Φυσική των Lasers I 2024 PDF

3 Φυσική των LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 3.1 Εισαγωγή ❑ Light ❑ Amplification by ❑ Stimulated ❑ Emission of ❑ Radiation T.H. Maiman 1916: Ο Einstein προβλέπει το φαινόμενο της εξαναγκασμένης εκπομπής 1953:...

3 Φυσική των LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 3.1 Εισαγωγή ❑ Light ❑ Amplification by ❑ Stimulated ❑ Emission of ❑ Radiation T.H. Maiman 1916: Ο Einstein προβλέπει το φαινόμενο της εξαναγκασμένης εκπομπής 1953: Weber J. Amplification of microwave radiation by substances not in thermal equilibrium, IRE Trans. Prof. Group in Elect. Devices 3, 1 (1953) 1955: MASER – Gordon J.P. The maser – New type of Microwave Amplifier, Frequency Standard and Spectrometer, Phys. Rev. 99, 1264 (1955) 1960: Maiman T.H, First Ruby Laser Stimulated Optical Radiation in Ruby, Nature 187, 493 (1960) 1961: Κατασκευή πρώτου laser He-Ne 1962: Δράση laser σε ημιαγωγούς 1975: Δράση laser σε διεγερμένα διμερή (excimer laser) 1987: Κατασκευή πρώτου laser σε οπτική ίνα (fibre laser) σε σιλικονούχο ύαλο εμπλουτισμένο με Έρβιο. ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 2 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας Τι είναι το LASER; ❑ Το Laser είναι μια.. ιδιαίτερη πηγή φωτός και όχι μόνο.. ❑ Το Laser μπορεί επίσης να λειτουργήσει και ως ενισχυτής του φωτός που εκπέμπεται από μια άλλη πηγή. ▪ Ενισχυτής Ερβίου ενσωματωμένος σε οπτική ίνα: Η ενίσχυση γίνεται χωρίς.. μπαταρία. Η ενέργεια του φωτός μιας συχνότητας χρησιμοποιείται για να ενισχύσει το φως άλλης συχνότητας-αυτής που μεταφέρει το σήμα (1550nm). ❑ Το Laser βασίζεται στους μηχανισμούς απορρόφησης και εκπομπής φωτός από την ύλη. ▪ Μπορεί να παραχθεί σε υλικά που μπορούν να εκπέμψουν φωσφορισμό: στερεά, υγρά (ακόμη και το νερό), αέρια. ▪ Οι ημιαγωγοί μπορούν να παραγάγουν Laser πιο «εύκολα» σε σχέση με άλλα υλικά. ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 3 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας Απορρόφηση και εκπομπή Θεωρούμε ατομικό σύστημα αποτελούμενο από δύο ενεργειακές στάθμες Ε0 και Ε1 με Ε0 < Ε1, οι οποίες καταλαμβάνονται από ηλεκτρόνια. Έστω ότι το άτομο βρίσκεται στην κατάσταση n=0, με ενέργεια Ε0. Τα ηλεκτρόνια του ατόμου αυτού μπορούν να μεταβούν σε μία διεγερμένη κατάσταση n=1 υψηλότερης ενέργειας Ε1, αν αλληλεπιδράσει με αυτό θερμική ακτινοβολία πυκνότητας ενέργειας J και συχνότητας v τέτοιας ώστε το γινόμενο hv να ισούται με τη διαφορά ενέργειας των δύο επιπέδων, δηλαδή hv=Ε1-Ε0. Το παραπάνω φαινόμενο ονομάζεται απορρόφηση (absorption). n=1 Ε1 J hv hv n=0 Ε0 Η μετάπτωση από τη διεγερμένη κατάσταση n=1 στην αρχική κατάσταση n=0, με την ταυτόχρονη εκπομπή ενός φωτονίου με συχνότητα ν, όπου hv=Ε1-Ε0, ονομάζεται εκπομπή (emission). Σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας ο ρυθμός διέγερσης είναι ίσος με τον ρυθμό αποδιέγερσης. Η αποδιέγερση μπορεί να γίνει αυτόματα και αυθόρμητα μετά από κάποιο χρόνο 10-15 -10-8 sec παραμονής στην διεγερμένη κατάσταση ή κάτω από την επίδραση ενός άλλου φωτονίου. Στην πρώτη περίπτωση η αποδιέγερση ονομάζεται αυθόρμητη (spontaneous), ενώ στην δεύτερη ονομάζεται εξαναγκασμένη (stimulated). ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 4 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας ❑ Όπως έχει αναφερθεί ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να «αντληθεί» σε μια διεγερμένη κατάσταση εάν προσλάβει ενέργεια από πχ προσπίπτουσα στο υλικό ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Στην στάθμη αυτή το ηλεκτρόνιο παραμένει πολύ λίγο (10-15 s) και μπορεί αποδιεγερθεί από αυτή με δυο τρόπους: ❑ Με αυθόρμητη (spontaneous) εκπομπή, η οποία γίνεται χωρίς την επίδραση εξωτερικής ακτινοβολίας ❑ Με εξαναγκασμένη (stimulated) εκπομπή, η οποία γίνεται με την επίδραση εξωτερικής ακτινοβολίας. Στην περίπτωση αυτή η εισερχόμενη ακτινοβολία ενισχύεται (εισέρχεται ένα φωτόνιο και εξέρχονται δύο). Εισάγουμε έτσι την ιδέα της οπτικής ενίσχυσης, την οποία θα αναλύσουμε στην συνέχεια διεξοδικότερα ❑ Η πιθανότητα εξαναγκασμένης εκπομπής και απορρόφησης εξαρτάται από τον αριθμό των υπαρχόντων φωτονίων με ενέργεια ίση με την ενεργειακή διαφορά των επιπέδων. ❑ Η πιθανότητα αυθόρμητης εκπομπής δεν εξαρτάται από την παρουσία φωτονίων. ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 5 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας 3.2 Απορρόφηση και εκπομπή-Θερμοδυναμική προσέγγιση Einstein Έστω ότι Ν0 και Ν1 οι πληθυσμοί των ατόμων που βρίσκονται στην ενεργειακή κατάσταση E0 και E1 αντίστοιχα. Η αναλογία των πληθυσμών βρίσκεται από την σχέση του Boltzmann: E N1 = e −( E1 − E0 ) / KT E1 N1 N1= N 0 e − ( E ) / KT N0 Αν J είναι η πυκνότητα ενέργειας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (Joule/m3) Β01J είναι η πιθανότητα που έχει ένα άτομο να διεγερθεί E0 N0 από την στάθμη 0 στην στάθμη 1 απορροφώντας ένα φωτόνιο, Α10 η πιθανότητα να αποδιεγερθεί αυθόρμητα και Β10J η πιθανότητα εξαναγκασμένης αποδιέγερσης από την στάθμη 1 στην 0, ανά N μονάδα χρόνου, τότε σε συνθήκες θερμικής ισορροπίας ισχύει: N 0 B01 J = N 1 A10 + N 1 B10 J N1 A10 A10 Από την οποία J= J= ή N N 0 B01 − N1 B10 B01 0 − B10 N1 N1 = e −( E1 − E0 ) / KT N0 A10 A10 Και τελικά J= = B01e ( E1 − E0 ) / KT − B10 B01e hv / KT − B10 ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 6 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας  A10 A10 Ξαναγράφουμε την προηγούμενη σχέση J= = B01e ( E1 − E0 ) / KT − B10 B01e hv / KT − B10 Οι συντελεστές Β01, Α10 και Β10 καλούνται συντελεστές του Einstein και εξαρτώνται από τις ενδογενείς ατομικές ιδιότητες. Εύκολα μπορούμε να καταλάβουμε ότι ο ρυθμός της διέγερσης με την επίδραση εξωτερικού φωτονίου είναι ίσος με τον ρυθμό εξαναγκασμένης αποδιέγερσης με την επίδραση εξωτερικού φωτονίου δηλαδή Β01=Β10, οπότε η προηγούμενη σχέση γίνεται: B10 J 1 = hv / KT A10 e −1 Η οποία εκφράζει τον λόγο εξαναγκασμένης προς αυθόρμητη εκπομπή σε συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας. Για τυπικές πηγές φωτός, ο λόγος αυτός είναι πάρα πολύ μικρός πχ: φωτόνια ενέργειας 1 eV (λ=1240nm) τότε hν/ΚΤ=40 και επομένως ο κλάσμα Β01/Α10 γίνεται πολύ μικρό Το γεγονός αυτό δηλώνει ότι σε συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας υπερισχύει σαφώς ο μηχανισμός αυθόρμητης εκπομπής. Για να έχουμε δράση Laser θα πρέπει να έχουμε αντιστροφή πληθυσμών και ο μηχανισμός της εξαναγκασμένης εκπομπής να υπερισχύει του μηχανισμού της αυθόρμητης εκπομπής. Στη συνέχεια θα δούμε πως αυτό μπορεί να συμβεί. ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 7 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας 3.3 Αντιστροφή πληθυσμών-μετασταθής κατάσταση ❑ Ξέρουμε ότι ο ρυθμός της εξαναγκασμένης διέγερσης (οπτική άντληση) είναι ίσος με τον ρυθμό της αυθόρμητης αποδιέγερσης συν τον ρυθμό της εξαναγκασμένης αποδιέγερσης. ❑ Αυτό σημαίνει ότι σε ένα σύστημα δύο επιπέδων η πιθανότητα 10-15 s αποδιέγερσης είναι πάντα μεγαλύτερη της πιθανότητας διέγερσης και συνεπώς δεν είναι δυνατή η αντιστροφή πληθυσμών και η παραγωγή Laser με την χρήση ατομικού συστήματος δύο επιπέδων. ❑ Αντίθετα σε ένα σύστημα τριών ή περισσότερων επιπέδων μπορεί να συμβεί αντιστροφή πληθυσμών. Προϋπόθεση αποτελεί να είναι δυνατή η μη ακτινοβολική μετάβαση από μια siglet σε μια triplet κατάσταση με μεγάλο χρόνο ζωής (μετασταθής στάθμη) (βλ. Διάγραμμα Jablonski) ❑ Μία μετάβαση από ένα ενεργειακό επίπεδο Εn σε ένα άλλο Em είναι επιτρεπτή όταν δεν παραβιάζονται οι αρχές διατήρησης Ενέργειας, Ορμής, Στροφορμής, Spin και Ισοτιμίας (parity). ❑ Όταν μία μετάβαση είναι απαγορευμένη λόγω παραβίασης μίας από τις παραπάνω ποσότητες, η πιθανότητα μετάβασης τείνει προς το μηδέν, άρα ο χαρακτηριστικός χρόνος μετάβασης τείνει θεωρητικά προς το άπειρο. ❑ Πρακτικά ο μέσος χρόνος που παραμένει ένα άτομο σε αυτή την κατάσταση πριν αποδιεγερθεί είναι αρκετά μεγάλος. Οι στάθμες με αυτή την ιδιότητα λέγονται μετασταθείς (metastable). Για σύγκριση, για μεταβάσεις όπου δεν παραβιάζονται οι προαναφερθείσες αρχές τα άτομα απoδιεγείρονται πολύ γρήγορα-εντός 10-15 s, ενώ στις μετασταθείς στάθμες τα άτομα παραμένουν για χρόνο μεγαλύτερο των 10-7 s ❑ Η ύπαρξη μετασταθούς κατάστασης σε συστήματα τριών επιπέδων και άνω είναι απαραίτητη για την παραγωγή Laser επειδή η αποδιέγερση από αυτές καθυστερεί πολύ και έτσι επιτυγχάνεται η αντιστροφή πληθυσμού ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 8 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας Μετασταθής κατάσταση και παραγωγή Laser ❑ Φωτόνια συχνότητας v02 διεγείρουν ηλεκτρόνια από την στάθμη 0 στην στάθμη 2. ❑ Από την στάθμη 2 τα ηλεκτρόνια αποδιεγείρονται στην στάθμη 1 αυθόρμητα και ταχύτατα αποδίδοντας την ενέργεια είτε με την μορφή θερμότητας είτε με την μορφή κλασσικής- ασύμφωνης οπτικής ακτινοβολίας. ❑ Η στάθμη 1 είναι μετασταθής και σε αυτήν παραμένουν τα ηλεκτρόνια για μεγάλο σχετικά χρόνο. Λόγω του γεγονότος αυτού επιτυγχάνεται αντιστροφή πληθυσμών. ❑ Μια αυθόρμητη εκπομπή προκαλεί την έναυση της διαδικασίας Laser. Ένα τέτοιο φωτόνιο συχνότητας v10 μπορεί να προκαλέσει εξαναγκασμένη αποδιέγερση από την στάθμη 1 στην στάθμη 0. Η αυτοδιέγερση αυτή συνδέεται με την παραγωγή σύμφωνης ακτινοβολίας laser συχνότητας v10 η οποία αντιστοιχεί στην ενεργειακή διαφορά μεταξύ των επιπέδων συμφασικής αποδιέγερσης. ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 9 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας Ένα σύστημα laser τεσσάρων επιπέδων ❑ Η Ε1 έχει υψηλό ποσοστό κατάληψης. ❑ Η Ε3 απέχει από την Ε1 μερικά Ε=ΚΤ πιο πάνω και είναι βασικά κενή ❑ Ένα φωτόνιο υψηλής ενέργειας θα απορροφηθεί από ένα ηλεκτρόνιο το οποίο θα κάνει την μετάβαση (1). Κατευθείαν μετάβαση από την Ε1 στην Ε4 δεν είναι επιτρεπτή γιατί παραβιάζει νόμους διατήρησης ❑ Από την Ε2 τα ηλεκτρόνια μεταβαίνουν στην Ε4 αυθόρμητα, αρκετές φορές μη ακτινοβολικά με αντιστροφή του spin. Μετάβαση από την Ε4 στην Ε3 έχει μικρή πιθανότητα λόγω του ότι οδηγεί σε παραλληλισμό του spin. Για το λόγο αυτό η Ε4 είναι μετασταθής στάθμη. ❑ Σε αυτήν συγκεντρώνονται πολλά ηλεκτρόνια από την γρήγορη και αυθόρμητη μετάβαση (2) και έτσι λαμβάνει χώρα αντιστροφή πληθυσμού σχετικά με την Ε3, η οποία είναι βασικά άδεια. ❑ Η εξαναγκασμένη εκπομπή από την Ε4 στην Ε3 οδηγεί στην ταυτόχρονη αποδιέγερση ενός τεράστιου αριθμού φωτονίων με την μορφή παλμού laser. ❑ Η διαδικασία ανακυκλώνεται με την μετάβαση από την Ε3 στην Ε1 (συνήθως μη ακτινοβολικά) ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 10 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας 3.4 Οπτική κοιλότητα και οπτικός ταλαντωτής ❑ Για να συντηρηθεί η εκπομπή Laser πρέπει να υπάρξει ανάδραση έτσι ώστε να λειτουργεί ως οπτικός ταλαντωτής ενισχύοντας την συχνότητα v=(E4-E3)/h (βλ. προηγ. διαφ) ❑ Για το λόγο αυτό το ενεργό υλικό του Laser τοποθετείται εντός δύο καθρεπτών, ό ένας εκ των οποίων είναι ημιανακλαστικός στο μέσον του. Αυτό επιτρέπει ένα μέρος των φωτονίων να εξέρχεται και ένα μεγάλο μέρος να κάνει πολλαπλές διαδρομές μέσα στο υλικό. ❑ Καθώς τα παραγόμενα Laser φωτόνια κάνουν πολλαπλές διαδρομές προκαλούν συνεχώς εξαναγκασμένες αποδιεγέρσεις και παραγωγή νέων φωτονίων, ένα φαινόμενο το οποίο παίρνει την μορφή της αλυσιδωτής αντίδρασης ή χιονοστιβάδας. Στην εικ. (α) φαίνεται η έναρξη της εξαναγκασμένης εκπομπής η οποία ενισχύεται συνεχώς μέχρι την εικόνα (g) με πολλαπλές διαδρομές λόγω ανακλάσεων. Στην εικ. (h) έχουμε κατάσταση ισορροπίας σε επίπεδα κορεσμού και μετατροπή της κοιλότητας σε οπτικό ταλαντωτή. Η ενίσχυση ή το κέρδος αυξάνει ραγδαία με τον ολικό δρόμο που διανύουν τα φωτόνια μέσα στο ενεργό υλικό. Το κέρδος από το υλικό αυτό καθεαυτό είναι πολύ μικρό. ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 11 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας  Συντονισμός και τρόποι ταλάντωσης ❑ Οι δύο παράλληλοι καθρέπτες της πηγής Laser διαμορφώνουν μια κοιλότητα συντονισμού γύρω από τη περιοχή του κέρδους. Μόνο ένας περιορισμένος αριθμός από μήκη κύματος μπορούν να υπάρξουν σε μια τέτοια κοιλότητα. Και τούτο γιατί η ολική διαδρομή (2L) που διανύεται από το φωτόνιο πρέπει να είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του μήκους κύματός του (κλ) για να υπάρξει ενισχυτική συμβολή. Όλα τα άλλα μήκη κύματος εξαφανίζονται λόγω καταστρεπτικής συμβολής. Τα επιτρεπτά, στην κοιλότητα, μήκη κύματος διαχωρίζονται μεταξύ τους με μια συχνοτική διαφορά η οποία υπολογίζεται ως εξής: ❑ Ορίζουμε ως δείκτη διάθλασης η= C0 /C Όπου C0 η ταχύτητα του φωτός στο κενό και C η ταχύτητά του σε ένα μέσο (εν προκειμένω στο υλικό που παράγεται το laser) οπότε C=C 0 /n=λf, (1) τα ενισχυόμενα στην κοιλότητα μήκη κύματος είναι λ=2L/κ, (2) συνδυάζοντας τις 1 και 2 και λύνοντας ως προς v=κ C 0 /2Ln και για Δκ=1 προκύπτει Δ v= C 0 /2Ln ❑ Η συχνοτική διαφορά μεταξύ των επιτρεπόμενων τρόπων ταλάντωσης καθορίζεται από το μήκος της κοιλότητας. Όσο αυτή μικραίνει τόσο αυξάνει η διαφορά τους στην συχνότητα και στο μήκος κύματος. Οι επιτρεπτοί τρόποι αναφέρονται σε αυτά τα μήκη κύματος τα οποία συντηρούνται και ενισχύονται στην κοιλότητα. ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 12 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας Τύποι οπτικών αντηχείων, κατοπτρικά συστήματα κοιλότητας laser Η (αναγκαστική) ύπαρξη κατοπτρικών συστημάτων για την διατήρηση του συντονισμού στην κοιλότητα του laser επιτρέπει οριζόντιες και υπό γωνία με αυτές διαδώσεις. Επομένως το L δεν είναι το ίδιο για όλες τις διευθύνσεις διάδοσης και άρα οι κοιλότητες ενισχύουν περισσότερες από μια διακεκριμένες οπτικές συχνότητες Τo πάνω διάγραμμα δίνει τo φάσμα κέρδους του Laser ανεξάρτητα από τους επιτρεπόμενους τρόπους. Το φασματικό εύρος του laser είναι πολύ μικρό (h/2π) και επειδή ο χρόνος ζωής μιας στάθμης είναι μεγάλος αλλά όχι άπειρος, αναγκαστικά το ενεργειακό εύρος της ακτινοβολίας είναι μη μηδενικό. Στα αέρια laser μπορούμε να έχουμε επιπλέον φασματική διεύρυνση λόγω του φαινομένου Doppler επειδή τα μόρια που εκπέμπουν ακτινοβολία κινούνται με μεγάλες ταχύτητες Οι διαγώνιες και τις ❑ Από αυτό το φυσικά διευρυμένο φασματικό προφίλ, οριζόντιες διαδώσεις έχουν θα ενισχυθούν τελικά μόνο εκείνα τα μήκη κύματος τα διαφορετικό L και άρα οποία είναι ακέραια υποπολλαπλάσια του L, γιατί ενισχύουν διαφορετικές μόνο αυτά συμβάλουν σε συμφωνία φάσης και άρα συχνότητες ενισχυτικά. ❑ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής ❑ Ο αριθμός των φασματικών γραμμών που μπορεί να υποστηρίξει ένα λέιζερ είναι συνάρτηση της δομής της κοιλότητας, καθώς και του ρεύματος λειτουργίας. Τα πολυτροπικά Laser εκπέμπουν δέσμη με πολλαπλές κορυφές γύρω από το κεντρικό μήκος κύματος τους. ❑ Ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει την μονοτροπικότητα της λειτουργεία του Laser είναι ο βαθμός αντιστροφής πληθυσμού. Ακόμη και ένα αυστηρά μονοτροπικό Laser μπορεί να γίνει πολυτροπικό όταν πχ το ρεύμα πόλωσης (και η ισχύς) ενός διοδικού Laser είναι μικρότερο του τυπικού ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ © 17 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής Κωνσταντίνος Μπάλας Οπτική διάταξη για απόρριψη τρόπων και μονοτροπική λειτουργεία Μονοτροπική λειτουργία ενός laser μπορεί να επιτευχθεί με: Την χρήση ανακλαστικού φράγματος περίθλασης Littrow (Littrow reflecting grating) (κάνει ότι και το πρίσμα με την διαφορά ότι λειτουργεί ανακλαστικά) το οποίο αντικαθιστά ένα από τα κάτοπτρα της κοιλότητας. Το φράγμα Littrow εκτρέπει σε διαφορετικές γωνίες τις διάφορες συχνότητες των τρόπων. Οι μη επιθυμητές εκτρεφόμενες ακτίνες μπλοκάρονται και επιτρέπουμε την διάδοση του πιο ενισχυμένου τρόπου. ΕΝΕΡΓΟ ΥΛΙΚΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 18 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας 3.5 Άντληση Laser ❑ Άντληση είναι η διαδικασία διέγερσης ενός ενεργού μέσου για εκπομπή φωταύγειας (φωτο- ηλεκτρο-χειμειο- φωταύγεια, μέσω