3.Fényforrások 3.1. Feketetest sugárzása. Hagyományos fényforrások. 3.2. Félvezető fényforrások. LED, OLED. 3.3. Stimulált, koherens sugárzás. 3.3.1. Gázlézerek.

Az előadások a következő témára: "3.Fényforrások 3.1. Feketetest sugárzása. Hagyományos fényforrások. 3.2. Félvezető fényforrások. LED, OLED. 3.3. Stimulált, koherens sugárzás. 3.3.1. Gázlézerek."— Előadás másolata:

1 3.Fényforrások 3.1. Feketetest sugárzása. Hagyományos fényforrások. 3.2. Félvezető fényforrások. LED, OLED. 3.3. Stimulált, koherens sugárzás. 3.3.1. Gázlézerek. 3.3.2. Folyadék lézerek. 3.3.3. Szilárdtest lézerek. 3.3.4. Félvezető lézerek. Alkalmazások: világitástechnika, kis- és nagyintenzitású lézerek, alkalmazások az infokommunikációs és ipari technológiákban, optoelektronikában, energetikában, haditechnikában.

2 Feketetest kisugárzása, spontán emisszió Gerjesztett elektronok az energiát kvantumokban sugározzák ki. Spontán kisugárzás – széles spektrum. ()= 2 g() / 8  s,, amely a félvezetők esetében ( E c és E v ) az ()= 2 g() / 8  r egyenlet szerint írható le, ahol  s és  r a spontán és az elektron-lyuk rekombinációs élettartamak, g() – az átmenet valószínüség sűúrűsége, 0 -nál centrálva (Lorentzian). Ehhez hasonló a () függvény is. Az emissziós átmenet két diszkrét E 1 és E 2 energiaszint között az átmenet keresztmetszetével jellemezhető: A vonal kiszélesedé a Heizenberg határozatlansági reláció ∆x∆p x ≥h/2 vagy ∆E∆t≥h/2, és az elektron-fonon kölcsönhatásnak köszönhető: hΔ = 1.3 meV, 1 ps ütközési időknél - frekvencia A feketetest minden sugárzást elnyel és minden frekvenciát sugároz !

3 A feketetest kisugárzott energiasűrűsége - +  spektrumintervallumban: ahol h- Planck állandó, k- Boltzmann állandó, c- a fény sebessége. Ha egy szteradiánnal számolunk, Nagyobb hőmérsékletű test teljes kisugárzott energiája nagyobb. A maximális kisugárzott energiához tartozó hullámhossz nagyobb a kisebb hőmérsékletű test esetén A Nap felszínének hőmérséklete  6000 K, ezért a sugárzás maximuma 470 nm közelében mérhető. szteradián The whole surface area is therefore 4π sr = 12.5664 sr, és mivel:,

4 Továbbá: 1.STEFAN-BOLTZMANN TÖRVÉNY : (a Planck-függvény integrálásával kapható) - a feketetest teljes kisugárzott energiája (E [W/m 2 ]) csak a sugárzó test hőmérsékletétől (T [K] – effektív hőmérséklet) függ: E = σ·T 4, ahol σ = 5,67·10 -8 Wm -2 K -4, Stefan-Boltzmann állandó 2. WIEN TÖRVÉNY: - a sugárzás eltolódási törvénye. -a maximális kisugárzott energiához tartozó hullámhossz [μm] csak a hőmérséklettől [K] függ: λ max = L / T, ahol L= 2898 μm.K Példáúl: Nap (T = 6100 K) λ max = 0,473 μm (kék szín), földfelszín (T = 15°C = 288 K) λ max = 10 μm (IR) Planck-görbék csúcsai rövidebb λ felé tolódnak növekvő T esetén (gyorsabban nő a nagyobb energiájú átmenetek száma, mint a kisebb energiájúaké) ( emlékezzünk erre a halógén izzó elemzésénél!)

5 1.Fényforrások a fotonikában: -hagyományos fényforrások – folyamatos és vonalas spektrummal rendelkezők (izzó, halógén, gőzkisülésű, fluoreszcens, fénycsövek), -LED: színes és fehér, - lézerek, erősítők (He-Ne, Nd:YAG, Ti:Al 2 O 3 ), - lézerdiódák (LD) (VCL, MQW, …) Történelem: -Égési folyamatok alkalmazása: gyertya, olaj, gáz. -Hősugárzás (IR optika): globar, szilícium karbid rúd, árammal fűtik 1255- 1922 K fokig, spektruma közel áll a feketetest kisugárzáshoz. -Szinkrotron, monokromatikus röntgen fényforrások ( gyűrűben gyorsított elektronok sugárzása) vagy más, nukleáris folyamatok eredménye. -Elektromos kisüléses fényforrások ( Hg, Na, Xe) -Foszforeszcens -Elektrolumineszcens. -Szilárdtest- és gáz lézerek. -Félvezető eszközök.

