Lézerek Nagy Szilvia.

Slides:



Advertisements
Hasonló előadás
„Esélyteremtés és értékalakulás” Konferencia Megyeháza Kaposvár, 2009
Advertisements

Az optikai sugárzás Fogalom meghatározások
Erőállóképesség mérése Találjanak teszteket az irodalomban
5. GÁZLÉZEREK Lézeranyag: kis nyomású (0, Torr) gáz, vagy gázelegy Lézerátmenet: elektronszintek között (UV és látható lézerek) rezgési szintek.
Optikai Átviteltechnikai alapok
Műveletek logaritmussal
E képlet akkor ad pontos eredményt, ha az exponenciális tényező kitevőjében álló >>1 feltétel teljesül. Ha a kitevőben a potenciálfal vastagságát nanométerben,
Az elektronika félvezető fizikai alapjai
A térvezérelt tranzisztorok I.
FÉLVEZETŐ-FIZIKAI ÖSSZEFOGLALÓ
Utófeszített vasbeton lemez statikai számítása Részletes számítás
Napenergia-hasznosítás
Szilárd anyagok elektronszerkezete
Anyag hullámtermészete
A FÉMEK ÁLTALÁNOS JELLEMZÉSE
Mérés és adatgyűjtés laboratóriumi gyakorlat Karakterisztikák mérése 1 Makan Gergely, Mingesz Róbert, Nagy Tamás V
Elektronikai Áramkörök Tervezése és Megvalósítása
Virtuális méréstechnika 12. Óra Karakterisztikák mérése November 21. Mingesz Róbert v
Mérés és adatgyűjtés laboratóriumi gyakorlat levelező 4. Óra Karakterisztikák mérése November 23. Kincses Zoltán, Mellár János v
Félvezető technika.
MIKROELEKTRONIKA 3. 1.Felületek, felületi állapotok. 2.Térvezérlés. 3.Kontakt effektusok a félvezetőkben. 4.MES átmenet, eszközök.
Védőgázas hegesztések
Fantasztikus fény: A LÉZERFÉNY
Hősugárzás Radványi Mihály.
Készült a HEFOP P /1.0 projekt keretében Az információtechnika fizikája XI. Előadás Félvezetők fizikája Törzsanyag Az Európai Szociális.
Ma sok mindenre fény derül! (Optika)
Spektroszkópiai alapok Bohr-féle atommodell
4. Félvezetőlézerek Lézerközeg: p-szennyezett és n-szennyezett félvezető anyag közötti határréteg Az elektromos vezetés szilárdtestfizikai alapjai szükségesek.
szakmérnök hallgatók számára
4. Félvezetőlézerek Lézerközeg: p-szennyezett és n-szennyezett félvezető anyag közötti határréteg Az elektromos vezetés szilárdtest-fizikai alapjai szükségesek.
3. A HIDROGÉNATOM SZERKEZETE A hidrogénatom Schrödinger-egyenlete.
Lézerspektroszkópia Előadók: Kubinyi Miklós Grofcsik András
2. A KVANTUMMECHANIKA AXIÓMÁI 1. Erwin Schrödinger: Quantisierung als Eigenwertproblem (1926) 2.
2. Félvezetőlézerek Lézerközeg: p-szennyezett és n-szennyezett félvezető anyag közötti határréteg Az elektromos vezetés szilárdtest-fizikai alapjai szükségesek.
ATOMOPTIKA atomok terelése: litografált rácsokkal, diafragmákkal stb, erős fényerőkkel (rezonanciától elhangolt erős lézerfény) > 0 („kék elhangolás”)
Kómár Péter, Szécsényi István
5. GÁZLÉZEREK Lézeranyag: kis nyomású (0, Torr) gáz, vagy gázelegy Lézerátmenet: elektronszintek között (UV és látható lézerek) rezgési szintek.
Kubinyi Miklós ) Lézerspektroszkópia Kubinyi Miklós )
3. A HIDROGÉNATOM SZERKEZETE
Lézerek alapfelépítése
12. előadás A fémek vezetőképessége A Hall-effektus Kristályok
Kvantumelektrodinamika
ZnO réteg adalékolása napelemkontaktus céljára
Félvezető fotodetektorok és napelemek elmélete és gyakorlati megvalósítása 1 dr. Mizsei János,
Félvezetők dr. Mizsei János, 2010 Egyedi atom:
MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 Félvezető fizikai alapok.
A félvezetők működése Elmélet
QualcoDuna interkalibráció Talaj- és levegövizsgálati körmérések évi értékelése (2007.) Dr. Biliczkiné Gaál Piroska VITUKI Kht. Minőségbiztosítási és Ellenőrzési.
FÉNYEMISSZIÓ, FÉNYFORRÁSOK, FÉNYKELTŐ ESZKÖZÖK
Az elektromos áram.
MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306
Interaktív ktv hálózatok SZÉCHENYI I. EGYETEM Távközlési Tanszék 1 AKTÍV OPTIKAI ESZKÖZÖK.
Készült a HEFOP P /1.0 projekt keretében Az információtechnika fizikája XIV. Előadás KVANTUMOPTIKA ÉS KVANTUMELEKTRONIKA Törzsanyag.
Optikai Átviteltechnikai alapok
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Optikai meghajtók Göllei Máté.
Spektroszkópia Analitikai kémiai vizsgálatok célja: a vizsgálati
Vevők, erősítők, passzív eszközök
ATOMOPTIKA atomok terelése: litografált rácsokkal, diafragmákkal stb, erős fényerőkkel (rezonanciától elhangolt erős lézerfény) > 0 („kék elhangolás”)
Készült a HEFOP P /1.0 projekt keretében Az információtechnika fiziája X. Előadás Szilárdtestek fizikája Törzsanyag Az Európai Szociális.
Molekula-spektroszkópiai módszerek
Korszerű anyagok és technológiák
Optikai mérések műszeres analitikusok számára
Napelemek laboratórium 1. gyakorlat
foton erős kölcsönhatása
KITEKINTÉS Elektronika I.
Optikai mérések műszeres analitikusok számára
A lézerek működése Segédanyag a „Barangolás Tudásvárosban” élménytábor „Izgalmas modern fizikai kísérletek” előadásához Dr. Majár János.
Előadás másolata:

