LASERY
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
quantum mechanical model
E2 E2 E2
�
h
�
h
�
h
�
h
�
h
E1
E1
E1
absorption
spontaneous emission stimulated emission
3.0
model klasyczny
2.5
E2
2.0
Re{�}
1.5
� �
h h
1.0
0.5
Im{�}
E1
0.0
-0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15
nonresonant interraction
�-�0
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
Energia Er3+ w szkle
2
E
1.54 eV
3
E3
1.27 eV
Przejście bezradiacyjne
Pompa0.80 eV
980 nm
E2
1550 nm
1550 nm
In
E1
0
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
zwierciadło
częściowo
zwierciadło
emisje spontaniczne
przepuszczalne
promieniowanie
wyjściowe
atomy wzbudzone emisje wymuszone
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
Rodzaj lasera Ośrodek czynny Typowa moc Pompowanie
Długość fali [�m]
Gazowe:
argonowy jony argonu 0,48 (niebieski) od kilku watów do wyładowanie
0,51 (zielony) pojedynczych elektryczne
kilowatów
helowo-neonowy mieszanina 0,63 (czerwony) kilkanaście miliwatów j.w.
cząsteczek helu i
neonu
CO2 cząsteczki 10,6 (podczerwień) do kilkudziesięciu j.w.
dwutlenku węgla kilowatów
Cieczowe:
barwnikowy barwniki 0,2-1,0 przestrajany w do około 1 wata światło z lampy
organiczne np. zakresie od nadfioletu wyładowczej lub
rodamina przez zakres widzialny lasera
do podczerwieni
Na ciele stałym:
neodymowy jony neodymu w 1,06 (podczerwień) dziesiątki watów, światło z lampy
sieci krystalicznej maksymalnie do ok. 1 wyładowczej, diody
kryształu granatu kilowata lub lasera
lub w szkle półprzewodnikowego
tytanowo-szafirowy jony tytanu w 0,7-1,1 przestrajany setki miliwatów w światło z lasera
krysztale korundu od czerwieni do pracy ciągłej lub argonowego
(szafiru) bliskiej podczerwieni ultrakrótkie impulsy
światła
Półprzewodnikowe kryształ w zależności od ok. 10 miliwatów, prąd płynący przez
półprzewodnika budowy (od maksymalnie złącze p-n w
ze złączem p-n niebieskiego do pojedyncze waty (w kierunku
bliskiej podczerwieni) układach laserów przewodzenia
nawet kilowaty)
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
KRYSZTAA
Y:
ATOM
izolator półprzewodnik metal
pasmo przewodnictwa
E
E
E2
E1 "E "E
E0
pasmo walencyjne
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
PÓA
PRZEWODNIKI:
samoistny typu n typu p
E
E
E
+Ed
+"E
+Ea
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
p
n
E
Złącze p-n
x
p
n
E
Pole elektryczne -V
x
p
n
E
Pole elektryczne +V
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
x
heterozłącze
http://britneyspears.ac/lasers.htm
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
Dioda LED
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
Laser krawędziowy
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
NIEBIESKA OPTOELEKTRONIKA
Niebieski InGaN LED
1992
Niebieski laser 1.5 mW
1996
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
PIERWSZY POLSKI NIEBIESKI LASER
unipress
100000 8
250000 8
500000 8
10000 8
25000 8
50000 8
5000 8
5000 8
5000 8
5000 8
5000 8
5000 8
5000 8
5000 8
5000 8
5000 8
5000 8
5000 8
5000 8
5000 8
200000
400000
20000
40000
80000
4000
4000
4000
4000
4000
4000
4000
4000
4000
4000
4000
4000
4000
4000
8000
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
150000
300000
15000
30000
60000
3000
3000
3000
3000
3000
3000
3000
3000
3000
3000
3000
3000
3000
3000
6000
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
Akcja
100000
200000
10000
20000
40000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
4000
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2 laserowa
100000
10000
20000
50000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
2000
5000
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
405 410 415 420 425 0 100 200 300 400 500
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
Długość fali ( nm ) Natężenie prądu ( mA )
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Moc optyczna ( mW )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
Intensywność ( zliczenia / s )
OPTYKA NIELINIOWA
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
quantum mechanical model
E2 E2 E2
�
h
�
h
�
h
�
h
�
h
E1
E1
E1
absorption
spontaneous emission stimulated emission
E2
� �
h h
E1
nonresonant interraction
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
�
h
E2
�
2h
� �
h h
�
h
E1
E1
nonresonant interraction
two-photon absorption
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
nonlinear interaction
�1
�2
�2
�3 �4
�1
�3
three-wave mixing
four-wave mixing
(second order nonlinear process)
(third order nonlinear process)
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
Maxwell s equations in dielectrics
r r
"
E
"� E = -�0 H
"t
r
r r r
" "
r
r
"� H = �0 E + P
d = er
electric dipol moment
"t "t
r
r r
r
r
"d
" �"�0E = -" �" P
P = = �d
V
r
" �" �0H = 0
for monochromatic waves:
r r r r r r r r
r
P = �0 �(E)= �0 �( 1 )E + �0 �( 2 ) : EE + �0 �( 3 ) MEEE + ...