προσφοράς ενέργειας από έναν εξωτερικό στο σύστημα δότη. ❑ Είδη άντλησης: ▪ Οπτική άντληση: διέγερση πληθυσμού ατόμων ταλάντωσης σε υψηλότερα επίπεδα μέσω απορρόφησης φωτονίων. Λυχνίες στενής φασματικής απόκρισης (Xe, Hg κλπ) Άλλο σύστημα laser (ημιαγωγού, Ar+-ion) LED ▪ Ηλεκτρική άντληση: διέγερση πληθυσμού ατόμων ταλάντωσης σε υψηλότερα επίπεδα με μεταφορά ενέργειας μέσω κρούσεως ή συντονιστικής μεταφοράς. Εκκένωση τόξων Έκχυση φορέων (σε laser ημιαγωγών) ▪ Χημική άντληση: διέγερση πληθυσμού ατόμων μέσω χημικής ένωσης με μετασταθή παράγωγα ή παράγωγα σε υψηλότερες ενεργειακές στάθμες. Επίτευξη χημικής ένωσης ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 19 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας  Οπτική άντληση Ηλεκτρική άντληση Χημική άντληση Κρουστική μεταφορά ενέργειας μέσω e- e+ X → X* +e ( lower energy ) Ύπαρξη ισχυρού Επιτάχυνση Η/Μ πεδίου ιόντων και e- Y * + X → X * + Y + E Κρουστική μεταφορά ενέργειας συντονισμού μέσω ιόντων ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 20 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας 3.6 Τα συστατικά των laser και τα χαρακτηριστικά της δέσμης τους Τα τρία είναι τα (εντελώς) απαραίτητα συστατικά για την παραγωγή Laser 1. Ενεργό μέσο (active medium) με 3 ή περισσότερα επίπεδα μεταβάσεων με κάποιο η κάποια από αυτά να είναι μετασταθή. 2. Κοιλότητα οπτικού συντονισμού (optical resonator) εντός της οποίας τοποθετείται το ενεργό υλικό κατασκευασμένη από έναν ανακλαστικό και έναν ημιανακλαστικό καθρέπτη. 3. Σύστημα άντλησης ή διέγερσης (excitation) των ατόμων του ενεργού μέσου σε υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις. ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ © 21 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής Κωνσταντίνος Μπάλας Τα (μοναδικά) χαρακτηριστικά της δέσμης Laser ❑ Η δέσμη Laser είναι: ▪ Πολύ κατευθυντική και εστιασμένη επειδή ταλάντωση και ενίσχυση συμβαίνει μόνο κατά μήκος της κοιλότητας (οφείλεται στην κοιλότητα) ▪ Είναι ιδιαίτερα μονοχρωματική επειδή η ενεργειακή διαφορά μεταξύ των επιπέδων εξαναγκασμένης αποδιέγερσης έχει πολύ μικρό εύρος τιμών. Το ίδιο ισχύει για τις συχνότητες των εκπεμπόμενων φωτονίων. (οφείλεται στο ενεργό υλικό) ▪ Είναι σύμφωνη ακτινοβολία: όλα τα φωτόνια έχουν την ίδια φάση. Αυτό συμβαίνει επειδή τα φωτόνια τα οποία ενισχύονται είναι αυτά που συμβάλουν σε συμφωνία φάσης (οφείλεται στις διαστάσεις της κοιλότητας) ▪ Η δέσμη Laser χαρακτηρίζεται από πολύ μεγάλη λαμπρότητα-μεγάλη ένταση ανά μονάδα στερεάς γωνίας-επειδή αποτελείται από έναν τεράστιο αριθμό φωτονίων λόγω ενίσχυσης από εξαναγκασμένη εκπομπή και λόγω συντονισμού στην κοιλότητα. ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 22 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας 3.7 Τύποι Laser-Τα Laser ημιαγωγών (διοδικά Laser) ❑ Κατάταξη lasers ανάλογα με τον τρόπο Lasing State Laser Pulse length or Typical εκπομπής σε: substance (s) wave/gth continuous maximum (nm) wave power ▪ Συνεχούς εκπομπής (C.W. output continuous wave) (watts) ▪ Παλμικής εκπομπής (pulsed) Cr/alumina solid 694 nanoseconds 100 MW ❑ Κατάταξη lasers ανάλογα με τη φύση του (ruby) ενεργού υλικού σε: Nd/glass solid 1060 picoseconds 100 TW ▪ Στερεάς κατάστασης (solid state) Ga/As solid 840 continuous 10 mW ▪ Υγρής κατάστασης (liquid phase) Rh6G (dye) liquid 600 femptoseconds 10 kW ▪ Αέριας κατάστασης (gas state) He/Ne gas 633 continuous 1 mW CO 2 gas 10600 continuous 200 W Ar/F gas 193 nanoseconds 10 MW Παρακάτω θα εξετάσουμε την λειτουργία του διοδικού Laser ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 23 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας  Το διοδικό Laser ❑ Τα laser ημιαγωγών κατασκευάζονται από ενώσεις ημιαγωγών όπως GaAlAs (Γάλλιο – Αργίλιο – Αρσενικό), InGaAs (Ίνδιο – Γάλλιο – Αρσενικό) ή InGaAsP (Ίνδιο – Γάλλιο – Αρσενικό – Φώσφορος). Όλα αυτά είναι ημιαγωγοί άμεσης μετάπτωσης από την ζώνη σθένους στην ζώνη αγωγιμότητας ❑ Σε ημιαγωγούς εμμέσου ενεργειακού χάσματος, όπως το πυρίτιο, οι μεταβάσεις δεν συνοδεύονται από ικανοποιητική εκπομπή ακτινοβολίας και για τον λόγο αυτό δεν ενδείκνυνται για την κατασκευή LED ή laser. ❑ Το υλικό κατασκευής και ειδικότερα το εύρος του ενεργειακού του χάσματος καθορίζει το μήκος κύματος εκπομπής. Προσμίξεις με υλικά που έχουν διαφορετικά ενεργειακά χάσματα επιτρέπουν την εκπομπή σε διαφορετικά μήκη κύματος. Επίσης για τις ενώσεις ημιαγωγών τριών και τεσσάρων στοιχείων, όπως το AlxGa1-xAs (Αλουμίνιο – Γάλλιο – Αρσενικό) η ενέργεια μετάπτωσης ενεργειακού χάσματος αλλάζει με τα ποσοστά των προσμίξεων. ❑ Τα απλούστερα βέβαια είναι τα διοδικά laser 2 στοιχείων όπως το GaAs (Γάλλιο – Αρσενικό), όπου και στους 2 ημιαγωγούς με κατάλληλες προσμίξεις παράγονται τα απαραίτητα στρώματα P και N για τη δημιουργία της επαφής p – n. ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 24 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας Αντιστροφή πληθυσμών σε διοδικά lasers a) Ο φραγμός δυναμικού χωρίς πόλωση της διόδου, b) Μείωση του φραγμού δυναμικού με ορθή πόλωση της διόδου γεγονός το οποίο επιτρέπει την ροή ρεύματος. Λόγω του εξωτερικού δυναμικού τα ηλεκτρόνια έχουν μεταβεί σε μία υψηλότερη ενεργειακά κατάσταση, και σε μια στενή περιοχή εκατέρωθεν της επαφής (πράσινη γραμμή) μπορεί να λάβει χώρα αντιστροφή πληθυσμών p+ Junction n+ Ec Eg p+ n+ eV o Ec EF n In v ers i o n reg i o n Ec Ev Eg EF p H o l es i n V B EF n eV E l ectro ns E l ectro ns i n C B Ec EF p Ev (a) (b) V The energy band diagram of a degenerately doped p-n with no bias. (b) Band diagram with ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ a sufficiently large forward bias to cause population inversion and ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 25 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας hence stimulated emission. Παραγωγή διοδικου Laser ❑ Φωτόνια ενέργειας λίγο μεγαλύτερης από το ενεργειακό χάσμα μπορούν να διεγείρουν τα ηλεκτρόνια από την ζώνη αγωγιμότητας σε μια κατάσταση υψηλότερη ενέργειας από όπου μεταπίπτουν γρήγορα σε καταστάσεις κοντά στην κατώτερη περιοχή της ζώνης αγωγιμότητας. Την ίδια στιγμή οι οπές που δημιουργούνται στην ζώνη σθένους κινούνται στην κορυφή της ζώνης σθένους. Τα ηλεκτρόνια από τη ζώνη αγωγιμότητας μπορούν να μεταβούν αυθόρμητα ή εξαναγκασμένα στην ζώνη σθένους και