Niebieski laser
Wstęp
Niebieski laser półprzewodnikowy to potoczna nazwa diody laserowej zbudowanej na bazie azotku galu (GaN). Nazwa pochodzi od koloru światła, które emituje dioda. Nazwa ta jest zresztą w znacznym stopniu myląca ze względu na to, że najbardziej typowa konstrukcja tego lasera emituje światło o długość fali 405 nm. Oko ludzkie widzi takie światło jako fioletowe.
Zasada działania
Działanie lasera opiera się na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. Emisja wymuszona zachodzi gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej energii więc i częstotliwości (rysunek po lewej stronie). Proces taki przewidział teoretycznie Einstein w 1917 roku. Pierwszy laser, którego nazwa pochodzi od pierwszych liter angielskiego zwrotu Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation co w polskim tłumaczeniu brzmi "Wzmocnienie światła prze wymuszoną emisję promieniowania" zbudował dopiero w 1960 roku przez T. Maimana. Aby mogła zachodzić w dużych ilościach emisja wymuszona należy w ośrodku wzmacniającym stworzyć odpowiednie warunki, to znaczy spowodować, by więcej elektronów było w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym. Taki proces nosi nazwę inwersji obsadzeń (odwrócenia obsadzeń). Wtedy rezonansowy foton wyzwala emisje wielu fotonów naraz o tej samej fazie i częstotliwości. Aby to dokonać trzeba znaleźć taki materiał aby na pewnym poziomie wzbudzonym (na rysunku po prawej poziom E3) czas przebywania elektronu był dostatecznie długi. Taki poziom nazywamy poziomem metastabilnym. Do tej pory zbudowano wiele typów laserów i uzyskano efekt laserowy w setkach ośrodków czynnych (stałych, ciekłych i gazowych). Odwrócenie obsadzeń uzyskuje się za pomocą oświetlenia światłem (pompowanie optyczne), innym laserem, światłem błyskowym, wyładowaniem prądu w gazach, reakcjami chemicznymi albo wykorzystać rekombinację w półprzewodnikach.
Wzmacniacz laserowy zamienia się w generator, gdy ośrodek wzmacniający zostanie umieszczony w rezonatorze. Wówczas promieniowanie wprowadzone wzdłuż osi rezonatora odbija się od zwierciadła umieszczonego na jednym końcu rezonatora oraz od półprzeźroczystego zwierciadła na drugim końcu. Pomiędzy zwierciadłami fale są wzmacniane wskutek emisji wymuszonej. Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez półprzeźroczyste zwierciadło w postaci spójnej, monochromatycznej, równoległej wiązki światła o dużej mocy. Emitowana wiązka jest doskonale równoległa, bowiem fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami, szybko uciekają na boki ośrodka drgającego bez wzmocnienia.
Lasery znalazły wiele zastosowań; są na przykład używane do spawania, w medycynie np. chirurgii, holografii, drukarkach, telekomunikacji optycznej oraz do odczytywania informacji cyfrowej.
Niebieski laser półprzewodnikowy to potoczna nazwa diody laserowej zbudowanej na bazie azotku galu (GaN). Nazwa pochodzi od koloru światła, które emituje dioda. Nazwa ta jest zresztą w znacznym stopniu myląca ze względu na to, że najbardziej typowa konstrukcja tego lasera emituje światło o długość fali 405 nm. Oko ludzkie widzi takie światło jako fioletowe.
Historia:
Pierwsza półprzewodnikowa dioda laserowa została wytworzona przez Shuji'ego Nakamurę z japońskiej firmy Nichia Chemicals na przełomie roku 1995 i 1996]. Był to laser emisji krawędziowej, z warstwą aktywną zbudowaną ze studni kwantowych InGaN. Początkowo struktury te były wytwarzane na podłożach z szafiru, obecnie lasery mają podłoża z monokrystalicznego azotku galu.