Lézerek Nagy Szilvia

Tartalom működés atomi energiaszintek populációinverzió tulajdonságokk alkalmazás atomi energiaszintek populációinverzió energiasávok szilárdtestekben félvezető heteroátmenetek kvantum well lézerek VCSEL-ek Interaktív KTV 2008

A lézerek tulajdonságai Monokromatikus fény – kis sávszélesség Kis divergencia – keskeny, irányított nyaláb Koherens nyaláb – a fotonok közel azonos fázisúak Többnyire nem túl nagy teljesítmény nagy teljesítménysűrűség nem nagyon hatékony energiaátalakítás Interaktív KTV 2008

Felhasználás Anyagfeldolgozás – vágás, fúrás, hőkezelés, olvasztás, … Optikai jelek olvasása – CD, vonalkód, … Grafika – nyomtatók, színelválasztók, nyomtatási lemezek, sablonok, … Laboratórium, mérések Orvoslás – vérzés nélküli szike, tumor roncsolás, … Katonai – célzók, keresők, … Hírközlés Interaktív KTV 2008

A lézerek működése Mi kell a lézerek működéséhez Lézer erősítő – optikai erősítés Optikai rezonátor – pozitív visszacsatolás a fény optikai teljesítménye visszaverődés előtt: P visszaverődés után: (1−t1)P reflexió Interaktív KTV 2008

A lézerek működése Mi kell a lézerek működéséhez Lézer erősítő – optikai erősítés Optikai rezonátor – pozitív visszacsatolás új fotonok keletkeznek visszaverődés optikai erősítés: P g∙ℓ∙P Interaktív KTV 2008

A lézerek működése Mi kell a lézerek működéséhez Lézer erősítő – optikai erősítés Optikai rezonátor – pozitív visszacsatolás t2∙P (1−t2)P Interaktív KTV 2008

A lézerek működése Teljesítmény egy körben P ℓ Interaktív KTV 2008

Zajforrások RIN (Relative Intensity Noise) random amplitúdófluktuáció zajteljesítmény 1MHz-es sávban/össztelj. -160dB/Hz, amin a visszavert hullámok sokat rontanak: izolátorok Chirp – mellékhullám moduláció: kicsi frekvenciamoduláció - ciripelés nagyobb CSO hőmérsékletváltozás eltolódó karakterisztika Interaktív KTV 2008

