WYKORZYSTYWANE W ŚWIATŁOWODACH
Plan wykładu
· Zasada działania laserów
· Klasyfikacja laserów
· Diody i lasery półprzewodnikowe
źródła światła
· Klasyfikacja według zakresu spektralnego (UV, VIS, FIR, IR)
· Klasyfikacja zwyczajowa (źródła światła białego – żarówka, dioda LED, źródła światła spójnego –lasery)
· Klasyfikacja wg mechanizmu generacji
- jądrowe (słońce)
- laserowe
- fluorescencyjne (jarzeniówka)
- łukowe (Hg, Xe, Na)
-
Schemat poziomów energetycznych lasera trójpoziomowego
Schemat poziomów energetycznych lasera czteropoziomowego
Optyczne sprzężenie zwrotne -rezonator Fabry-Perota
Schemat ilustrujący zjawisko rezonansu optycznego
METODY „POMPOWANIA”
1.Optyczne (lasery barwnikowe)
2.Wyładowanie elektryczne (lasery gazowe)
3.Lampy błyskowe (lasery na ciele stałym)
4.Wstrzykiwanie nośników przez prąd przewodnictwa przez złącze p – n (diody laserowe)
Schemat ilustrujący równowagę termiczną opisaną rozkładem Boltzmanna (a) i inwersję obsadzeń (b)
mody wzdłużne
mody poprzeczne
KLASYFIKACJA LASERÓW
Lasery można klasyfikować w zależności od rodzaju ośrodka czynnego lub długości fali emitowanego promieniowania.
Klasyfikacja ze względu na rodzaj ośrodka czynnego:
a) lasery gazowe,
b) ciekłe
c) lasery na ciele stałym.
Do najbardziej znanych laserów gazowych należą:
a) laser CO2 (10,4 mm) (bliska podczerwień),
b) laser CO (5 - 6,5 mm) (bliska podczerwień),
c) laser N2O (10,6 mm),
d) molekularne lasery gazowe (CH3OH, C2H2F2, CH3F) (40 mm - 1 mm) (daleka podczerwień),
e) lasery chemiczne (w których jednym z produktów reakcji jest: I, HF, HCl, HBr, CO, CO2) emitujące w bliskiej podczerwieni (1,3 - 11 mm),
f) jonowy laser argonowy (476,5 - 514,5 nm) (zakres widzialny),
g) laser kryptonowy (503,9 - 752,5 nm) (zakres widzialny),
h) laser helowo - neonowy (632,8 nm) (zakres widzialny),
i) lasery ekscimerowe, takie jak: ArF, XeCl ,KrF, emitujące promieniowanie o długości fal 193, 248, 308 nm (UV),
j) laser azotowy N2 (337 nm) (UV).
Do najczęściej używanych laserów ciekłych należą lasery barwnikowe, emitujące w zakresie widzialnym.
Najbardziej znane lasery, w których ośrodkiem czynnym jest ciało stałe, to:
a) laser rubinowy (694,3 nm) (zakres widzialny),
b) laser Nd:YAG, w którym matrycą jest granat itrowo-glinowy, a domieszką neodym,
c) laser tytanowo-szafirowy (690 - 1080 nm) i inne lasery przestrajalne na ciele stałym,
d) lasery na pierwiastkach ziem rzadkich (holmowy, erbowy, tulowy) emitujące promieniowanie o długości fal około 2 mm w zależności od rodzaju matrycy oraz od rodzaju domieszki,
e) lasery półprzewodnikowe emitujące w szerokim zakresie widmowym, począwszy od zakresu widzialnego do podczerwieni.
Podział oparty na długości fali emitowanego promieniowania związany jest z rodzajem przejść kwantowych, między którymi zachodzi akcja laserowa. Lasery emitujące promieniowanie z zakresu dalekiej podczerwieni wykorzystują inwersję obsadzeń poziomów rotacyjnych. Należą do nich lasery gazowe, w których ośrodkiem czynnym są substancje takie jak: CH3OH, C2H2F2, CH3F. W laserach emitujących promieniowanie z zakresu podczerwieni akcja laserowa zachodzi między poziomami wibracyjnymi. Najbardziej znany laser tej grupy to laser CO2. W laserach emitujących światło w zakresie widzialnym i nadfiolecie akcja laserowa zachodzi między poziomami elektronowymi. Lasery, w których akcja laserowa zachodzi między poziomami elektronowymi stanowią szeroką grupę obejmującą między innymi laser argonowy, helowo-neonowy, kryptonowy, azotowy, lasery barwnikowe, lasery na ciele stałym i lasery ekscimerowe.
