10. LASERIT (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = LASER)

Transkriptio

1 10. LASERIT (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = LASER) Laservalon ominaisuuksia: - kapea säteinen - monokromaattinen - koherentti Laservalo voi olla: - jatkuvaa, CW - pulssittaista - teho voi hetkellisesti olla miljoonia W 10.1 STIMULOITU EMISSIO (Stimulated Emission) Spontaaninen emissio- elektronien siirtymisnopeus ylemmältä energiatasolta E 2 alemmalle energiatasolle E 1 riippuu tason E 2 elektronien lukumäärästä (populaatiosta). Tästä seuraa eksponentiaalinen tason E 2 -tyhjentyminen. Stimuloitu emissio - elektronit stimuloidaan putoamaan määrätyllä hetkellä. Stimulointi aikaansaadaan oikean aallonpituuden fotoneilla. 1 E 2 hv 12 hv 12 Photon field Fig Stimuloitu emissio E 1 hv 12 ; tuleva fotonikenttä, jonka fotonit ovat vaiheessa. hv 12 = E 2 E 1. Tuleva kenttä stimuloi puolijohteen elektroneja

2 siirtymään alemmalle energiatasolle, jolloin vapautuvat fotonit liittyvät kenttään samassa vaiheessa - monokromaattinen - koherentti Kun puolijohde on lämpötasapainossa (ei ulkoista häiriötä), varauksenkuljettajien suhteet tasoilla E 2 ja E 1 ovat: 2 n 2 n1 = e (E 2 E1)/kT (10-1) n2 E2 ρ B 21 n 2 (v12 ) B12 ρ n 1 (v12 ) A 21 n 2 ρ (v 12 ) (a) (b) (c) n 1 Fig a) stimuloitu emissio, b) absorptio, c) spontaaninen emissio E1 - ρ(v 12 ) = stimuloivan kentän energiatiheys, (energia/tilavuus,hz) - B 21 n 2 ρ(v 12 ) = stimuloitu emissio; BB21 kerroin - B 12 n 1 ρ(v 12 ) = stimuloidun säteilyn absorptio, B 12 B kerroin - A 21 n 2 = spontaaninen emissio Tasapainotilanteessa: absorptio = emissioiden summa joten: B 12 n 1 ρ(v 12 ) = A 21 n 2 + B 21 n 2 ρ(v 12 ) (10-2)

3 Suhteet: 3 1. stimuloituemissio spontaaninenemissio = B 21 n 2 ρ(v 12 ) = B 21 A 21 n 2 A ρ(v ) (10-3) 2. stimuloituemissio absorptionopeus = B 21 n 2 B 12 n 1 (10-4) Jotta stimuloitu emissio olisi vallitseva täytyy: 1. ρ( v 12 ) olla suuri optinen resonanssiontelo 2. n 2 n1 1 T < 0 ; negatiivinen lämpötila populaatioinversio n 2 > n 1 = populaatioinversio

4 10.2 RUBIINILASER (The Ruby Laser) 4 Rubiini Al 2 O 3 + 0,05 % Cr Resonanssiontelo (The Resonant Cavity) (c) (d) (b) Fig (a) FABRY-PEROT-INTERFEROMETRI - Sauva Al 2 O 3, (a) - leikattu ja päät kiilloitettu - toinen päätypinta päällystetty täysin heijastavaksi; Al tai Ag, (b) - toinen pääty osittain läpäisevä, (d) - lamppu,(c)

5 5 Fig Laserontelon resonanssimuodot Sauvan pituuden L on oltava (fig. 10-4) L = mλ 2 (10-5) missä λ on aallon pituus sauvassa, m = 1,2... Ulostulevan aallon aallonpituus, λ 0 λ 0 = λ n (10-6) missä n on laser-aineen taitekerroin. Koska aallonpituus on mikrometrin luokkaa ja sauva useita tuumia pitkä, löytyy aina ilman mekaanista säätöä yhtälön (10-5) ehdon täyttävä kohta.

6 Populaatioinversio rubiinissa (Population Inversion in Ruby) 6 E 3 hv 13 (pump input) hv 12 (laser output) E2 E1 (metastable state) (ground state) Fig Kromi-ionien energiatasot rubiinissa. Kolmen tason systeemi: - E 1 maataso - E 3 virityskaista; valo pumppaa elektroneja leveälle vyölle, josta ne siirtyvät nopeasti tasolle E 2. - E 2 metastabiili tila; elinaika ~5 ms, elektronit siirtyvät maatasolle Siirtymäenergia E 3 - E 2 muuttuu lämmöksi Siirtymäenergia E 2 - E 1 valoksi Optinen pumppaus saadaan suureksi purkauslampulla; kondensaattori puretaan xenon-täytteisen putken kautta. Purkauksen aikana saavutetaan populaatioinversio, jolloin saadaan laservaloa.

