Niebieski powód do dumy

Treter Anna

Uniwersytet Humanistyczno-Przyrodniczy

Jana Kochanowskiego w Kielcach

1

LASER



Nazwa utworzona jako akronim od Light

Amplification by Stimulated Emission of
Radiation czyli wzmocnienie światła poprzez
wymuszoną emisję promieniowania.



Inaczej – generator światła,

wykorzystujący zjawisko emisji
wymuszonej.

2

Trochę historii



1954r. – powstał maser, czyli wzmacniacz

kwantowy (Microwave Amplification by
Stimulated Emission of Radiation).



1960r.- Theodore Maiman (USA) – zbudował

pierwszy laser, którego ośrodkiem czynnym
był rubin.



1963r. – powstał pierwszy polski laser

(gazowy He-Ne)



1996r. – S. Nakamura skonstruował niebieską

diodę laserową



1999r. – oficjalnie ruszyły prace nad polskim

niebieskim laserem.

3

LASER



Zasadniczymi częściami lasera są:



Ośrodek czynny



Rezonator optyczny



Układ pompujący



Układ pompujący dostarcza energię do

ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w
odpowiednich warunkach zachodzi akcja
laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie
fotonów a układ optyczny umożliwia wybranie
odpowiednich fotonów.

4

Podział laserów w
zależności od ośrodka
czynnego



Lasery gazowe:



He-Ne – helowo-neonowy (543nm lub 633nm)



Ar – argonowy (458nm, 488nm lub 514,5nm)



Azotowy (337,1nm)



Kryptonowy (647,1nm, 676,4nm)



Na dwutlenku węgla (10,6μm)

5

Podział laserów w
zależności od ośrodka
czynnego



Lasery na ciele stałym:



Rubinowy



Neodymowy na szkle



Neodymowy na YAG-u (YAG- Yttrium Aluminium

Garnet – granat itrowo-aluminiowy –sztuczny
kryształ)



Erbowy na YAG-u



Tulowy na YAG-u



Tytanowy na szafirze

6

Podział laserów w
zależności od ośrodka
czynnego



Lasery na cieczy



Lasery barwnikowe – ośrodkiem czynnym są

barwniki rozpuszczone w nieaktywnym środku
przezroczystym, np. rodamina.



Lasery półprzewodnikowe



Złączowe (diody laserowe)



Bezzłączowe

7

Lasery półprzewodnikowe



Laser półprzewodnikowy czyli dioda laserowa

działa podobnie jak diody świecące LED (skrót
od angielskiego light emitting diode).



LED zamieniają energię elektryczną na światło

widzialne lub promieniowanie podczerwone.



Źródłem światła jest złącze półprzewodnikowe

p-n.

8

Lasery półprzewodnikowe



Elektrony w paśmie przewodnictwa są

pobudzane do rekombinacji z dziurami w
paśmie walencyjnym.



Gdy zachodzi to zjawisko, elektrony oddają

energię odpowiadającą przerwie wzbronionej i
następuje świecenie. Do tych celów przydatne
są takie materiały jak arsenek galu lub azotek
galu, a także cienkie warstwy
półprzewodników.

9

Lasery półprzewodnikowe



Aby powstał laser należy tak uformować układ

aby powstał rezonator optyczny. Gdy do złącza
będą wstrzykiwane ładunki to może w nim
powstać proces laserowy i w wyniku
wymuszonych przejść z pasma przewodnictwa
do walencyjnego generuje się spójna wiązka
światła.



Zwierciadłami lasera mogą być krawędzie

kryształu.



Lasery półprzewodnikowe mogą być

miniaturowe i nie przekraczają długości 1 mm.

10

Pierwsze niebieskie
lasery



Najlepszym materiałem bazowym

odpowiedzialnym za emisję fali o długości
światła niebieskiego jest azotek galu GaN.



Okazało się, że wyhodowanie kryształu GaN o

idealnej strukturze niezbędnej do
prawidłowego działania lasera jest skrajnie
trudne.



Nie mogąc uzyskać GaN część laboratoriów

przestawiła się na badania selenku cynku,
związku o zbliżonych do GaN właściwościach,
lecz niższej gęstości dyslokacji, w większości
ośrodków prace wstrzymano.

11

Pierwsze niebieskie
lasery



Pierwsze lasery z azotku galu powstały na

podłożu szafirowym (Shuji Nakamura, 1996r).