METODY GENEROWANIA KRÓTKICH IMPULSÓW
1.Q – switching (przełączanie dobroci)
2.mode locking (synchronizacja modów)
1. Mode locking (synchronizacja modów)
WPROWADZENIE DO LASERÓW DIODOWYCH- PRZYPOMNIENIE PODSTAWOWYCH WIADOMOŚCI O PÓŁPRZEWODNIKACH
Schemat poziomów energetycznych w metalach i półprzewodnikach
Schemat półprzewodników samoistnych i niesamoistnych: a) półprzewodnik samoistny, b) półprzewodnik niesamoistny typu n, c) półprzewodnik niesamoistny typu p
Omówione wyżej półprzewodniki nazywane są samoistnymi, w odróżnieniu od półprzewodników niesamoistnych, które omówimy teraz. Gdy do krzemu 14Si ((1s)2(2s)2(2p)6(3s)4) dodamy fosfor 15P ((1s)2(2s)2(2p)6(3s)5), w którym energia elektronów w stanie 3s (Ed) jest zbliżona do energii elektronów w paśmie przewodnictwa 3p krzemu, wówczas elektron fosforu (donora) łatwo przeskoczy do pasma przewodnictwa krzemu (akceptora) (rys. 5.21b). Półprzewodniki domieszkowane w ten sposób dostarczają więc dodatkowych elektronów i noszą nazwę półprzewodników typu n. Jeżeli, odwrotnie, dodamy atomów glinu 13Al ((1s)2(2s)2(2p)6(3s)3) o energii elektronu na poziomie 3s (Ea) zbliżonej do energii pasma walencyjnego 3s krzemu, to elektron z krzemu przeskoczy na poziom Ea glinu i w paśmie walencyjnym krzemu wykreuje się dziura (rys. 5.21c). Półprzewodniki domieszkowane w ten sposób noszą nazwę półprzewodników typu p.
Jeżeli dwa różne półprzewodniki doprowadzimy do bezpośredniego kontaktu, tworząc złącze p - n, to nadmiar dziur z regionu p migruje do regionu n, a nadmiar elektronów porusza się w przeciwnym kierunku. W wyniku tych migracji obszar w bezpośrednim sąsiedztwie złącza zostaje pozbawiony ładunku (rys. 5.22), a po stronie półprzewodnika p powstanie nadmiar ładunku ujemnego oraz nadmiar ładunku dodatniego po stronie półprzewodnika n. Na skutek takiego rozkładu ładunku powstanie różnica potencjałów V0 między obszarem p i obszarem n wywołująca pole elektryczne o natężeniu E skierowane w kierunku półprzewodnika p. Pole to zapobiega dalszemu przemieszczaniu się ładunków między obszarami n i p. Złącze n - p, na które pada światło, nosi nazwę fotodiody.
Jeżeli na złącze p - n pada promieniowanie generowane są nowe pary elektron - dziura, które są przemieszczane przez wewnętrzne pole E, dziury poruszają się w kierunku obszaru p, elektrony - w kierunku obszaru n, powodując zmniejszenie bariery potencjału V0. Gdy do złącza p - n dołączymy woltomierz, wskaże on napięcie proporcjonalne do natężenia promieniowania padającego na złącze (rys. 5.23a). Taka fotodioda nosi nazwę detektora fotowoltaicznego. Inną sytuację przedstawia rysunek 5.23b, gdzie obszary p i n zostały połączone zewnętrznym przewodem, w którym popłynie prąd proporcjonalny do natężenia promieniowania padającego na złącze p - n. Taka fotodioda nazywa się detektorem fotoprzewodzącym.
...
vogel_1969