Cavità. Mezzo attivo Radiazione laser. Pompaggio. Lab. Micro-OptoElettronica CdL Fisica A.A. 2006/7

Transcript

1 Diodo Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: LASER Dispositivo basato sul fenomeno dell emissione stimolata, i cui componenti sono fondamentalmente tre: 1. Mezzo attivo 2. Sistema di pompaggio 3. Cavità risonante Cavità Mezzo attivo Radiazione laser Pompaggio

2 Diodo Laser Laser a semiconduttore Sono simili agli altri laser (p. es. a gas He-Ne o a stato solido Rubino ) nel senso che la radiazione emessa è monocromatica con alto grado di coerenza spaziale e temporale ed alta direzionalità. Vi sono tuttavia differenze: 1. Transizioni radiative avvengono tra livelli atomici discreti (laser convenzionali), tra stati di banda (semiconduttori); 2. Laser asemiconduttore molto compatto (~0.1 mm omeno), con regione attiva <1µm divergenza fascio più elevata; 3. Caratteristiche spaziali e spettrali influenzati dalle proprietà della giunzione (bandgap, indice di rifrazione); 4. Pompaggio assicurato dal passaggio di una corrente diretta di giunzione che può essere facilmente modulata e quindi modulare ad alte frequenze la radiazione laser.

3 Diodo Laser Laser a semiconduttore Caratteristiche principali: Sintonizzabilità in lunghezza d onda Stabilità Limitata potenza d ingresso Semplicità strutturale Settori di applicazione: Consumer electronics, ricerca di base, telecomunicazioni, sanitario,

4 Processi di emissione e assorbimento Consideriamo un sistema a due livelli di energia discreti E 1 (stato fondamentale) e E 2 popolati con N 1 e N 2 elettroni. Qualunque transizione tra questi stati N 2 coinvloge l emissione o assorbimento di un fotone di frequenza Tre tipi di processo: hυ = E E 2 1 N 1 assorbimento R ab emissione spontanea R sp emissione stimolata R st E 2 E 1

5 Rate di emissione stimolata Rate di transizione per i tre processi ottici (B 12, A 21, B 21 sono i coefficienti di Einsten e φ l intensità luminosa) All equilibrio la statistica di Boltzmann prevede Per l intensità spettrale usiamo l espressione del corpo nero 1 R R R ab sp st = = = B N 12 1 A N 21 2 B N 21 2 N 2 exp E exp h υ = = N kt kt ( ) φυ φ φ 3 3 8πnh r υ 1 = 3 c exp( hυkt ) 1 All equilibrio le transizioni in emissione devono eguagliare quelle in assorbimento Rab = Rsp + Rst B Nφ = N A + B ( ) φ

6 Rate di emissione stimolata B Nφ = N A + B ( ) φ 8πnhυ 3 3 r 3 c h kt l unica possibilità che questa eguaglianza valga per tutte le temperature è ( υ ) exp( υ ) exp 1 = A21 B h kt B Nell azione laser l emissione spontanea di luce incoerente è molto limitata e quindi trascurabile. Pertanto il guadagno ottico netto per lemissione stimolata (azione laser) vale: R R = N N B φ st ab da cui ( ) A B = B = B πnh r υ 3 c

7 Rate di emissione stimolata R R = N N B φ st ab ( ) Per ottenere un guadagno ottico positivo deve essere N 2 >N 1, ovvero la cosiddetta condizione di inversione di popolazione. Poiché ciò non è possibile in equilibrio termico, occorre un qualche mezzo esterno per determinare tali condizioni (p.es. ottico in un laser tradizionale, ovvero la corrente diretta della giunzione p-n in un laser a semiconduttore).

8 Semiconduttori Nei semiconduttori abbiamo a che fare con bande di energia e occorre definire i quasi-livelli di Fermi E Fn e E Fp per descrivere la condizione di non equilibrio (inversione di popolazione). Equilibrio T=0 Inversione di popolazione,t=0 Inversione di popolazione,t>0

9 Semiconduttori Un complessivo equilibrio termico non esiste, ma gli elettroni lo sono tra di loro all interno di una banda, quindi F F C V ( E) ( E) 1 = 1 + exp ( E EFn ) kt 1 = 1+ exp ( E E ) Fp kt ( ) ab 12 C C V V ph Probabilità di occupazione di uno stato in banda di conduzione e di valenza, ed i corrispondenti rate di transizione valgono: R = B 1 F N FN N de R = A FN 1 F N de ( ) sp 21 C C V V R = B FN 1 F N N de ( ) st 21 C C V V ph N ph è la densità di fotoni, N C e N V le densità di stati in banda di conduzione e valenza.

10 Semiconduttori In presenza di effetto laser le transizioni spontanee sono trascurabili, ed essendo B 12 =B 21 : R ( ) st Rab = B 21 Nph FC FV NCNV de Perché la differenza sia positiva (effetto laser) deve essere F C >F V ovvero E Fn >E Fp (condizione di inversione di popolazione). Poiché in equilibrio termico E Fn = E Fp e pn = n i2, la condizione di inversione di popolazione sarà pn > n i2. Dovendo anche essere hn > E g la condizione laser sarà E < hν < E E g Fn Fp

11 Diodo laser Struttura fondamentale di un diodo laser in una cavità risonante tipo Fabry-Perot

12 Risuonatore ottico e guadagno ottico La cavità risonante presenta diverse frequenze di risonanza dette modi longitudinali (onde stazionarie: nodi agli estremi). 2 λ dλ λ = λ = = m L elaseparazione tra imodi m m 2nr dm 2Lnr Φ bilancio guadagno/perdite (assorbimento), in funzione lungh. φ ( ) exp ( α) z g z tenendo anche conto delle riflessioni 1 1 RR 1 2exp ( g α) z ela soglia di guadagno g th = α + ln 2L RR 1 2

13 Confinamento radiazione guida d onda Confinamento della radiazione parallelamente alla direzione di propagazione (guida d onda: riflessione totale all interfaccia) In omogiunzioni n è dato dal differente drogaggio (0.1%< n<1%) con regione attiva meno drogata delle inattive). Le eterogiunzioni, con n ~ 10%, sono più efficaci. n > n, n r2 r1 r3

14 Tipi di diodi laser Strutture omo-, etero- e doppia etero-giunzione

15 Corrente di soglia no. elettroni iniettati I bias guadagno ottico F C (E) e F V (E) cambiano -> E Fn, E Fp E Fn -E Fp aumenta g0 Jηin Jd 0 g th Jd g = J0, Jth = 1+ = 1+ α+ ln J0 d ηin g0 ηin g0 2L RR 1 2 guadagno ottico corrente di soglia lineare corrente di soglia effetto laser

16 C o r r e n t Emissione spettrale luce laser a regime luce laser, coerente ( λ<1å) inizio effetto laser (modi cavità), luce incoerente emissione spontanea, luce incoerente

17 Emissione spettrale

18 Diodi laser