Ułożenie cienkiej warstwy GaN na szafirze

wiąże się za każdym razem z defektem
otrzymanego kryształu – szafir ma o 15%
mniejszą stałą sieci krystalicznej niż GaN.



Powstaje ogromna liczba dyslokacji

(defektów), które prowadzą do istotnej
degradacji własności optycznych
konwencjonalnych struktur na szafirze.

12

Pierwsze niebieskie
lasery



Kryształ taki nie ma doskonałej struktury, co

bezpośrednio przekłada się na jakość lasera:



Laser Nakamury świecił pulsami, miał niewielką

moc i krótką żywotność.



Polepszenie własności strukturalnych tak

wytworzonego materiału jest trudne.

13

Sukces polskiej nauki



Zespół prof. Sylwestra Porowskiego z Centrum

Badań Wysokociśnieniowych PAN uzyskał
monokryształ azotku galu.



Dzięki temu uzyskano całkowitą zgodność

struktury podłoża.



Liczba dyslokacji ulega wówczas

zmniejszeniu nawet 100 tys. razy.

14

Nagroda Prezydenta RP



Prof. Sylwester Porowski wraz z zespołem

otrzymał nagrodę w kategorii „Najlepszy
wynalazek w dziedzinie produktu lub
technologii”.

15

Azotek galu GaN



Związek nie występujący w przyrodzie.



Monokryształy możemy otrzymać jedynie w

wysokich temperaturach, ok. 1500 stopni
Celsjusza oraz przy dużym ciśnieniu, ok. 15
tys. atmosfer.



Warunki te powodują przenikanie azotu do

roztopionego galu i jednocześnie powodują, że
liczba defektów nie przekracza 100/cm²



Wcześniej typowe wymiary kryształów GaN

wynosiły ok. o,1 mm, dzisiaj dochodzą do 2
cm.

16

Powstawanie azotku galu



Azot dysocjuje i rozpuszcza się w ciekłym

galu.



Atomy dyfundują w kierunku zimnych końców

tygla (prażenie)

17

Komora do krystalizacji
GaN

18

Azotek galu GaN



Kryształek GaN wyhodowany w Instytucie

Wysokich Ciśnień PAN

19

Jak się wytwarza
niebieski laser?



Kryształ GaN trzeba poddać dalszej obróbce-

nanieść warstwy innych związków
chemicznych– półprzewodników, metali i
izolatorów- które sterują przepływem prądu i
światła, tworząc właściwy laser.



Następuje nanoszenie kontaktów

elektrycznych do GaN o strukturze
przewodnictwa typu p. Ten etap składa się z
kilku faz:



Najpierw wykonuje się kontakty metodą

fotolitografii w postaci bardzo cienkich pasków.



Następnie dokonuje się trawienia mokrego,

metalizacji i trawienia suchego struktur.

20

Jak się wytwarza
niebieski laser?



Nakłada się warstwę izolacyjną tlenku krzemu

(SiO2), selektywnie usuwa się warstwę
izolacyjną.



Nakłada się warstwę złota.



Ostatni etap – fotolitografia i trawienie pól

podkontaktowych.



Nakładanie warstw odbywa się w urządzeniu

do epitaksji próżniowej (MBE)



Epitaksja- technika wzrostu nowych warstw kryształu
na istniejącym podłożu krystalicznym, która powiela
układ istniejącej sieci krystalicznej podłoża.

21

Jak się wytwarza
niebieski laser?



Naniesienie

dielektrycznych
warstw odbiciowych
na zwierciadła.



Montaż, połączenia

i testy struktur.

22

Wygląd układu
laserowego

23

Niebieska przyszłość



Problem komputerów w wysokich

temperaturach



Złącza p-n oparte na krzemie nie są odporne na

wysoką temperaturę – po przegrzaniu tracą
swoje właściwości



Przyrządy elektroniczne oparte na azotku galu

znoszą temperatury o kilkaset stopni wyższe

24

Niebieska przyszłość



Zwiększenie gęstości zapisu na dyskach

optycznych



Niebieskie światło ma większą częstotliwość niż

światło czerwone, a więc i krótszą długość fali
(420nm).



Zatem na standardowym 12-centymetrowym

dysku realne stanie się umieszczenie
czterokrotnie większej ilości informacji niż
dotychczas – co automatycznie przyczyni się do
miniaturyzacji płyt CD (oraz odtwarzaczy).



Płyty Fujifilm Blu-Ray o pojemności 25Gb

25

Niebieska przyszłość



CD- Compact Disc,

λ=780 nm

, d=1.6 μm,



Pojemność:



650MB, 700MB, 800MB,

1,4Gb- płyty
dwuwarstwowe.