Atomi energiaszintek A Schrödinger-egyenlet megoldása szerint kvantált sajátenergiák hozzájuk rendelhető hullámfüggvények 2. gerjesztett állapot 1. gerjesztett állapot alapállapot Interaktív KTV 2008

Atomi energiaszintek Ha egy energiájú foton kölcsönhat egy atommal, egy elektron az Em szintről az En energiaszintre gerjesztődhet: foton abszorpció – relatív gyakoriság: foton Interaktív KTV 2008

Atomi energiaszintek Egy gerjesztett elektron az Em szintről az alacsonyabb En szintre tud relaxálódni, miközben egy fotont bocsát ki, melynek energiája: spontán emisszió – relatív gyakoriság: foton – random irány spontán élettartam Interaktív KTV 2008

Atomi energiaszintek Ha egy energiájú foton egy olyan atommal hat kölcsön, melynek egy gerjesztett elektronja van az En szinten, a foton az elektront az En szintre való lépésre késztetheti indukált emisszió foton 2 foton – azonos irány, azonos fázis Interaktív KTV 2008

Atomi energiaszintek Az indukált emisszió sokkal a spontán élettartam vége előtt létrejöhet. indukált emisszió: egy foton be két foton ki Az optikai erősítő megvalósítható olyan atomok halmazaként, melyeknek sok elektronja van ugyanabba a hosszú spontán élettartamú állapotba gerjesztve. Interaktív KTV 2008

Atomi energiaszintek Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation A rezonátor többnyire sokkal hosszabb a fény hullámhosszánál (több lehetséges módus). Upper Laser Level Lower Laser Level Interaktív KTV 2008

Atomi energiaszintek Egyensúlyban a relatív gyakoriságokra igaz: Így a hn energiájú fotonok sűrűsége relatív betöltési valószínűség Interaktív KTV 2008

Populációinverzió Termodinamikai egyensúlyban az állapotok betöltöttsége a Boltzmann-tv szerinti: a relatív betöltöttség így Interaktív KTV 2008

Populációinverzió A fotonsűrűséget a fekete test sugárzás eredményeivel összehasonlítva: Interaktív KTV 2008

Populációinverzió Termodinamikai egyensúlyban az állapotok betöltöttsége a Boltzmann-tv szerinti: Ha Bmn=Bnm, egyensúlyban az abszorpció relatív gyakorisága sokkal nagyobb, mint az indukált emisszióé Interaktív KTV 2008

Populációinverzió valahogy a felső lézer szinten (ULL) lévő elektronok számát meg kell növelni populációinverzió jön létre A részecskék nem termodinamikai egyensúlyban vannak Interaktív KTV 2008

Populációinverzió A populációinverzió létrehozása az elektronokat egy rövid spontán élettartamú energiaszintre gerjesztjük: pumpálás a pumpálási szintről (pumping level) az elektronok a felső lézer szinre (upper laser level) relaxálódnak, melynek nagy a spontán élettartama a felső lézer szinten elektronok halmozódnak fel PL ULL LLL GS Interaktív KTV 2008

rövid spontán élettartam Populációinverzió Háromszintű lézer Négyszintű lézer pumping level pumping level upper laser level upper laser level lower laser level = lower laser level ground state ground state rövid spontán élettartam Interaktív KTV 2008

Populációinverzió Populációinverzió létrehozásának módjai speciális szűrők elektromos pumpálás direkt elektromos kisülés rádiófrekvenciás tér elektronsugár p-n heterostruktúra optikai pumpálás kémiai pumpálás nukleáris pumpálás Interaktív KTV 2008

Energiasávok szilárdtestekben Szilárdtestekben az atomi nívók kiszélesednek energiasávok jönnek létre vibrációk (és rotációk) a kristályban az energiaszintek momentumfüggése degenerált állapotok felhasadása, … vezetési sáv (conduction band) tiltott sáv (gap) – nincsenek elektronok valenciasáv (valance band) Interaktív KTV 2008

Energiasávok szilárdtestekben A Fermi-szint a legmagasabb olyan energiaszint, amely betöltött: a Fermi-szint a vezetési sávban fém a Fermi-szint a gapben szigetelő fém szigetelő (félvezető) Interaktív KTV 2008

Energiasávok szilárdtestekben Nem 0 hőmérsékleten a Fermi-szint nem szigorú: a betöltési valószínűség Fermi-Dirac statisztikát követ T = 0 K T > 0 K f(E) f(E) Interaktív KTV 2008