Wkrótce po demonstracji Nakamury (firma Nichia) wiele firm i uniwersytetów japońskich i amerykańskich włączyło się do rywalizacji o stworzenie wydajnego i trwałego lasera półprzewodnikowego na azotku galu. Były to między innymi:
1996 Toshiba
1997 Fujitsu
1997 XEROX
1997 Cree razem z North Carolina State University
Konstrukcja niebieskiej diody laserowej na azotku galu:
Diody laserowe emitujące światło niebieskie zbudowane w oparciu o azotek galu są to przyrządy o emisji krawędziowej i typowej dla diod laserowych konstrukcji o rozdzielonym ograniczeniu przestrzennym pola i nośników (Separate Confinement Heterostructure - SCH). Światłowodem w takiej strukturze jest typowo warstwa azotku galu o szerokości 200-300 nm. Okładkami światłowodu są warstwy AlGaN o szerokościach od 500 do 2000 nm i zawartości aluminium od 5 do 10%. Warstwą aktywną (emitującą światło) są studnie kwantowe InGaN. Mają one szerokość około 3-4 nm i zawartość indu od 7 do 25% w zależności od pożądanej długości fali emisji. Podłożem dla takich laserów jest monokrystaliczny azotek galu.
Obecnie struktura laserowa narastana jest z reguły na powierzchni c kryształu azotku galu (związek ten krystalizuje w heksagonalnej strukturze wurcytu). Ze względu na to, że wzrost warstw lasera następuje wzdłuż polarnej osi c kryształu, struktury takie posiadają bardzo wysokie, wbudowane pola piezoelektryczne i piroelektryczne wpływające na własności optyczne przyrządów. Obecnie w wielu grupach prowadzi się prace nad wytwarzaniem struktur laserowych na niepolarnych lub tak zwanych semipolarnych powierzchniach kryształów GaN.
Od strony processingowej niebieskie diody laserowe wytwarzane są zwykle jako lasery wąskopaskowe (szerokość paska od 1,5-2 um), z trawioną mesą i izolacją tlenkową.
Lasery azotkowe montowane są w hermetycznych obudowach o rozmiarach 5.6 mm.
Lasery wytwarzane na azotku galu emitują światło w zakresie od bliskiego ultrafioletu do niebiesko-zielonego (370-500 nm), w zależności od składu chemicznego warstwy aktywnej. Gęstości prądu progowego w tych laserach są rzędu 2-5 kA/cm². Napięcia progowe wynoszą od 3,8 V do 5,5 V w zależności od konstrukcji lasera. Sprawności przyrządów są rzędu 0,8-1,8.
Lasery emisji powierzchniowej – VCSEL
Konstrukcja laserów emisji powierzchniowej na azotku galu (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) od dawna była celem wielu grup badawczych. Jednak konstrukcja tych przyrządów była niezwykle trudna ze względu na problemy w otrzymaniu monolitycznych zwierciadeł Bragga, posiadających zarówno dobre właściwości strukturalne, jak i zadowalające parametry elektryczne. Dopiero ostatnio dzięki zastosowaniu technik hybrydowych (użycie zewnętrznych zwierciadeł dielektrycznych) udało się grupie z Tajwanu zademonstrować po raz pierwszy taki laser. Wkrótce potem, firma Nichia zademonstrowała pracujący w temperaturze pokojowej azotkowy VCSEL
Niebieski laser w Europie
Badania nad azotkowymi diodami laserowymi w Europie rozwijane były w kilku ośrodkach. Poniżej podano daty kilku pierwszych demonstracji laserów opartych na azotku galu przeprowadzonych w Europie:
lipiec 1999, Osram OS w Ratyzbonie
grudzień 2001, CBW PAN "Unipress" Warszawa (obecnie IWC PAN)
maj 2002, Uniwersytet w Bremie (grupa prof. Detlefa Hommela)
Badania niebieskich laserów półprzewodnikowych prowadzone były w późniejszych latach również na uniwersytetach w Sheffield w Wielkiej Brytanii, Bath w Wielkiej Brytanii, w Instytucie Fraunhofera we Fryburgu i w Politechnice Federalnej w Lozannie (EPFL) - Szwajcaria
Jeśli chodzi o produkcję przemysłową laserów niebieskich w Europie, tylko dwie firmy obecnie przygotowują się do wdrożenia takowej. Są to niemiecka firma Osram OS i polska firma TopGaN, która jest przedsiębiorstwem spin-off Instytutu Wysokich Ciśnień w Warszawie. Obie wspomniane firmy mają zamiar rozpocząć seryjną produkcję w 2009 roku.