επανασυνδεθούν με τις οπές εκπέμποντας φωτόνια με ενέργεια κοντά στην ενέργεια μετάβασης ❑ Αν ένα φωτόνιο ενέργειας Ε=Εg προσπέσει στην περιοχή της επαφής τότε αυτό δεν μπορεί να απορροφηθεί για να διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο από την ζώνη σθένους στην ζώνη αγωγιμότητας γιατί απλούστατα δεν υπάρχουν εκεί ηλεκτρόνια (πορτοκαλί περιοχή). ❑ Η μόνη επιλογή που υπάρχει είναι το φωτόνιο αυτό να αποδιεγείρει ένα ηλεκτρόνιο από την ζώνη αγωγιμότητας στην ζώνη σθένους το οποίο συνδέεται εκεί με μία οπή. ▪ Η μετάβαση αυτή δημιουργεί ένα δεύτερο φωτόνιο ίδιας συχνότητας, πόλωσης και φάσης με το πρώτο φωτόνιο και ταξιδεύει με αυτό στην ίδια κατεύθυνση. Αυτό σημαίνει ότι το πρώτο φωτόνιο αντί να απορροφηθεί ενισχύεται ή με άλλα λόγια η εξαναγκασμένη εκπομπή προκαλεί ενίσχυση ενός οπτικού κύματος κατάλληλης συχνότητας. ▪ Είναι φανερό ότι ο βαθμός ενίσχυσης εξαρτάται από τον αριθμό των οπών και των ηλεκτρονίων τα οποία διαπερνούν την επαφή. ▪ Πρέπει να τονιστεί ότι η δίοδος εκπέμπει φως ακόμη και όταν δεν έχει συμβεί αντιστροφή πληθυσμών. Το φως αυτό οφείλεται στην αυθόρμητη εκπομπή και για το λόγο αυτό έχει μεγάλο σχετικά εύρος συχνοτήτων και δεν είναι σύμφωνο και κατευθυντικό. Το φως αυτό έχει τα χαρακτηριστικά της πηγής LED. ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 26 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας Ηλεκτρική άντληση-μετάπτωση laser-Led ❑ Αυξάνοντας βαθμιαία το ρεύμα της ορθής πόλωσης, για περιοχή μικρών τιμών του δεν επιτυγχάνεται αντιστροφή πληθυσμών και το φώς που εκπέμπεται δεν είναι laser αλλά έχει τα χαρακτηριστικά του LED ❑ Από μια όμως στάθμη ρεύματος και μετά (για μεγαλύτερες τιμές) λαμβάνει χώρα αντιστροφή πληθυσμών και ο μηχανισμός της εξαναγκασμένης εκπομπής αρχίσει να κυριαρχεί του μηχανισμού αυθόρμητης εκπομπής. ❑ Για κάποιες τιμές ρεύματος κοντά στο κατώφλι αντιστροφής οι δύο μηχανισμοί συνυπάρχουν και έτσι η ακτινοβολία έχει χαρακτηριστικά LED και laser. Αυξάνοντας περαιτέρω την τιμή του ρεύματος η δέσμη αποκτά χαρακτηριστικά «καθαρού» laser (πολύ μεγάλη ένταση, μονοχρωματικότητα, κατευθυντικότητα, συμφωνία κλπ) ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 27 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας ❑ Το ενεργειακό (φασματικό) εύρος διόδου GaAS/AlGaAs για διάφορες τιμές του ρεύματος πόλωσης. ▪ Στην επάνω εικόνα το εύρος είναι μεγάλο, δεν υπάρχει αντιστροφή πληθυσμών και λειτουργεί ως LED ▪ Στην μεσαία εικόνα η ένταση του ρεύματος είναι κοντά στο κατώφλι και το εύρος στενεύει. ▪ Στην κάτω εικόνα το ρεύμα έχει κατά πολύ υπερβεί το κατώφλι και υπάρχει περεταίρω στένεμα της ενέργειας εκπομπής και εμφάνιση των κορυφών που αντιστοιχούν στους τρόπους που ενισχύονται σημαντικά ❑ Σημ. Οι καμπύλες είναι κανονικοποιημένες στην ένταση και γι’ αυτό δεν φαίνονται οι σχετικές διαφορές στην ένταση του εκπεμπόμενου φωτός. ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 28 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας  Διοδικά Laser φάσματα εκπομπής ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ 29 ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, Εργ. Ηλεκτρονικής © Κωνσταντίνος Μπάλας