ΠΗΓΕΣ ΦΩΤΟΣ. Φωτεινές πηγές µε βαση ηµιαγώγιµαυλικά. Αρχές ηµιαγώγιµων laser και LED:

Transcript

1 ΠΗΓΕΣ ΦΩΤΟΣ Φωτεινές πηγές µε βαση ηµιαγώγιµαυλικά Αρχές ηµιαγώγιµων laser και LED: Laser diode Distributed Feedback (DFB) Distributed Bragg Reflector (DBR) Vertical Cavity Surface Emitting Light (VCSEL) ΣΥΜΦΩΝΟ ΦΩΣ Light Emitting Diode (LED) ΑΣΥΜΦΩΝΟ ΦΩΣ

2 Ρυθµοί απορρόφησης και εκποµπής Ατοµικό σύστηµα δύο επιπέδων Ν 1 και Ν 2 είναι οι ατοµικές πυκνοτητες της βασικής και διεγερµένης κατάστασης αντίστοιχα. ρ ph η πυκνότητα φωτονίων. Οι ρυθµοί της αυθόρµητης εκποµπής, της εξαναγκασµένης εκποµπής και της απορρόφησης εκφράζονται ως R sp =-A 21 N 2, R stim =-B 21 N 2 ρ ph, R abs =B 12 N 1 ρ ph A, B είναι οι συντελεστές Einstein. Σε κατάσταση θερµικής ισορροπίας A 21 N 2 +Β 21 N 2 ρ ph =B 12 N 1 ρ ph Η εξαναγκασµένη εκποµπή ανταγωνίζεται την απορρόφηση. R stim >R sp µόνο εάν ο ρυθµός άντλησης είναι ικανός να δηµιουργήσει αντιστροφή πληθυσµών Ν 2 >Ν 1. Laser: λειτουργεί σε κατάσταση µακριά από την θερµική ισορροπία.

3 Αρχές των λέιζερ Στην ισοροπία

4 LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Βασικά στοιχεία λειτουργιας του laser Ενεργό µέσο, αποτελούµενο από ατοµα, µόρια, ιόντα ή ηµιαγωγιµο κρύσταλλο ιαδικασία άντλησης να διεγείρει τα άτοµα (ή µόρια, κλπ) υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις. Κατάλληλο οπτικό σύστηµα ώστε να επιτρέπει την ενίσχυση του σήµατος µέσω πολλαπλών περασµάτων στο ενεργό υλικό. Αντιστροφή Πληθυσµών Συνθήκη Ν 2 >Ν 1 Ο Νόµος του Planck καθορίζει την οπτική συχνότητα ν 21 =Ε 2 -Ε 1 /h h=6.62x10-34 Jsec σταθερά του Planck

5 Οπτική άντληση «Μικροοπτικές διατάξεις-ολοκληρωµένα οπτικά»

6 Συστηµα 4 επιπέδων

7 Οπτική κοιλότητα Το λέιζερ είναι ένας οπτικός ταλαντωτής που χρειάζεται ανάδραση για να λειτουργήσει! σε τυπικές θερµικές πηγές ο λόγος των ρυθµών εξαναγκασµένης πρός αυθόρµητη εκποµπή είναι πολύ µικρός οπτική άντληση (λάµπα, άλλο λέιζερ) ηλεκτρονική διέγερση (ηλεκτρικός σπινθήρας) ανελαστικές κρούσεις ατόµων ή µορίων χηµικές αντιδράσεις Ενίσχυση απώλειες Ένταση ν ν

8 Ρυθµοί LASER Η κοιλότητα του laser δρα ως Fabry Perot συντονιστής. Για να υπάρχει συντονισµός η φάση των κυµατων µετα απο ενα round trip πρέπει να ειναι ιδια µε την φαση του αρχικού κύµατος. Η συνθηκη για συντονισµο ειναι qλ=2ln, q ακεραιος, n: διαθλασης διαθλασης του µεσου. Συχνότητες συντονισµού, διαµηκών ρυθµών laser ν q = cq/2ln µε αντίστοιχο διαχωρισµό µήκους κύµατος λ=λ 2 /2Ln

9 Συνοπτική εικόνα laser Οπτική άντληση ιέγερση ηλεκτρονίων Ανελαστική κρούση ατόµωνατόµων ή µορίων-µορίων Χηµική αντίδραση Στερεό Αέριο Υγρό Ηµιαγωγός