Polska technologia produkcji
W Polsce technologię niebieskich laserów na azotku galu rozwija Instytut Wysokich Ciśnień PAN w Warszawie i jego spin-off TopGaN Sp. z o.o. Ta technologia oparta jest na metodzie wysokociśnieniowej syntezy azotku galu, która umożliwia otrzymywanie podłoży o bardzo niskiej ilości dyslokacji. Polski niebieski laser został zademonstrowany w grudniu 2001. Od tego czasu trwają prace nad optymalizacją lasera i budowana jest linia produkcyjna. W tej grupie zademonstrowano również pierwszy laser niebieski wykonany ultraczystą technologią PAMBE (Plasma Assisted Molecular Beam Epitaxy).
Zastosowanie azotkowych diod laserowych
Pierwotnie głównym motorem rozwoju azotkowych diod laserowych było wytworzenie nowych systemów optycznego zapisu informacji. Obecnie produkowane systemy powszechnego użytku w standardzie Blu-ray do zapisu materiałów wizyjnych i danych posługują się tego typu diodami laserowymi. Urządzeniem wykorzystującym takie napędy są konsole Sony PlayStation 3. W zastosowaniach profesjonalnych (broadcastingowych) dużą popularność zdobył system XDCAM firmy SONY, który stosuje cyfrowy zapis i odczyt przy pomocy niebieskiego lasera na płycie zamkniętej w kasecie. Głównymi producentami tego typu diod w Japonii są: Nichia, Sony, Sanyo i Sharp.
Obecnie duże zainteresowanie przemysłu budzą diody laserowe o dłuższych falach emisji: 440-530 nm. Takie lasery mogą być wykorzystane jako składowe światła niebieskiego i zielonego w telewizji laserowej i mikro projektorach światła w telefonach komórkowych nowej generacji.
Przykładowe zastosowania laserów niebieskich:
Arsenek galu (GaAs), półprzewodnik niezbędny do wykonania niebieskiego lasera, może być produkowany metodami zbliżonymi do tych, opracowanych wcześniej dla krzemu. Płytki wykonane z tego materiału stanowią idealne podłoże, na którym, z ogromną precyzją, układa się atomy tworzące aktywną część lasera generującą światło, tzw. studnie kwantowe o grubości kilkunastu do kilkudziesięciu warstw atomowych. Ważne jest to, żeby podłoże nie posiadało defektów zwanych dyslokacjami, a odległości między atomami podłoża i w studniach kwantowych były takie same. Dla laserów czerwonych te warunki można stosunkowo łatwo spełnić. W przypadku półprzewodnikowych laserów niebieskich najlepszym podłożem jest inny półprzewodnik, azotek galu (GaN). Proces wytwarzania monokryształów GaN jest znacznie trudniejszy niż GaAs i podobny do procesu wytwarzania syntetycznych diamentów, gdyż zarówno diament jak i GaN powstają w niezwykle wysokich ciśnieniach i temperaturach. Ponadto dla GaN konieczne jest zastosowanie wysokiego ciśnienia gazowego azotu, co technicznie jest bardzo trudne. Proces wysokociśnieniowej krystalizacji GaN wydawał się niewykonalny i od lat 60. XX wieku próbowano zastąpić podłoża GaN łatwo dostępnymi podłożami szafirowymi. Niedopasowanie stałej sieci szafiru i osadzanego na nim azotku galu było powodem powstawania dużej ilości defektów strukturalnych (dyslokacji), co uniemożliwiało wykonanie wydajnych przyrządów generujących światło niebieskie
Szybki druk laserowy
Wyświetlacze i telewizja laserowa (aplikacje w trakcie rozwijania)
Diagnostyka medyczna
Urządzenia fotolitograficzne
Stosowane w dydaktyce astronomicznej wskaźniki laserowe
Bibliografia:
edu.oeiizk.waw.pl
student.wsu.kielce.pl