WYŻSZA SZKOŁA MORSKA w SZCZECINIE WYDZIAŁ MECHANICZNY	LABORATORIUM FIZYKI				Nazwisko i imię: Robert Dąbrowski
		Nr ćwicz: 2	Temat ćwiczenia: LASERY PÓŁPRZEWODNIKOWE
										Rok akademicki: 1999/2000
Data wyk. ćwicz.: 24.05.2000	Data oddania spraw.: 7.06.2000		Ocena:	Podpis wykładowcy:		Grupa : III MAa

1. Teoretyczne podstawy działania laserów .

Rozważmy atom znajdujący się w stanie podstawowym tzn. taki , którego elektrony krążą na najniższych poziomach czyli możliwie najbliżej jądra . Jeżeli na atom skierujemy wiązkę fotonów o energii równej różnicy pewnego poziomu wzbudzonego i podstawowego atomu , to atom zostanie wzbudzony w wyniku pochłonięcia takich fotonów . Atom pozostaje stanie wzbudzonym przez pewien czas , a potem przechodzi ponownie do stanu podstawowego zwracając energię w postaci fotonów ( emisja spontaniczna ) .

Średni czas , w jakim atom pozostaje w stanie wzbudzonym , nazywa się czasem życia tego stanu . Zazwyczaj czasy trwania wzbudzenia atomu są rzędu 10 ^-7 ÷ 10 ^-9 [s] . Stany , które mają czas życia znacznie dłuższy dochodzący do kilku sekund , nazywają się metastabilnymi ( metatrwałymi ). Jeżeli atomy naświetlanego ośrodka lub ciała zawierają stany metastabilne , to w takim przypadku świecenie nie ustaje zaraz po przerwaniu naświetlania , lecz trwa pewien czas . Zjawisko takie nosi nazwę fosforescencji .

Długość fali światła wysyłanego w zjawisku fosforescencji może być różna od długości fali światła pochłanianego . Zależy to od układu poziomów energetycznych .

W układzie dwupoziomowym energia emitowana jest równa energii pochłoniętej , równe są też długości odpowiednich fal .

Schemat fluorescencji o niezmiennej długości fali

W układzie trójpoziomowym środkowy poziom E₃ jest metastabilny

Schemat fluorescencji o zwiększonej długości fali ( λ` > λ )

Atomy lub cząsteczki wzbudzone do poziomu górnego E₂ przechodzą na poziom metastabilny w sposób bezpromienisty . Przejście bezpromieniste polega na przekazaniu części energii wzbudzenia innym atomom lub cząsteczkom w postaci energii cieplnej lub też w postaci energii chemicznej .

Przejście z poziomu metastabilnego do poziomu podstawowego jest związane z emisją fotonu o energii równej E₃ - E₁ mniejszej od energii pochłoniętego fotonu , równej E₂ - E₁ . W tym przypadku długość fali światła fluorescencji jest większa od długości fali światła pochłanianego . Jeżeli pośredni poziom metastabilny E₃ znajduje się w małej odległości od poziomu podstawowego , to atom lub cząsteczka może być wzbudzona do tego stanu kosztem energii cieplnej .

Schemat fluorescencji o zmniejszonej długości fali ( λ > λ' )

Pochłonięcie fotonu o energii E₂ - E₃ spowoduje wzbudzenie do poziomu E₂ , z którego atom lub cząsteczka przechodzi na poziom podstawowy E₁ , emitując foton o energii E₂ - E₁ . W tym przypadku długość światła fluorescencji jest mniejsza niż światła pochłanianego .

Rozważmy teraz sytuację kiedy atom w stanie wzbudzonym zderza się z fotonem który spełnia warunek :

Wówczas mamy do czynienia z emisją wymuszoną . Foton uderzający nie ulega pochłonięciu , ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne , tj. zgodne w fazie fotony o tej samej energii .

Omówione wyżej zjawiska tj. : emisja spontaniczna absorpcja promieniowania i emisja wymuszona są podstawą działania laserów lub maserów ( główną rolę pełni tu zjawisko emisji wymuszonej ) . Przy czym laserami nazywamy generatory pracujące w zakresie optycznym a maserami generatory promieniowania spójnego pracujące w radiowym zakresie fal ultrakrótkich .

2. Lasery półprzewodnikowe .

2.1. Podstawowe wiadomości o złączu p - n .

Złącze półprzewodnikowe p - n występuje przy zetknięciu dwóch półprzewodników o przeciwnych typach przewodnictwa elektrycznego . Następuje wówczas przepływ ładunków między tymi półprzewodnikami , aż do wyrównania się poziomów Fermiego .