6 Izzó (incandencent): hagyományos – halogén - reflektoros Hőmérséklet: Nap – 6000K, Izzók – 2600 - 3100 K. Spektrum – folyamatos. Hatásfok – néhány százalék, 12 lumen/Watt Színtartomány index 1A. Élettartam <2000 óra. Fejlesztés : wolfram-halogén izzó -wolfram szál és halogén gáz (I) töltés ! -az elpárolgott wolfram atomok oxihaloidot képeznek a falon, majd újra beépülnek a szálba, nem csak a hibásabb részbe ! -hatásfok akár 80 lumen/watt (mert magasabb a szál hőmérséklete !) -színtartomány index 1A -élettartam  4000 - 10000 óra

7 Fluoreszcens – meleg katód A ballaszt feladata: - magas indító feszültség, -áram stabilizálás Spektrum: a foszfor függvénye Fejlesztés: kompakt cső, ballaszt – a kerámia tokban Alacsonynyomású Na gőz lámpa 23 kV indító feszültség, 80% hatásfok. Hg gőz kisülés: 65 % 253,7 nm, 10-20 % 185 nm Magasnyomású Na gőz lámpa - kerámia cső, Xe, Hg, Na töltés, - hatásfok 60-80 lm/W, - élettartam 24000 óra Hg gőz lámpa – egyik legrégibb, -töltés Hg és Ar, -hatásfok 30 -65 lm/W -vonalas spektrum -élettartam 16000 -24000 óra A fém-haloid lámpák hasonlítanak a Hg gőz lámpához, csak tartalmaznak még Na/ ScI, néha ritkaföld fém elemeket és halógéneket. Foszfor: 3Ca 3 (PO 4 ) 2.Ca(F, Cl) 2.Sb, Mn. A Hg 253,7 nm vonala gerjeszti a Sb: 480 nm + Mn:580nm sugárzást. Nixie cső, digitális kijelző (Ne kisülés).

8 Hagyományos fényforrások összehasonlítása: A táblázatban felsoroltak és hasonló fényforrások alkalmazása az optoelektronikában, fotonikában korlátozott: nem monokromatikusok, nem koherensek, nagy a méretük és a fogyasztásuk. A szilárdtest, félvezető fényforrások paraméterei messze túlhaladják a felsoroltak többségét, és integrálhatók a fotonikai eszközökbe.

9 Spontán emisszió, több energiaszint közötti átmenetek, amelyek energiája és fázisa különbözik – fehér fény, illetve széles sávú spektrumok. Példák: fluoreszcencia (gyors lecsengés), foszforeszcencia (hosszú lecsengés), elektrolumineszcencia, fotolumineszcencia, kemolumineszcencia, tribolumineszcencia, stb. A gerjesztés energiáját biztosító folyamat adja a nevet. Legelterjedtebben alkalmazzák az elektro- illetve katódlumineszcenciát (kijelzők, TV-csövek). Potenciális görbék modellje – centrumbeli sugárzó és nemsugárzó átmenetek Szervetlen vékonyréteg elektrolumineszcens eszközök (thin-film EL (TFEL)) anyagai: ZnS:Mn (sárgás-narancs szín),ZnS: Cu, Ag. Gyémánt C: B, InP, GaAs, GaN, Porózus Si!!- nanotechnológia ! Szerves félvezetők: [Ru(bpy) 3 ] 2+ (PF 6 - ) 2, ahol bpy - 2,2'-bipyridin E  10 5 V/cm

10 Spontán emisszió: félvezető fényforrások Két energiaszint között a spontán emisszió p valószínűség- sűrűsége V egységnyi térfogatban /s : p=c ()/V, és egyenlő az elnyelés valószínűségével, hasonlóan leírva, () a kölcsönhatás keresztmetszete. A félvezetőben, egyensúly esetén a rekombináció sebessége R=r.n.p, ahol r- a rekombinációs együttható, (cm 3 /s). Akkor az egyensúlyi termikus G 0 és foto-gerjesztés G összege: G 0 +G= R, és R=∆n/, ahol  =1/r(n 0 +p 0 )+∆n, rekombinációs időállandó. A nemegyensúlyi (pld. a p-n átmenetbe injektált ) hordozók koncentrációjának változása : d(∆n)/dt =G-∆n/. A p-n átmenet belső kvantumhatásfoka:  =  ns /( s + ns ), azaz a sugárzásos és nemsugárzásos átmenetek aránya.