Energiasávok szilárdtestekben Így ha egy szigetelő tiltott sávja nagyobb mennyiségű elektron lehet jelen a vezetési sávnban: vezetési sáv gap vezetési sáv félvezető szigetelő Interaktív KTV 2008

Energiasávok szilárdtestekben Egy kristályban az energiaszintek függenek a k hullámszámtól (kvázimomentum): c.b c.b indirektgap direkt gap v.b v.b momentum megmaradás nincs foton kibocsátás nem kell momentumot vinni foton emisszió lehet Interaktív KTV 2008

Heterojunctions in semiconductors töltéshordozók vihetők a félvezetőkbe adalékolással (doping): V főcsoport atomjai: elektronok n-típus III főcsoport atomjai: lyukak p-típus vezetési sáv lokalizál akceptor/donor nívók p-típus n-típus vegyértéksáv Interaktív KTV 2008

Heterojunctions in semiconductors Ha egy n típusú és egy p típusú réteg kontaktusba kerül, az érintkezés közelében a pozitív és negatív töltéshordozók rekombinálódhatnak fotonok keletkezhetnek potenciálgát alakul ki nincs rekombináció Interaktív KTV 2008

Heterojunctions in semiconductors Ha egy n típusú és egy p típusú réteg kontaktusba kerül, A rekombinációmegáll, hacsak nem alkalmazunk külső feszültséget: LED rekombináció lehetséges: aktív régió Interaktív KTV 2008

Heterojunctions in semiconductors az egyszerű heteroátmeneteknek vannak hátrányai: a rel. nagy térbeli kiterjedés miatt nagy áramok kellenek a populációinverzió fenntartásához nagy hő termelődik, akár az eszközt is tönkreteheti Megoldás: szorítsuk be a nagy áramú részt kicsi helyre dupla heteroátmenet Interaktív KTV 2008

Heterojunctions in semiconductors A kettős heteroátmenet a populációinverziót kis térbeli tartományba korlátozza, két különböző tiltott sávval (D1 és D2) rendelkező félvezető alkalmazásával: aktív réteg Interaktív KTV 2008

Heterojunctions in semiconductors A dupla heteroátmenet félvezetői nemcsak a D1, D2 tiltott sávjukban, hanem az n1 és n2 törésmutatójukban is különböznek: aktív réteg a lézersugár is lokalizált x irányban Interaktív KTV 2008

Heterojunctions in semiconductors A dupla heteroátmenet mind a populációinverziót, mind pedig a lézernyalábot lokalizálja kevesebb hő elektróda szubsztrát, p típus p típus, D2 aktív réteg, D1 n típus, D2 szubsztrát (n típus/adalékolatlan) Interaktív KTV 2008 elektróda

Heterojunctions in semiconductors Azért, hogy ne keletkezzenek mechanikai feszültségek a kristályban, a rétegeknek hasonló rácsállandóval kell rendelkezniük. példák p-GaAs, p-InGaAsP,… p-Ga0,7Al0,3As, p-InP,… Ga0,95Al0,05As, InGaAsP,… n-Ga0,7Al0,3As, n-InP,… n-GaAs, n-InP,… Interaktív KTV 2008

Heterojunctions in semiconductors A vékony rétegeknek igen pontos vastagsággal kell rendelkeznie, pontos növesztési eljárások szükségesek: fémorganikus kémiai párologtatás (metal-organic chemical vapor deposition) molekulasugaras epitaxia (molecular beam epitaxy) Interaktív KTV 2008

Heterojunctions in semiconductors A tükröket a rétegekre merőlegesen alakítják ki a fény a rétegekkel párhuzamosan terjed A csíkok hasítás utáni felülete többnyire eléggé visszaverő. Ám az optikai tulajdonságai ezeknek a felületeknek nem kontrollálható Megoldás: Bragg-refraktorok fény Interaktív KTV 2008

Heterojunctions in semiconductors A populációinverzió a másik irányban is lokalirálható: elektróda a csíkszerű elektróda megszorítja az áram folyásának helyét a populációinverzió csak kis sávban jön létre Interaktív KTV 2008

