Fotonika - Laseri

8/13/2019 Fotonika - Laseri

1/6

3. LASERI

Re~ laser j e akron im od li gh t a mp li fi ca ti o n by s ti m ul a t e d e mi s s i o n

of radiat ion (poja~an j e sve tlos ti s timul isanom emisi jom zra~en ja ) . Njegova

bitna karakteris t ika , koja ga izdvaja od os tal ih izvora svetlos t i je emis ija s trogo

d efinis an ih (uz ani h) sn op ov a mo no hr o m a t s k e sv et lo st i. Mono hr o ma t s k a

sve tlo st je sve tl os t odr edj en e tal as ne du ì ne . rim en a las er a je !irok a, u

razli~i tim oblastim a ìvota , nauke. osebnu grupa"iju laser a ~ine

polu pr ov od ni ~ ki las eri. Njihov a zna ~ a jn a pri me n a je u ob ez be dji va nj u

mo no hr o m at s k e sve tlo sti koja pr en osi infor ma "ij e kroz opti ~ ka vlakn a

komunika"ionih sistema .

3.1 STIMULISANA EMISIJA, INVERZNA PO PUL ACIJA I DRUGI

FUNDAMENTAL NI KONCEPTI

# ovom odeljku bi$e re~i o polupropvod ni ~ki m laserima. %reba

napomenu t i da je ova vrsta lase ra sli~na &' diodama. ao i kod &' dioda ,

st ru ja direk tno polar is a nog *N spoja prouzrokuje r ekombina "i ju vi!ka (ili

natkon"en tra" ije n p* n pe ) manjinskih nosila"a , !to dovodi do emisi je svetlos t i .

+a razliku od sv et lo sti &' dio da (sp on t an a e mi sij a) , sv et lo st do bij en a

las erom je monohroma ts ka i r ez ul ta t je p ro"e s a s t i m u li s ! " "mi s i # " .

+a bolje razu me va nj e stimulis an e emisij e dobr o je pozn av at i neke

fundamen ta ln e karak te ris tike fo tona , zbog kojih se oni, kao ~es t i"e , izdvaja ju

od elektrona.

ozna to je da jedn o en er ge ts ko stanj e mo è da okupir a sam o jeda n

elek t ron (au lijev p rin"ip isklju~ivos ti ) . +ato , ako je e lekt ron u odredjenom

stanju, verova tn o$ a da drugi elektro n okupira to stanje jednak a je

(el ek tr on i -b e` e jed an od dr ug og ). /up ro tn o , foto ni mo gu d a eg zi sti raj u

zajedno u i stom s tan ju . Re"imo, ako je p risu tno n fot on a, ver ov a t no $ a da $ e

jo! jedan foton da -udj e u to st anje, poja ~ a n a je faktorom (n+! . / obzirom

na ovo, el ek troni s u kla sifikova ni ka o 0ermijeve ~e s t i" e (opi sa ni s u 0ermi*

irak ov o m ras po d el o m) , dok su foto ni klasifikov an i ka o 1oze ov e ~ e s ti "e

( pokoravaju se 1oze*2jn!tajnovoj raspod eli).

Neka *N spoj emituje svetlos t zbog s truje direktne polariza"i je. 2ko se na

krajeve *N spoja pos ta ve ogleda la , e mi tova na svet lo s t $e s e r efl ek tova ti od


2/6

njih, pri ~ em u $e svetlos t u prav"u normalno m na ogledal a posta ti

do mi na nt n a. +na ~ a jn o je sled e$ e 3 prisu st vo ove sv etlo st i frekv en "ij e

pov e$ a $ e verov at n o$ u por as t a broj a ma njin ski h elek tr on a koji pad aj u sa

provodne u valen tnu zonu emituju$ i sve t los t iste frekven" ije . ako prisus tvo

novi h fot on a en er gij e h

izaziva dal ji poras t emisije sve tlos ti frekven" ije ,nas ta je lan~ana reak"ija, koja dovodi do s timul isane emisije sve tlost i . 4asno ,

tokom stimu li sa ne e misij e upa dni snop svet lo s ti malog intenzi t et a prera s ta u

sv et lo sn i sn op veliko g int en zi te t a , kao !t o s e vidi na sl. 5. 6. 7vo se zov e

$% ti & ' $ % $# & ! # " .