7 7 (a) Flash Lamp Intensity Thershold pumping level t(msec) (b) Laser Intensity t(msec) Fig Rubiinilaser, a) purkauslampun intensiteetti, b) laserpiikit Laser ei kuitenkaan anna jatkuvaa valoa, koko purkauslampun purkauksen ajan, vaan laserpiikkejä (Fig. 10-6). Laserpiikki syntyy kun purkauslampun intensiteetti saavuttaa kynnyspumppaustason (threshold pumping level), mutta sammuu, kun laser-toiminnan tuloksena populaatioinversio häviää. laserpulssit muutamasta nanosekunnista muutamaan mikrosekuntiin

8 Jättiläispulssilaser (Giant Pulse Lasers) 8 Fig Q-kytketty rubiinilaser Tässä laserissa laserresonaattorin toiminta on tilapäisesti ehkäisty; esim. korvaamalla toinen heijastava pinta ulkopuolisella peilillä, joka on poikkeutettu asennosta. Kun optinen pumppaus on aikaansaanut todella suuren populaatioinversion, resonaattorin toiminta aikaansaadaan peilin kiertämisellä, jolloin saadaan suuri pulssienergia ja suuri hetkellinen teho. esim. E = 1 J t = 100 ns P = 10 MW Koska laserin toiminta perustuu resonaattorin Q -arvon äkilliseen nostoon kutsutaan em. laseria Q -kytketyksi laseriksi Q-kytkentä aikaansaadaan myös: - nostamalla häviötä sähkökentällä - käyttämällä väriainetta

9 10.3 MUUT LASERSYSTEEMIT (Other Laser Systems) 9 E 4 hv 14 (pump input) hv 23 E3 (metastable state) (laser output) E 2 (laser terminal state) E1 (ground state) Fig Tyypillinen neljän tason lasersysteemi: E 1 - maataso E 2 - pumppausvyö E 3 - metastabiilitaso E 4 - laservalon terminaalitaso; - elektronien siirtymä nopea E 2 E 1 - E 2 - E 1 >kt Koska E 2 on vähän miehitetty tasoon E 1 verrattuna, populaatioinversio saadaan pienemmällä optisella pumppauksella Harvinaisiin maametalleihin perustuvia ratkaisuja (Rare Earth Systems) Nd :YAG, λ 1 μm yttrium-alumiini-garnet

10 Kaasulaserit (Gas Lasers) 10 Optisen pumppauksen hyötysuhde on pieni. Kaasulasereissa sähköistä purkausta käytetään atomien virityksessä. Sähkökentässä oleva kaasu ionisoituu törmäysten kautta PLASMA = kaasuionien + elektronien seos He + Ne -kaasuseos tavallisin Heliumilla on metastabiilit energiatasot 2 s ja 3 s melkein samoilla energioilla kuin neonatomeilla. Koska elektronien elinajat heliumatomien viritetyillä energiatasoilla ovat suhteellisen pitkiä, ovat suhteellisen useat heliumatomit virittyneet. He- ja Ne-atomien energiatasojen samankaltaisuudesta seuraa, että energia siirtyy heliumatomista neonatomiin resonanssisiirtymällä (resonant exchange of energy). Laser-emissio tapahtuu Ne-atomin energiatasojen välillä (Fig. 10-9). 3s 3.39 μ m 2s Ne 1.1 μm 0.63 μm 3p 2p 1s Fig Lasersiirtymät Ne-atomeissa Vahvin emissioviiva Ne -atomeissa on 2s 2p; 1,1 μm Toinen tärkeä 3s 2p; 0,6328 μm

11 11 Mirror Plasma tube Excitation source Fig Kaasulaserin rakenne Tyypillinen He-Ne-laser käsittää lasiputken, joka sisältää kaasuseoksen, kaasupurkaukseen tarvittavan energialähteen ja elektrodit ja peilit, jotka muodostavat resonanssiontelon (Fig.10-10). Peilit asetetaan plasmaputken ulkopuolelle, jolloin niiden suuntaaminen on helpompaa. Plasmaputken heijastus on minimoitu päättämällä putki lasilevyllä, joka on kulmassa putken akseliin nähden. Niin kutsutulla Brewsterin kulmalla sisäiset heijastukset plasmaputkessa ovat nolla tietylle polarisaatiolle. Kaasun viritys (excitation) aikaansaadaan dc-purkauksella kaasuputkessa olevien kahden elektrodin välillä. Vaihtoehtoisesti rf-tehoa voidaan käyttää plasman muodostukseen. Vaikka He-Ne-laser on jatkuvatoiminen, sen hyötysuhde on pieni (tyypillisesti < 1 %). Huomattavasti tehokkaampi kaasulaser on CO 2 -laser, joka voi generoida kilowatteja jatkuvan tehon.