11 LED paraméterek -Monokromatikus, de széles a spektrum vonaluk -Nem koherens -Kicsiny a teljesítmény -Olcsó!! Típusok: oldal-: és felület-sugárzók: Tipikus kisugárzott energia: 1-10 mW FWHM: 50-100 nm Sugár divergenciája: 120 fok FWHM (felület sugárzó) 30 fok FWHM (oldal sugárzó) Kisugárzott fotonfluxus:  0 =  e  i,  i=  i /e, ahol  i a belső hatásfok (gerjesztett foton/injektált elektron),  e a kivonás hatásfoka. AlGaAs – vörös és IR AlGaP - zöld AlGaInP- sárga- narancs-zöld GaN - zöld, kék InGaN - UV, kék AlGaN - UV

12 A magas hatásfokú LED struktúrákat epitaxiális rétegnövesztéssel gyártják GaInN/GaN, AlInN/GaN, AlGaN/GaN –típusú kvantumgödrös struktúrákból. Hátrányuk: jelentősen veszítenek hatásfokukból az áram növekedésével, néhány 10 A/cm 2 fölé. A veszteségeket az injektált hordozók nem-sugárzásos Auger-rekombinációja okozza, amely nagy injekciós áramoknál növekszik. Ha megfelelő adalékolási technológiával változtatunk a heteroátmenet energia-diagramján, csökken az ilyen rekombináció, növekszik a hatásfok nagy intenzitásoknál is! Az adott nitridek kombinácójával a dupla heteroátmenetű LED 3,2-3,5 eV (UV-kék) tartományban emittál.

13 OLED, fehér LED Szerves anyagok : pld.Tris(8-hydroxy-quinolinato) aluminium (AlQ). Pentacen: OLED hátrányok: - kiégési folyamatok - rövid élettartam

14 Stimulált emisszió A stimulált emisszió esetében a foton emisszió valószínűség sűrűsége (egységnyi térfogatban) egy keskeny frekvenciasávban egyenlő: W st ()d = Φ 2 g()d / 8 , ahol Φ a fotonfluxus sűrűsége, g() – az átmenet valószínűség sűrűsége, 0 -ra centrálva, - frekvencia. g()d – annak a valószínűsége, hogy az atom emittál (vagy elnyel) egy fotont a -+d frekvencia intervallumban. g( ) - a valószínűség eloszlása (integrál) az egész frekvenciatartományra. Hasonló hullámhossz, fázis, polarizáció! Ha A 21 (s -1 ) a spontán emisszió együtthatója, B 21 (sr·m 2 ·J -1 ·s -1 ) a stimulált emisszió együtthatója B 12 (sr·m 2 ·J -1 ·s -1 ) az abszorbciós együttható és Bij együttható jellemzi a stimulált emissziót vagy elnyelést az i és j szintek között, akkor az N 2 populáció változása egyensúlyban: (1),ahol ρ(), J-cm –3 -Hz- 1 a fotontér energia sűrűsége 

15 Az (1) egyenletből a relatív állapot populáció: (2) (3) és emlékezve a Planck egyenlet kisugárzott energiasűrűségre: (4) Einstein féle valószínűségi együtthatók. Ismert leírásban az egyensúlyi sugárzás intenzitása: - a két valószínűségi együttható, B 21 és B 12 aránya Tehát, bármilyen lézer működéséhez szükséges az inverz populáció kialakulása.

16 Elektronátmenetek az aktív közegekben Léteznek több metastabil energiaszinttel (elektronállapottal) rendelkező atomok, anyagok, rendszerek, ami több hullámhosszú sugárzást eredményez (pld. Ar ion, He-Ne lézerek).

17 Gázlézerek általános elv: He-Ne : 10:1 arány, 1 torr nyomás, a sugárzást a Ne adja, hullámhosszak: 632,8 nm, 1150 nm, 3390nm. Teljesítmény – mW. (holográfia!). Nitrogén : 337 nm (UV) Argon : 488, 514,5 nm, további vonalak, akár 50 W! (holográfia,…) CO 2, CO (N 2 elegy): 10,6 m, nagy teljesítmények (100kW is)!! Anyagmegmunkálás, medicina, haditechnika... Excimer :( excited dimer) olyan dimer, amely gerjesztett elektronállapotban stabil, de alapállapotban nem. Pl. Xe 2 molekula. ArF-193 nm,KrF-248 nm,XeF- 351 nm, KrCl-222 nm – fontosak a nanolitográfiában ! Fém gőz: He-Cd -441,5 nm, 325 nm. Gázlézereken kívül: folyadéklézerek, aktív közeg: Rhodamin (610,640 nm), Coumarin (440,480, 503 nm), stb.