10 Τυπικά χαρακτηριστικά laser «Μικροοπτικές διατάξεις-ολοκληρωµένα οπτικά» µονοχρωµατικότητα δλ λ λ L 2 ~10 10 F 8 5 κατευθυντικότητα LASER d ~2λ/d µακρινό πεδίο ~1 mrad - 1 µrad Συνεχή λειτουργία Παλµική λειτουργία: διάρκεια παλµών έως µερικά fs, ισχύς µέχρι και ΤW/παλµό χρονική συµφωνία LASER αυτά τα σηµεία είναι σε φάση l µήκος συµφωνίας l ~ c/δv 30 cm m LASER αυτά τα σηµεία είναι σε φάση χωρική συµφωνία

11 Laser αερίων Laser λ ισχύς τύπος He-Ne + Ar, + Kr CO2 Excimer (KrF) He-Cd Copper vapor Ν nm 514 nm nm 10.6 µm 248 nm 442 nm 510 nm 337 nm 1-75 mw 1-10 W 150 mw 1- >100 W 100 mj 150 mw 50 W 10 mj cw cw cw cw/p ~30 ns cw ~30 ns ~10 ns

12 Laser στερεάς κατάστασης εστίες ανακλαστική ελλειπτική κοιλότητα µέσο ενίσχυσης µέσο ενίσχυσης προσµίξεις ιόντων < 10% Σπάνιες γαίες (Nd, Er) µεταλικά ίοντα (Ti, Cr) σε διαφανές διηλεκτρικό Sapphire Al O Γυαλιά άντληση στροβοσκοπική λάµπα λάµπα τόξου ιοδικό λέιζερ Laser λ ισχύς τύπος Ruby Nd:YAG nm 1.06 µm 100 J 10 J /100 W 1 ms cw/ 10 ns

13 Ενεργειακά επίπεδα «Μικροοπτικές διατάξεις-ολοκληρωµένα οπτικά» Αποµονωµένο Άτοµο ιακριτά Ενεργειακά Επίπεδα Άτοµο σε Στερεό Ενεργειακές Ζώνες Εg>3eV Μονωτές Εg~0eV Ζώνη Αγωγιµότητας Ζώνη Σθένους Μέταλλα Ηµιαγωγοί Ζώνη Αγωγιµότητας Εg=0,1-3eV Ζώνη Σθένους Ζώνη Αγωγιµότητας Ζώνη Σθένους! To Eg καθορίζει τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των ηµιαγωγών

14 Ενεργειακά ιαγράµµατα Εc Ef Ev Εc Ef Ev Εc Ef Ev Ενδογενής Ηµιαγωγός Ηµιαγωγός Τύπου n Ηµιαγωγός Τύπου p E c : Ενέργεια ΖΑ Ε v : Ενέργεια ΖΣ Ε f : Στάθµη Fermi Κατανοµή Fermi- Dirac f ( E) 1 = E E e kt f + 1

15 Φωτόνια σε ηµιαγωγούς Επανασύνδεση των ηλεκτρονίων από την ζώνη αγωγιµότητας στην ζώνη σθένους δίνει φωτονια ενέργειας >Εg, όπου Εg ειναι το χάσµα του ηµιαγωγού. Το µεγαλύτερο µηκος κύµατος (µm) είναι 1.24/Εg (ev) Η εκποµπή φωτος συµβαινει για υλικά αµµεσου χασµατος, δηλ. οταν το ελαχιστο της ΖΑ και το µέγιστο της ΖΣ εχουν το ιδιο k. Η συνάρτηση Fermi εκφράζει την πιθανότητα η κατάσταση ενέργειας Ε να είναι κατειληµµένη f( E ) = e 1 E E f kt + 1

16 Quasi-Fermi επίπεδα «Μικροοπτικές διατάξεις-ολοκληρωµένα οπτικά» Shockley s concept, το quasi Fermi επίπεδο Fc περιγράφει την πιθανότητα κατάληψης της ΖΑ και quasi-fermi επίπεδο Fv την πιθανότητα κατάληψης της ΖΣ. Ηπιθανότητα κατάληψης των ηλεκτρονίων στην ζώνη αγωγιµότητας είναι Ηπιθανότητα µη κατάληψης των ηλεκτρονίων (οπές στην ΖΣ) στην ζώνη σθένους είναι f ( E ) = f 1 c 2 E2 Fc kt ( E ) = e 1 v 1 E1 Fv kt e Σε ισχυρά doped ηµιαγωγό το επιπεδο Fermi είναι κοντα στην ΖΑ ή στην ΖΣ Η εξαναγκασµένη εκποµπή ικανοποιείται για συχνότητα hω <Fc-Fv Στη θερµική ισσοροπία Fc=Fv