Pasma energetyczne w niespolaryzowanym homozłączu p - n

Na styku tworzy się warstwa ładunku przestrzennego , na której występuje różnica potencjałów , zwana napięciem dyfuzyjnym .

Napięcie przyłożone do obszaru p , dodatnie w stosunku do obszaru n , wytworzy przepływ przez złącze zarówno elektronów , jak i dziur ( w przeciwnych kierunkach ) . Wypadkowy prąd ( dodatni ) płynie w tym samym kierunku co prąd dziur . Złącze znajduje się w stanie przewodzenia , prąd rośnie szybko , wraz z napięciem na złączu .

Napięcie przyłożone odwrotnie na złącze nie powinno w zasadzie wywoływać przepływu prądu . W rzeczywistości jednak istnieje pewien niewielki prąd wywołany przez zjawisko cieplnego wzbudzania półprzewodnika oraz upływności jego powierzchni . Prąd ten niewiele zależy od napięcia przyłożonego na złącze znajdujące się w stanie zaporowym .

Jeżeli przez złącze popłynie silny prąd elektryczny w kierunku przewodzenia , to w obszarze złącza występuje nadmiar energii między pasmem przewodnictwa a pasmem podstawowym . Układ zaabsorbuje energię kosztem źródła prądu (następuje wzbudzenie układu) .

Powstawanie promieniowania w złączu p - n

Układ może być rozładowany , oddając energię w sposób spontaniczny , jak to się dzieje w diodach elektroluminescencyjnych , wytwarzając promieniowanie bezładne fazowo i przestrzennie - promieniowanie niespójne , niekoherentne o szerokim widmie częstotliwościowym . Takie promieniowanie można uporządkować działając na proces rekombinacji falą elektromagnetyczną , która będzie wspomagać zgodne fazowo przejścia rekombinacyjne , a przeszkadzać w powstawaniu niezgodnych fazowo przejść rekombinacyjnych . W rezultacie otrzymuje się uporządkowanie cząstościowo i fazowo ( a w pewnych przypadkach przestrzennie ) promieniowanie zwane wymuszonym .

2.2. Zasada pracy lasera półprzewodnikowego .

Podobnie jak w diodzie elektroluminescencyjnej , w laserze półprzewodnikowym mamy do czynienia ze strukturą w kształcie prostopadłościanu , w którym występuje złącze p - n zasilane prądem stałym . Laser jest dodatkowo zaopatrzony w rezonator optyczny , którego zwierciadła tworzą dwie równoległe do siebie , gładkie powierzchnie zewnętrzne , prostopadłe do tego złącza .

Rezonator lasera półprzewodnikowego (homozłączowy)

Często na te powierzchnie nanosi się warstwy odbijające .

Złącze p - n polaryzujemy silnie w kierunku przewodzenia . W rezultacie powstaje nadmiar elektronów w warstwie p przy złączu i emisja promieniowania elektromagnetycznego . Generowana fala elektromagnetyczna występuje w obszarze rezonatora optycznego , zapewniającego dogodne warunki do powstania fal stojących różnych modów . Częstotliwości tych modów zależą od rozmiaru rezonatora . W najprostszym przypadku modów podłużnych rezonansowa długość fali wynosi .

gdzie :

l - długość rezonatora ,

n - współczynnik załamania światła

m - dowolna liczba całkowita dodatnia

W ten sposób rezonator uprzywilejowuje częstotliwości rezonansowe układ . Fale o tych częstotliwościach rozprzestrzeniają się w warstwie p półprzewodnika i wywołują emisję wymuszoną , fazowo z nimi zgodną . W ten sposób porządkuje się promieniowanie wewnątrz rezonatora w postaci fal o częstotliwościach rezonansowych .

W układzie : obszar rekombinacji promienistej - rezonator , powstaje dodatnie sprzężenie zwrotne , podstawa pracy układów wzmacniających i generatorów .

Warunkiem powstawania drgań układu i występowania akcji laserowej jest to , aby dopływ energii do układu w postaci prądu elektrycznego był większy od strat w nim występujących . Gęstość nośników prądu w pobliżu złącza musi być większa od pewnej wartości krytycznej , która określa tak zwany próg wzbudzenia lasera . Przed progiem wzbudzenia laser pracuje jako dioda elektroluminescencyjna , emitując promieniowanie o stosunkowo niewielkim natężeniu , rozłożone w szerokim kilkudzisięcionanometrowym paśmie długości fal .

Powyżej progu wzbudzenia lasera występuje gwałtowne zwężenie widma , połączone z silnym wzrostem natężenia promieniowania .