18 Az aktív közegnek megfelelően a lézerek lehetnek: -szilárdtest, -gáz, -folyadék -valamint a szilárdtest (félvezető) lézerek egész sora. Történelmileg a rubin lézer volt az első működő (1960, Theodore Maiman, USA). Rubin: Al 2 O 3 + 0,03%(vagy 0,05%)Cr 2 O 3. Sugárzás : 694.3 nm További szilárdtest lézerek: Nd:YAG (Y 3 Al 5 O 12 )- 1.064 μm, (1.32 μm), 10 25 - 10 26 Nd-ion/m 3 Er:YAG - 2.94 μm, Titán-Zafir - 650-1100 nm, … Alkalmazás: kutatás, frekvencia-konvertálás, anyagmegmunkálás, medicina,… Aktuális: Neodim- üveg extrém teljesítményű Shiva és Nova lézereket alkalmaztak a Lawrence Livermore Laboratóriumban a deuterium- tricium fúzió kísérletekben. Cr

19 A lézerek egyes fajtái folyamatos vagy impulzusos módban működnek (folyamatos gerjesztés –kisugárzás, CW, vagy impulzusos gerjesztés). A longitudinális lézermódusok szinkronizálása, „összecsatolása” (mode-locking) lehetővé teszi a rövid, akár 10 -12 s, intenzív impulzusok előállítását CW -  s - ns - ps - fs ! Hullámhosszak: röntgen – IR. Egy másik megoldás:Q-switch. Az inverz populáció gerjesztése közben nincs visszacsatolás (a rezonátor tükör elmozdul), majd beáll a rezonancia, pozitív visszacsatolás – stimulált emisszió egy rövid, 10 – 200 ns és nagy energiáju (akár MW) impulzusban. Ehhez az kell, hogy a metastabil szinten az élettartam elég nagy legyen a modulációhoz képest

20 http://www.cvimellesgriot.com/Products/Documents/Capabilities/CVIMG_Laser Capabilities.pdf A piacon elérhető lézerek hullámhossz és maximális kisugárzott energia szerinti eloszlása.

21 Szilárdtest, félvezető lézerek A félvezető párhuzamos polírozott felületei képezik a rezonátor tükröket (r > 90%). A középső réteg – egy hullámvezető, melyben egy vagy több módus terjed. Degradáció: Élettartam csökken az áramsűrűség és a hőmérséklet növekedésével.

22 Kvantum struktúrák:

23 DPSS lézerek Például: Nd:YVO 4 kristályt 808 nm pumpáljuk egy AlGaAs lézerrel, a kristály 1064 nm sugároz, ezt a fényt egy KTP kristállyal 532 nm – zöld fényre konvertáljuk. Küszöbáram 300 mA, munka 500 mA, hőmérséklet kontrol Peltier elemmel. Hullámhossz : a kék- zöld tartományban, Teljesítmény : mW – W. Zöld lézer pointer szerkezete.

24 Paraméterek összehasonlítása: LED: kis energia, hosszabb élettartam, kisebb hőmérsékletfüggés, de széles spektrum, nem koherens LD : nagy energia, keskeny spektrum, koherens, de hőmérsékletre érzékeny, instabilitás MQW lézer: kisebb hőérzékenység, kisebb áram, feszültség, komplikált gyártás VCSEL lézer: egy módus, nem nehéz technológia, de nagyobb fogyasztás Chirpelés: az áram modulációjával modulálható az intenzitás és a frekvencia. Az elektronok sűrűségének változása a törésmutató valós n r és képzetes n i részének a változásához vezet. A chirpelés  paraméterrel jellemezhető:, ahol N az elektronok sűrűsége. Nagyobb N több csirpelést jelent.  1-3 csak a nagyon jó lézerekre jellemző.

25 Teszt kérdések: 1.A feketetest maximális emisszió hullámhossza: A- arányos a hullámhosszal B- fordítottan arányos a hullámhosszal C- a hőmérséklet negyedik hatványával arányos ! D- fordítottan arányos a hőmérséklet negyedik hatványával 2. A fluoreszcencia hullámhossza: A- rövidebb a gerjesztésnél B- hosszabb a gerjesztésnél C- egyenlők D- nem függenek egymástól 3.Mi kényszeríti a lézersugarakat egy irányba? A- a rezonátor tükrök B- az atomok sugároznak egy irányba C- az atomok rendeződve vannak és egy irányba sugároznak D- egy lencse

26 Teszt kérdések: 4. Planck-görbék csúcsai : A. rövidebb λ felé tolódnak növekvő T esetén B. hosszabb λ felé tolódnak növekvő T esetén C. nem változik a hullámhossz D. kiég az izzó a nagy hőmérséklettől. 5. Mi a szerepe a halogénnek a halogén-izzóban ? 6. Mire kell az indító feszültségimpulzus a fénycsőben ? 7. Miért nem koherens egy LED sugárzása? 8. Mitől lesz koherens egy lézerdióda sugárzása? 9. Miért kell a küszöbáram felett működtetni a lézerdiódát ? 10. Mi a szerepe a He-gáznak a He-Ne lézerben? 11. Mi a szerepe a Cr-ionoknak a rubin lézerben? 12. Kellenek e rezonátor – tükrök egy folyadék lézerbe?