17 p-n επαφή Περιοχή Απογύµνωσης: µη ροή φορτίου και µηδενικό ρεύµα ορθή πόλωση

18 Φωτόνια σε p-n επαφή «Μικροοπτικές διατάξεις-ολοκληρωµένα οπτικά» Το εξωτερικά εφαρµοζόµενο δυναµικό προκαλεί αποµάκρυνση των επιπεδων Fermi. Η παρουσια δύο επιπέδων Fermi στην περιοχή απογύµνωσης είναι µια κατάσταση quasi-equilibrium. Η ορθή πόλωση µειώνει το ενεργειακό δυναµικό κατά ev. Οπές και ηλεκτρόνια διαχέονται στην περιοχή απογυµνωσης όπου επανασυνδέονται και δηµιουργούν φωτόνια. Τυπικά η περιοχή απογυµνωσης είναι 1-10 µm. Λογω της δυσκολίας να αναπτυχθούν υψηλής συγκέντρωσης φορέων η λύση είναι οι ετεροεπαφές. Οµοεπαφές: σε ενα κρύσταλλο, n και p περιοχές δηµιουργούνται προσθέτοντας προσµίξεις. Ετεροεπαφές: δύο κρυσταλλοι ενώνονται µε παροµοια κρυσταλλική δοµή και διαφορετικό ενεργειακό χάσµα.

19 ιπλή ετεροεπαφή Στην διπλή ετεροεπαφή, υλικό µικρού χάσµατος είναι ανάµεσα σε δύο στρώµατα ευρέως χάσµατος. Το πάχος του ενεργού στρώµατος, περίπου 0.1 µm Το ενεργό στρώµα έχει µεγαλύτερο δείκτη διάθλασης από τα περιβάλλοντα στρώµατα. Το αποτέλεσµα αυτού είναι ένας διηλεκτρικός κυµατοδηγός που υποστηρίζει οπτικούς ρυθµούς των οποίων ο αριθµός καθορίζεται από το πάχος του ενεργού υλικού. Το παραγόµενο φως είναι περιορισµένο στον κυµατοδηγό.

20 ιπλή ετεροεπαφή διοδικού laser «Μικροοπτικές διατάξεις-ολοκληρωµένα οπτικά» Στο laser το ενεργό υλικό είναι ισχυρά doped, ώστε το επίπεδο Fermi να βρίσκεται στην ΖΣ της ενεργής περιοχής. Η ορθή πόλωση εισάγει φορείς στην ενεργή περιοχή και γεµίζει τον πάτο της ΖΑ έως το quasi Fermi επίπεδο E Fc. Ιση πυκνότητα οπών δηµιουργείται στην κορυφή της ΖΣ έως την E Fv. Αυτή είναι κατάσταση µη-ισσοροπίας. Η εικόνα δείχνει buried ετεροδοµή. Τέτοιες δοµές είναι περίπλοκες αλλά παρέχουν ισχυρή κυµατοδήγηση µε χαµηλό κατώφλι λειτουργίας και καλή ισχύ εξόδου mw.

21 Απολαβή στα ιοδικά Laser Λήψη ράσης Laser Εξαναγκασµένη Εκποµπή > Απώλειες P o 10mW Εξαναγκασµένη Εκποµπή ( ιοδικά Laser) 5mW I th Αυθόρµητη Εκποµπή (LED) 150mA I Κατώφλι Ρεύµατος Po: Ισχύς Εξόδου I: Ρεύµα

22 Τυπικά παραδείγµατα ενεργειακών χασµάτων ηµιαγωγών Bandgap (ev)

23 Επιλογή µήκους κύµατος Τα UV lasers (π.χ. GaN)είναι ιδιαίτερα σηµαντικά για την µεγάλη διακριτική ικανότητα που έχουν και µπορούν να αποθηκεύσουν 4 φορές µεγαλύτερη πληροφορία σε µια εγγραφή CD σε σχέση µε τα κόκκινα. π.χ. τριµερής ένωση Al x Ga 1-x As µεταβάλλοντας το x του Ga µε Al, παιρνουµε χάσµα Eg= x (ev); 0<x<0.45, 0.69 µm < λ < 1 µm Tετραµερής ένωση In 1-x Ga x As y P 1-y, x/y=0.45, ωστε να εξασφαλισθεί matching των σταθερών πλέγµατος, Eg= y+0.12y 2 [ev]; 0<y<1 1µm < λ < 1.65µm Τα lasers αυτά χρησιµοποιούνται στις τηλεπικοινωνίες οπτικών ινών, λόγω της ελάχιστης διασποράς και απωλειών των ινών στα 1.3 και 1.5 µm.