp

λlas Zwierciadło Bragga w rezonatorze

λlas

Laser włóknowy z falą biegnącą

λlassprzęgacz

pompowanie poprzeczne λp

mniejsze długości światłowodów

Lasery włóknowe Właściwości

Wysokie wzmocnienie

Wysoka sprawność i niski próg generacji

Łatwa wymiana ciepła z otoczeniem (chłodzenie)

Uzyskano 2.4 W mocy dla włókna o długości 50 m

W laserach w kształcie dysku o grubości 100 μm moce wyjściowe rzędu kilkadziesięciu W

Są doniesienia literaturowe o mocy kW ze światłowodem o średnicy 1 mm

M.Malinowski: Lasery światłowodowe. Oficyna Wydawnicza PW. Warszawa 2003

Inne typy laserówLasery gazodynamiczne

Lasery molekularne, w których mieszanie gazów CO2 i N2 w wysokich temperaturach i prędkościach poddźwiękowych pozwala uzyskać bardzo wysokie moce (kW)

CO2T ≈ 500 K

N2

T > 1500 K

P > 2 MPa

wiązka laserowaλ = 10.6 μm

strefa mieszania

W impulsie 4 ms moc 400 kW

Inne typy laserów cd

Lasery chemiczneWykorzystanie reakcji chemicznej do pompowania ośrodka czynnego

Bardzo wysokie moce szczególnie przy pracy impulsowej (GW)Zastosowanie w technice wojskowej (synteza jądrowa)

Dotyczy miękkiego promieniowania rentgena pochłanianego przez powietrze

Lasery rentgenowskie

Inwersja obsadzeń uzyskana przez bombardowanie folii metalowej impulsami lasera wysokiej mocy. Zastosowanie - rentgenolitografia

Podobne w budowie do laserów gazodynamicznych – mieszanie gazów wywołujących reakcje egzotermiczne