/l. 5.6

Stimulisana emisija: upadni foton startuje rekombinaciju elektron-{upljina {to

ima za posledicu generisanje vi{e fotona iste energije h. Inverzna populacija

a bi se iskoristila ova gen eris an a svetlos t, jedn o od ogled al a se

izrad juje ka o polup ropus tl jivo, t ako da s trogous me re n i , monohroma ts k i snop

sv et lo st i mo ` e da na pu s ti ko mp o ne n t u . a bi las er funk "i oni sa o, jo! jed an

opera"ioni prob lem mora bi ti re!en3 kon"en tra" ija vi!ka elek t rona u p rovodnoj

zoni mor a da se odr `a va na visoko m nivou, ina ~ e po! to fotoni napu st e

kompone n tu , vi!ak elek trona $e biti u tro!e n , t ako da $e gene ri s a nje svet lo s ti

d a pr es t a n e. 7vo se po sti ` e t ak o !t o se str uj a dir ek tn e pol ariz a"ij e odr ` av a

izna d po tr e bn o g nivo a (s t( u# %( ) ), t ako da je kon" e n tra " ij a injek tova nih

manj inskoh nos ila"a u oblast * tipa dovol jno ve$a od ravnote `nog nivoa . 7vaj

uslov je pozna t kao i! *" ( + ! % $% u l i # .


3/6

# slu ~ a ju ner a vn o t e ` e , kon" en t r a" ij e el ek tr on a i ! upljin a su izr a` e n e

preko dva odvojena kvazi *0ermijeva nivoa ( E"# iE"$). rimer na sl . 5 .6 ilus truje

slu~aj vrlo visoke kon"entra"i je i e lektrona i !upljina, tako da i E"# iE" $ zadiru

u e nerge t s ke zone . okaz uje s e da je z a s timu li sa nu e misiju neophodno da s e

izbe gn e ap so rp "ij a sv et lo st i. a bi se odig ral a sti mulis a na reko m bi n a" ij a

parova elek t ron* !upljina , neophodno je slede$e 3 (! da pos toje fo toni energ ije

h, (%! d a postoje el ek troni na e ne rge t s kom nivou E% u provodnoj zoni i (3! da

pos toj e ! upljin e n a nivo u E u vale nt noj zoni, pri ~ e m u je E%&E 'h . %ad a

brzina s timul isane rekombina" ije moè da se izrazi kao3

( ) ),h(I)f1(f),h(I)E,E(f)E,E(fr 12FP1hFN2st =

(5.6)

gd e je 8 (h ) g us ti na en er gij e fot on a, a f (' 9, '0N) : f9 i fh (' 6, '0) : 6* f6

verova tno$e da s e el ek troni i !up ljine nad ju na nivoima '9 i '6, respek tivno.

risu stvo fotona , med ju tim , moè da prouzrokuje gene ra "i ju parova elek tron*

! upljin a. Nai me , fot on e mo gu da a ps or b uj u el ek tr on i na nivo u ' 6 i da se

pr em e s t e n a n ivo '9. 1rzina genera "ije je3

),h(I)f1(fg21

(5.9)

#slov za s t imulisanu emis iju (da se izbegne apsorp"ija)3

( ) gr st > (5.5)

2ko se uzmu u obzir j.*ne (5.6) i (5.9), dobija se da je 3

( ) ( )2112 f1ff1f >

(5.;)

7vaj uslov moè bi ti t ransformisan u3

12211122 ffffffff >>

(5.

+

(5.=)


4/6

kT

EE

kT

EE FN2FP1 >

(5.>)

i kona~n o,

12FPFN EEhEE => . (5.?)

7tu da , sti mu li sa n a e mi sij a mo ` e d a n adj a ~ a a ps or p"ij u sa mo u slu ~ a ju

jakih neravnot e ` nih kon"en tra"ija el ektrona i !upl jina, tako da je raz lika

izmed ju odgova raju$ ih kvazi*0ermijev ih nivoa ve $a od e ne rgi je e mi tova n ih

fotona.

-.3. TIPI/NI 0ETEROSPOJNI LASER

ao ! to je ve $ re ~e no , r ekombina "i ja kod indirek tnih polup rovodn ika ,

kao ! to je /i, ne dovodi do zna~a jn e emisi je sve t los ti . +ato se poluprovodni~ki

lase ri izradj uj u od dir ek tni h polu pr ov od nik a, tipi ~ no od 888*@ i 88*@8

polupr ov od ni ~ ki h jedinje nj a. 7sim tog a, prakti ~ no je ne mo gu $ e da se

pos tignu uslovi (5.?) kori!$enjem s tandardnog *N spo ja . %akodje, neophodno

je da se og rani ~i emi tovani snop sv etlos ti un utar ak tivne oblasti la sera . /vi ovi

zah tevi mogu bi ti ispunjen i kori!$enjem s truktura sa slojev ima razli~i tih 888*@

iAili 88A@8 poluprov od nika .

S %$# (+li & it i %$l u% ( $ * $ 2 ! i & ' i m t " ( i# l s " +$ * " "t " ( $ s % $ # .