26

d

Niebieska przyszłość



DVD –pozwala osiągać większe pojemności niż

CD poprzez większą gęstość zapisu.



Pojemność:



Od 4.7GB – jednowarstwowe, jednostronne

płyty



Do ponad 17GB – obustronne, dwuwarstwowe

płyty

27

λ=650 nm

, d=0.7 μm

d

Niebieska przyszłość



Blu-Ray – (także HD DVD) nowy format zapisu

optycznego. Podobny do płyt DVD, jednak
bardziej pojemny przez zastosowanie
niebieskiego lasera.



Pojemność:



25GB- jednowarstwowy



50GB- dwuwarstwowy



100GB- czterowarstwowy

28

λ=405 nm

, d=0.3 μm,

d

Niebieska przyszłość

29



Porównanie grubości nośników w zależności

od użytego lasera. (Na zdj. Mikroskopowe
powiększenie nośnika i plamki lasera).

Niebieska przyszłość



Telewizja przyszłości



Użycie niebieskiego lasera półprzewodnikowego

umożliwia zbudowanie prawdziwej telewizji
projekcyjnej



Tworzące ją urządzenia będą mniejsze, trwalsze

i mniej energochłonne od dotychczasowych
rozwiązań



Obraz – większy, wyraźniejszy, wierniejszy

kolorystycznie oryginałowi – będzie powstawał
w wyniku padania na ekran trzech promieni
laserowych (czerwonego, zielonego,
niebieskiego)

30

Niebieska przyszłość



Telewizja przyszłości



Pierwsze monitory kolorowe, montowane z

udziałem niebieskich diod przeszły z
powodzeniem próby i obecnie stają się
produktem dostępnym.



Największy płaski kolorowy monitor

półprzewodnikowy ma wymiary 10 na 15
metrów!

31

Telewizory laserowe

32

Niebieska przyszłość



Astronautyka



Odporność na wysokie temperatury umożliwi

stosowanie mniejszej ilości układów
chłodzących, a co za tym idzie – odciążenie
sond.



Sondy staną się bardziej niezawodne.

33

Niebieska przyszłość



Medycyna



Zastosowanie niebieskiego światła laserowego

umożliwi zarówno lepszą diagnostykę, jak i
samo leczenie.



Spektroskopia – czyli pobudzanie laserem

molekuł, co pozwala na łatwe ich rozpoznanie.
Niebieski laser emituje kwanty światła o energii
dwukrotnie większej od światła lasera
czerwonego i dlatego może pobudzać
nieporównywalnie więcej typów molekuł. Stąd
już tylko krok do szybszego rozpoznawania i
terapii nowotworów.

34

Niebieska przyszłość



„Lasery niebieskie i pracujące w ultrafiolecie

powodują luminescencję chorych tkanek różną
od tkanek zdrowych. Ze względu na to, że
energia fotonu niebieskiego jest większa od
czerwonego (w obecnych laserach
półprzewodnikowych), wzbudzona zostaje
luminescencja w większym zakresie
widmowym.”



Także do obróbki tkanek.



W stomatologii, dermatologii, chirurgii itd.

35

Niebieska przyszłość



Technologia wojskowa



Nawigacja



Broń energetyczna



Systemy obrony przeciwrakietowej



Łączność podwodna - lepsze latarki dla nurków

(światło niebieskie jest słabo absorbowane
przez wodę)

36

Niebieska przyszłość



Żołnierz mierzy celownikiem laserowym, laser

kieruje pociskiem laserowym prosto do celu.



Bomby precyzyjnie niszczą cele naziemne.

37

Niebieska przyszłość



Ochrona środowiska

38

Niebieska przyszłość



Drukarki laserowe (zwiększenie rozdzielczości

wydruku)



Skanery



Nowa generacja oszczędnych źródeł światła



Wykrywanie broni biologicznej i chemicznej



Telekomunikacja



Itd.

39

Bibliografia



„Laser niebieski” Piotr Wieczorek



http://www.forumakad.pl/archiwum/2002/01/a

rtykuly/17-bn-niebieski_powod_do_dumy.htm



http://www.sciaga.pl/tekst/59361-60-

niebieskie_swiatlo_laserowe



PC World Komputer „Państwo niebieskie”



„Optyka laserów” R. Jóźwicki



„Wstęp do fizyki laserów” F. Kaczmarek.

40