lasery półprzewodnikowe historia - zifzto.mchtr.pw.edu.pl/download/6.pdf · ekrany monitora,...
TRANSCRIPT
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
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
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