Razli~it i poluprovodni~ki mate ri jal i ima ju raz li~i te energe tske pro"epe ,

t ako da na hete ro s po ju nas taje dis kon tinui t e t e ne rge t sk ih zona , sli~no kao na

/i*/i7 9 m ed ju po vr !i ni . 7vi disk on ti nui t et i m og u da po mo g n u d a se ost va ri

uslov (5.?) . #z to , razl i~i t i materi ja li imaju razli~i te indekse prelamanj a , ! to na

p ar al el ni m m ed ju p ov r !i n a m a mo ` e d a pot po m o g n e tot al nu refl ek sij u sno pa

sve t los ti , tako da je sve tlos t ogran i~en a unuta r akt ivne oblas t i.


5/6

+a dobijanj e heter os poj a (nano !e nj e jednog poluprovo dni ~k og

mat er ij al a preko drugo g) koristi se teh nol o! ki post up ak koji se zove

m $l " ul ( " m "%i t 45 6"% i t ' si # s!$ %$ m m $l "' ul 7 . a bi s e dobil e

me djupov r!ine visokog kvali te t a , uz or"i s e tr et ir aju u komora ma u kojima je

o stva re n vis oki va kuum, kroz koje s e propu! taju rea kt ivni gas ovi . ri tome,

uzo r"i os taju u komori , dok s e gas ovi men ja ju , propu! ta ju$ i s e od j ednog do

drugog sloja.

8zbor poluprovodnika koji $e emitovati svetlos t (aktivnog sloja) zavis i od

toga koja se frekven" ija sve t los ti zah teva . Na s l. 5 .9 p rikazan je lase r sa Ba2s

kao akt ivnim slojem. 7vo je primer tipi~nog poluprovodni~kog lase ra . a bi se

ostvar ili odgovara ju$i diskont inu ite t i energe tsk ih zona neophodno je da sa obe

s tra ne ak tivnog sloja budu slojevi s a !irim e ne rge t s kim pro" e pima . od ovog

lasera u tu svrhu se koristi 2lBa2s N* i *tipa.

7vde $e se razmotri t i N*2lBa2sA*Ba2s hete rospo j . 2ko je nivo dopiranja N*

2lBa2s dovoljno visok, elektronski kvazi* 0ermijev nivo ('0N) je dovoljno blizu

dn a pro vo dn e zon e , t ako da n as t aj e disko nt in ui te t pr ov od n e zon e s a Ba2s3

dno provo dn e zone u Ba2s se spu !t a ispod '0N . 2nalogno , diskont inu ite t

val en t ne zon e n a *2lBa2s* *Ba2s h et e ro s p oj u s me ! t a '0 ispo d vrh a

valentne zone . 7vo obezbedju je uslove za inverznu popula"i ju kada se primeni

odg ov a r aj u $i n ap on dir ek tn e pol ar iz a"ij e. 'mit ov an a sv et lo st se r efl ek tu je

naz a d i dalj e ogleda ls kim pov r! ina ma za hva taju$ i dovoljno fotona da st ar tuju

s timul isanu emisi ju . 0o tone koji p rodju kroz polupropus t lj ivo ogledalo (koji,

ustva ri , p reds tav lja ju la se rski snop) zamenjuju novi elek t ron i i !uplj ine, koje

obezbedju je lase rska s truja di rektne polar iza"ije 80.


6/6

/l. 5.9

iskontinuite t i provodne zone na oba heterospoja (N*2lBa2s**Ba2s i *

Ba2s**2lBa2s) su vrlo zna~ ajni . 7ni kreiraju poten"ijalnu jamu koja zahvata

ma nj in ske nosio" e (elek trone ), t ako da oni ne mogu da difunduju va n ak tivne

oblasti. 7vo $) ( !i & " ! # " !$ si l je zna ~ aj no za odr `a va nj e inverzn e

popula "ij e i maksimizi ra nje s timu li sa ne re kombina "i je i e misij e svet lo s ti . /

dr ug e str an e , ogr a ni ~ e n j e sv et lo st i se ost va ru je zbo g ~ inj eni "e d a je ind ek s

prelamanj a 2lBa2s manji nego indeks prelamanj a Ba2s.

/loj koji se nanosi preko Ba2s, kao i sloj na koji se nanosi Ba2s takodje

formiraju hete rospo jeve sa susednim 2lBa2s s lojevima . 7vo, takodje , dovodi

do diskon tinui t e t a e ne rge t s kih zona . Medjut im , osiroma !e n i slojevi su uz an i

zbog vis okog dopi ra nja , t ako da ne preds ta vl ja ju prak ti~n i proble m za protok

struje.

Fotonika - Laseri

Documents

Transcript of Fotonika - Laseri