2.3. Rozwiązania konstrukcyjne laserów półprzewodnikowych .

Pierwsze lasery półprzewodnikowe opierały się na rezonatorze optycznym homozłączowym wykonanym z arsenku galu (tak jak na rysunku). Emitowały one promieniowanie spójne dopiero przy progowych gęstościach prądu rzędu 100 kA/cm² . Wartości prądu progowego były nieco mniejsze przy pracy w temperaturze ciekłego azotu , który zapewniał odprowadzanie wytwarzanego laserze ciepła . tak duże gęsto prądu , konieczne do wywołania akcji laserowej , wynikają z nieodpowiedniego rozpływu elektronów wstrzykiwanych w warstwę p złącza oraz ze znacznej szerokości warstwy promieniującej . W prawdzie wzrost współczynnika załamania światła w obszarze czynnym (ok. 3% w GaAs) stwarza efekt światłowodowy , ograniczający rozprzestrzenianie promieniowania do różnoimiennych obszarów złącza . Jednak w homozłączu efekt ten jest bardzo mały , powstają znaczne straty promieniowania . Nie włączanie tego promieniowania do wywołania kolejnych aktów emisji wymuszonej prowadzi do dużych prądów progowych laserów homozłączowych. W praktyce uzyskanie akcji laserowej jest możliwe tylko przy zasilaniu lasera krótkimi impulsami prądowymi .

Rozwiązaniem problemu jest zastosowanie biheterozłącza ,które obniża gęstość prądu progowego co najmniej o rząd wielkości i umożliwia pracę lasera w temperaturze pokojowej .

Rezonator lasera półprzewodnikowego (biheterozłączowy)

Pokazane na rysunku biheterozłącze charakteryzuje się tym , że obszary zewnętrzne mają większą przerwę energetyczną E_g , co pozwala na zacieśnienie obszaru rekombinacji i promieniowania . Pomaga temu dość duża różnica współczynników załamania w złączu heterogenicznym . Wywołuje to silne sprzężenie wzajemne układów rekombinacji i promieniowania w wąskim obszarze czynnym oraz znaczne zmniejszenie strat promieniowania . W wyniku czego następuje znaczne zmniejszenie progowych gęstości prądu wzbudzenia lasera biheterozłączowego w porównaniu z laserami homozłączowymi .

3. Część praktyczna - badanie rozbieżności laserów półprzewodnikowych .

Rozkład natężenia pola elektromagnetycznego lasera w pewnej odległości od żródła

Tabela pomiarowa nr 1

l[m]	d[mm]	E[mW]
0	1,2	1,89
1	2	1,81
3,2	6	1,76

Tabela pomiarowa nr 2

l[m]	d[mm]	I[mA]	E[mW]
0	3	146	3,1
1	10	146	3
3,2	15	146	2,04
0	2	68,5	1,53
1	6	68,5	1,51
3,2	13	68,5	1,06

Tabela pomiarowa nr 2

l[m]	a[m]	b[m]	λ[mm]
3,2	0,213	0,213	670

Literatura:

Czesław Bobrowski : „Fizyka - krótki kurs”

B.M. Jaworski , A.A. Dietłaf : „Fizyka - poradnik encyklopedyczny”

Franciszek Kaczmarek : „Podstawy działania laserów”

Adam Smoliński : „Optoelektronika światłowodowa”

Adam Smoliński : „Światłowody i ich zastosowanie”

E₂

E₁

Absorpcja

Emisja

λ

λ'

λ'

λ

Emisja

Absorpcja

E₁

E₂

E₃

E₃

λ'

λ

Emisja

Absorpcja

E₁

E₂

Elektrony

λ'

λ

Emisja wymuszona

Energia

E₁

E₂

Pasmo przewodnictwa

E_F

Pasmo podstawowe

Dziury

s

l

Poziom Femiego

Pasmo przewodnictwa

Pasmo walencyjne

Pasmo walencyjne

Pasmo przewodnictwa

Prąd elektronowy

Prąd dziurowy

a

b

Powierzchnia polerowana

Powierzchnia polerowana

Światłowód (mody poprzeczne)

Złącze p - n

d

Strumień światła

p⁺

p

n

Przepływ prądu

850

860

840

Długość fali w [nm]

a

b

Widmo promieniowania lasera półprzewodnikowego przed (a) i poza (b) progiem wzbudzenia

Przepływ prądu

d

Półprzewodnik typu n

45⁰

GaAs

s

l

9⁰

Strumień światła

d_x

Półprzewodnik typu p

Źródło promieniowania - laser

l

d_y

---