linear + second order + third order + &
(1) (1) (3)
Pm =
"� �mnEn + "� �mnk EnEk + "� �mnkl EnEk El + ...
0 0 0
n nk nkl
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
SFG second order nonlinearity
r( 2 r r
PNL ) = �0�(2) : EE
�2
E =
"E exp(i�mt - ikmz)+ c.c.
m
�3
�(2)EE = ... + E1E2 exp[i(�1 + �2)t - i(k1 + k2)z]
�1
*
+ E1E2 exp[i(�1 - �2)t - i(k1 - k2)z]+ ...
DFG
�2 � + �2� Second Harmonic Generation (SHG)
�1 + �2 �3 Sum Frequency Generation (SFG)
�2
�2 �3 - �2 �1 Diference Frequency Generation (DFG)
� - � 0 rectification
�3
� + 0 �electrooptical (Pockels) effect
�1
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
SFG
1 "2 "2
"2E - E = �0 P
c2 "t2 "t2
E =
"E (z)exp(i�mt - ikmz)+ c.c.
m
�2
�# ś#
"2
2
m
�3 - kmEm - ikm d Em + �2
ś# ź#
Em = �0ś#- �0�(1)�2 Em + PNL ź#
m
�1
dz c2 "t2
�# #
2
�1�(2)
d
ef
*
E1 = -i E2E3 exp(i"kz)
dz 2k1c2
DFG
�2
�2�(2)
d
2 ef
*
E2 = -i E1 E3 exp(i"kz)
dz 2k2c2
�2
�2
2
�3�(2)
d
ef
E3 = -i E1E2 exp(- i"kz)
�3
dz 2k3c2
�1
�1 + �2 = �3 "k = k1 + k2 - k3
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
phase mismatch
�1 �2 �3
n1 + n2 = n3 + "k
c c c
1.0 1.2
�1
"k = 0
"kz0=0
�2
1.0
0.8
"kz0=1
�3
0.8
"kz0=2
0.6
0.6
"kz0=10
0.4
0.4
0.2
0.2
0.0
0.0
012345
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
z/z0 z/L0
E1(z = 0) = E2(z = 0); E3(z = 0) = 0 E2(z = 0) = 0.01E3(z = 0); E1(z = 0) = 0
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
SHG
DFG
noncritical phase-matching
birefringent media
ne
�1 �2 �3
n1 + n2 = n3 + "k
c c c
no
�
2�
Frequency
critical phase-matching
�
ne
�
no
"k(�)
�
2�
Frequency
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
Refractive index
Refractive index
Maker Fringe Method
critical phase-matching
�
ne
�
no
"k(�)
�
2�
Frequency
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
Refractive index
" P.A. Franken, et al, Physical Review Letters 7, p. 118 (1961)
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
The actual published result&
The second harmonic Input beam
Note that the very weak spot due to the second harmonic is missing.
It was removed by an overzealous Physical Review Letters editor,
who thought it was a speck of dirt.
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
Optical Parametric Amplifier (OPA)
�
(�S)
�P
�I= �P -�S
�
�S
�P
�I
�S �S
�P
�S
�S
�P
�I
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
Autocorrelation
SHG
Slow
E(t)
detector
Vdet (� ) " A(2) (� )
E(t �)
ESH(t,� ) " E(t)E(t - � )
I(t)I(t)
ISH(t,� ) " I(t)I(t -� )
�1
I(t)I(t -�1)
"
�2
A(2) (� ) a" I(t)I(t - � )dt
I(t)I(t -�2)
+"
-"
�3
I(t)I(t -�3)
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki
�1
third order nonlinearity
r r r r
P(3) = �0�(3) MEEE
�2
�4
�1 ą �2 ą �3 �4 Four Wave Mixing (FWM)
�3
� + � + � 3� Third Harmonic Generation (THG)
� + 0 +0 �electrooptical (Kerr) effect
� + � - � � optical Kerr effect
�
�
n = n0 + n2I
�
�
� �
podstawy fotoniki
podstawy fotoniki