12 10.4 PUOLIJOHDELASER (Semiconductor Lasers) - GaAs, GaAsP ja muut suoran vyön puolijohteet - koko pieni; 0,1. 0,1. 0,3 mm 3 - hyötysuhde korkea - lasertehoa voi moduloida virralla Populaatioinversio liitoksessa (Population Inversion at a Junction) Ec EFn Ec Ev EFp p n Ev Fig Energiavyöesitys kahden degeneroituneen puolijohteen liitokselle suurella päästöjännitteellä. Viivoitetussa alueessa muodostuu populaatioinversio. Degeneroituneessa puolijohteessa fermitasot ovat vöiden sisällä. Fig tapauksessa eli suurella päästöjännitteellä, liitoksen varauskuljettajamäärät poikkeavat suuresti lämpötasapainotilanteen arvoista.

13 13 F n F n - F p E g E c E F v p Fig Inversioalueen laajennettu esitys Fermitasot, jotka kuvaavat tasapainotilannetta eivät sovellu käytettäväksi inversioalueessa. Kvasifermitasot (F n ja F p ) ovat varauksenkuljettajamääristä laskettuja kuvitteellisia fermitasoja. n = p = N N c v e e = n ( Ec Fn ) / kt ( Fn Ei ) / kt i e ( Fp Ev )/ kt ( Fi F = nie p )/ kt (10-7a) (10-7a) Populaatioinversio on, kun F n - F p E g Neutraaleissa alueissa kvasifermitasot yhtyvät fermitasoihin E Fn ja E Fp (Fig ). Mitä suurempi on kvasifermitasojen erotus F n -F p, sitä suurempi on poikkeama tasapainosta. Stimuloitu emissio on nyt mahdollista alueessa E g < hν F n - F p Laserontelosta riippuu dominoiva säteily. Lasertoiminta edellyttää suoraa aukkoelektroniparin recombinaatiota eli suoran energia-vyön puolijohdetta, kuten GaAs. Edelleen edellytyksenä on mah-dollisuus sekä p- että n-degeneroituun duuppaukseen.

14 Emissiospektri pn-liitos laserille (Emission Spectra for pn Junction Lasers) 14 Intensity Intensity Intensity (a) hv (b) hv (c) hv Fig Laservalon intensiteetti fotonin funktiona biasvirran kasvaessa. a) epäkoherentti emissio, kun virta < kynnysvirta, b) lasermuodot kynnysvirralla, c) dominoiva laser-muoto kynnysvirran yläpuolella. Suuremmilla virroilla resonaattoriontelo valitsee laser-taajuuden (Fig ). Kysymykseen tulevien värähtelyjen aallonpituuksien ero on johdettavissa resonaattoriehdosta: m = 2Ln λ 0 missä m = puoliaallonpituuksien lukumäärä λ 0 = aallon pituus ilmassa n = taitekerroin L = resonaattorin pituus Jos m on laaja dm = dλ 2Ln 0 λ2 + 2L dn λ 0 0 dλ (10-10) 0 Δλ 0 = λ 0 2 2Ln (1 λ 0 n dn dλ 0 ) 1 Δm (10-11)

15 Sijoittamalla Δm = -1 saadaan vierekkäisiä muotoja (m ja m-1) vastaava aallonpituusero Puolijohdelaser (The Basic Semiconductor Laser) Kuvassa on esitetty GaAs-liitoksen valmistusvaiheet. Resonanssiontelon toiminnan kannalta on tärkeää, että etu- ja takaseinä ovat tasaiset ja samansuuntaiset. Tämä aikaan-saadaan lohkomalla pitkin kidesuuntaa. Fig yksinkertaisen liitoslaserin valmistusvaiheet a) degeneroitu n + - GaAs b) degeneroitu p+-seostus diffusoimalla (Zn) c) liitosten erottaminen (syövytys tai leikkaus) d) palojen leikkaaminen tai lohkominen e) palan kiinnittäminen hyvin lämpöä johtavaan alustaan

16 Heteroliitoslaserit (Heterojunction Lasers) 16 - Samaan puolijohteeseen perustuvia lasereita (p,n) kutsutaan homoliitoslasereiksi. - Eri puolijohteiden välisiin liitoksiin perustuvia lasereita kutsutaan heteroliitoslasereiksi. Homoliitos Heteroliitos n GaAs p GaAs p AlGaAs p AlGaAs p GaAs n GaAs substrate 1μ m 1,4eV 2eV E c E v E F Equilibrium 1,4eV (a) (b) 2eV High forward bias Fig Yksiheteroliitoslaserdiodi, a) ohut epitaksisesti kasvatettu p- AlGaAs-kerros p-gaas-pohjalla, b) energiavyöesitys Heteroliitoksella aikaansaadaan Fig mukaisesti injektoitu-jen varauksenkuljettajien (elektronien) rajaaminen tietylle etäisyy-delle liitoksesta. Näin lasertoimintaa varten tarvittavaa kynnys-virtaa voidaan alentaa.

17 17 Fig Kaksipuoleisella heteroliitoksella voidaan rajata molemmat injektoidut varauksenkuljettajatyypit ja näin edelleen pienentää kynnys-virtaa Puolijohdelasermateriaalit (Materials for Semiconductor Lasers) - GaAs - AlGaAs - InGaAsP