Heterojunctions in semiconductors Speciális geometriával a lézernyaláb és a populációinverzió is megszorítható törésmutató n<n1 A magasabb törésmutatójú rész hullámvezető n típus n típus p típus p típus az n-p átmenetek nem engednek áramot erre Interaktív KTV 2008

Heterojunctions in semiconductors Speciális geometriával a lézernyaláb és a populációinverzió is megszorítható minél vékonyabb a réteg annál kevesebb módus tud terjedni minél keskenyebb a réteg, annál kevesebb áram szükséges a megfelelő populáció-inverzióhoz elliptikus sugár Interaktív KTV 2008

Heterojunctions in semiconductors For proper optical confinement single waveguide mode is needed the higher order modes have to be cut off. This requires thickness or less. For l= the1.3 mm, d<0.56 mm. (ng and nc are reflective indices of waveguide and the cladding) Interaktív KTV 2008

Heterojunctions in semiconductors If the waveguide is too thin, the light spreads out of it the loss increases. For confining the population inversion thinner layers would be needed. Solution: the waveguide and the active layer are not the same – Separate Confinement Heterostructure (SCH) active layer waveguide Interaktív KTV 2008

Heterojunctions in semiconductors If the waveguide is too thin, the light spreads out of it the loss increases. For confining the population inversion thinner layers would be needed. Solution: the waveguide and the active layer are not the same – GRaded INdex SCH (GRINSCH) active layer waveguide Interaktív KTV 2008

Quantum well lasers If the active region is thin enough, 10 nm only few layers of atoms in the active region quantum well is formed The solution of the Schrödinger equation of quantum wells: electron in a potential well in the x direction free electron gas solution in the yz plane Interaktív KTV 2008

Quantum well lasers The solution of the 1D potential well problem: Interaktív KTV 2008

Quantum well lasers The solution of the 1D potential well problem: the Schrödinger equation Interaktív KTV 2008

Quantum well lasers the boundary conditions: Interaktív KTV 2008

Quantum well lasers The solution of the differential equation system: with and Interaktív KTV 2008

Optikai adók spektrumképei Interaktív KTV 2008

Korszerű DFB lézeradó 1310 nm-re Interaktív KTV 2008

Korszerű EMS lézeradó 1550 nm-re Interaktív KTV 2008

Nd:YAG EMS lézeradó 1319nm-re Interaktív KTV 2008

EMAT lézeradó 1550 nm-re Interaktív KTV 2008

Az EDFA és működése Interaktív KTV 2008

Az EDFA zaja Interaktív KTV 2008

HI-Power EDFA Interaktív KTV 2008

Optical Loss Budget OLB Interaktív KTV 2008

Optikai hálózati struktúrák Interaktív KTV 2008

Tipikus optikai elosztóhálózat Interaktív KTV 2008

A hibrid vonalhálózat felépítése Interaktív KTV 2008

Optikai elosztóhálózat tervezése Interaktív KTV 2008

Optikai elosztóhálózat tervezése Interaktív KTV 2008

Optikai elosztóhálózat tervezése Interaktív KTV 2008

Harmonic Lightwaves Inc. Link Extender Interaktív KTV 2008

A Link Extender előnyei Interaktív KTV 2008

Optikai gyűrű felépítése Interaktív KTV 2008

Optikai gyűrű tervezése Interaktív KTV 2008

Optikai gyűrű tervezése Interaktív KTV 2008

Optikai gyűrű tervezése Interaktív KTV 2008

C. R. Pollock, Fundamentals of Optoelectronics Irwin, Chicago, 1995. Fiber Optic Handbook, Fiber, Devices, and Systems for Optical Communications, editor: M. Bass, (associate editor: E. W. Van Stryland) McGraw-Hill, New York, 2002. J. L. Miller, and E. Friedman, Photonics Rules of Thumb, Optics, Electro-Optics, Fiber Optics, and Lasers, McGraw-Hill, New York, 1996. P. C. Becker, N. A. Olsson, and J. R. Simpson, Erbium-Doped Fiber Amplifiers, Fundamentals and Technology, Academic Press, San Diego, 1999. J. Singh, Semiconductor Optoelectronics, Physics and Technology, McGraw-Hill, New York, 1995. J. Singh, Optoelectronics, An Introduction to Materials and Devices, McGraw-Hill, New York, 1996. C. R. Pollock, Fundamentals of Optoelectronics Irwin, Chicago, 1995. Interaktív KTV 2008