Pevnolátkové lasery - eLearn Centralec.elf.stuba.sk/kme/buxus/docs/predmety/OEaLT/Prednasky/9... · Amplification between 1.53 and 1.56 ... emission and stimulated emission. ©

PevnolPevnoláátkovtkovéé laserylasery


AktAktíívne lvne láátkytky pevnolátkových (dielektrických) laserov pozostávajú z maticovej látky a aktívnej prímesi.

- maticová látka- monokryštalická (Al2O3, CaWO4,YAG ...)- amorfná (sklo)

- aktívná prímes- vzácne zeminy (Nd, Er, Pr, Ho ... ) - prvky zo skupiny železa (Cr, Ti, ...)


Čerpanie pevnolátkových laserov

Pevnolátkové lasery sú typicky čerpané opticky a to:

1. Nekoherentným zdrojom – výbojkou (Hg, Xe, ...)

2. Koherentným zdrojom – laserovými diódami (DPSS)


Najvýznamnejšie pevnolátkové lasery:

1. Rubínový laser (prvý laser)

2. Nd:YAG (Neodýmový) laser

3. Vláknové lasery


Spôsoby optického čerpania pevnolátkových laserov pomocou výbojok

RubRubíínový lasernový laser

Energetický diagram rubínového lasera


Konštrukcia prvého rubínového lasera

(Theodore Maiman, 1960)

Princíp: Trojúrovňový systém

Vlnová dĺžka: λ = 694 nm VIS - červená

Maticová látka: zafír - Al2O3

Aktívny prvok: chróm Cr3+ , koncentrácia cca. 0,05 %

Rozmery: priemer φ = 5 ÷ 15 mm, dĺžka l = 50 ÷ 250 mm

Účinnosť: η ~ 0,05 ÷ 0,1 %

Čerpanie: Výbojky – Xe, Hg

Režim činnosti: Impulzný, fop ≈ 0,1 – 0,01 Hz

Výstupná energia : Q ~ 0,1 ÷ 10 J

Aplikácie: Impulzná holografia, Lidar, medicína


NdNd YAG laserYAG laser

Energetický diagram Nd:YAG lasera

NdNd YAG laserYAG laserPrincíp činnosti: štvorúrovňový systém

Vlnová dĺžka: λ = 1064 nm IR, druhá harmonická 532 nm

Maticová látka: Ytrium hlinitý granát – Y3Al5O12 (YAG)

Aktívna prímes: Neodym Nd3+ , 1 ÷ 6 %

Rozmery: priemer φ = 5 ÷ 15 mm, dĺžka l = 80 ÷ 150 mm

Účinnosť: η ~ 2 ÷ 5 %

Režim činnosti: Spojitý, impulzný, modulácia kvality

Čerpanie: výbojky – Xe, laserové diódy – DPSS (η až 25 %)

Výstupný výkon: Pout ~ 1 ÷ 3000 W

Aplikácie: Technológie, medicína, metrológia, spektroskopia

NdNd YAG laserYAG laserKonštrukcia

DPSS Nd:YAGDPSS Nd:YAG laserylaseryU tohto typu konštrukcie laserov sú čerpacie výbojky nahradené

výkonovými laserovými diódami alebo diódovými poliami.

ZrkadloZrkadlo ZrkadloZrkadlo

ChladiacakvapalinaChladiacakvapalina

Čerpaciaoptika

Čerpaciaoptika

KryštálKryštál

Laserovádióda

Laserovádióda

Konštrukcia čelne a bočne čerpaných DPSS laserov.


Čerpaciaoptika

Čerpaciaoptika

Laserovépolia

Laserovépolia

KryštálKryštál

ZrkadloZrkadlo

ZrkadloZrkadlo


KryštálKryštál

Čerpaciaoptika

Čerpaciaoptika

Optický lúčlasera

Optický lúčlasera

DPSS Nd:YAG laseryDPSS Nd:YAG lasery

VÝHODY DIÓDOVO ČERPANÝCH LASEROV V SKRATKE (1)

Spoľahlivosť a životnosť: Výbojky sa vypália nepredvídateľne a často. Výmena výbojok sa spravidla doporučuje po 500 – 1000 hodináchprevádzky. Životnosť diódových polí je viac ako 20 000 hodín.

Väčšia účinnosť: Diódové polia majú väčšiu elektrickú účinnosť akovýbojky. Žiarenie diódových polí pre Nd:YAG lasery je optimalizované navlnovú dĺžku 808 nm ± 3 nm, ktorá je v YAG veľmi dobre absorbovaná, zatiaľ čo 95% žiarenia z výbojok sa premení na stratové teplo.Celková účinnosť je 15 - 20% (bežné Nd:YAG lasery 2 – 5%).

Nižšie napäťové požiadavky: Diódami čerpané lasery nevyžadujú takévysoké napätie ako ekvivalentné lasery čerpané výbojkami. Požadovanýpríkon diódovo čerpaných laserov je typicky 5-10% príkonu ekvivalentnýchvýbojkou čerpaných laserov. Nepotrebujú trojfázový el. rozvod


VÝHODY DIÓDOVO ČERPANÝCH LASEROV V SKRATKE (2)

Kompaktný dizajn: Konštrukcia diódovo čerpaných laserov je menšia a viackompaktnejšia a užívateľsky príjemnejšia.

Kvalita zväzku: Diódovo čerpané lasery sú dobre známe výbornýmivlastnosťami výstupného zväzku. Toto platí najmä pre čelne čerpané lasery, kde M2 pri plnom výkone je ~20 pre väčšinu systémov zatiaľ čo pre výbojkami čerpané lasery je spravidla >40.

Menšie tepelné straty: Chladenie diódovo čerpaných laserov jezabezpečené uzavretým okruhom so štandardnou destilovanou vodou, bezpotreby použitia deionizovanej vody ako v prípade laserov čerpanýchvýbojkami.


Porovnanie spektier absorpcie Nd:YAG kryštálu s emisnými spektrami výbojkya laserovej diódy vyžarujúcej na 808 nm

λ = 808 nm

VlVlááknovknovéé laserylasery


Principiálna schéma konštrukcie výkonového vláknového lasera

EDFA: PEDFA: Principrincip ččinnostiinnosti

1480 nmČerpanie

Output vs wavelength

Amplification between 1.53 and 1.56 um.


Súčasné možnosti realizácie vláknových laserov

POLOVODIPOLOVODIČČOVOVÉÉ LASERYLASERY

PolovodiPolovodiččovovéé laserylasery

Polovodiče – energetické diagramy

E

CB

k–k

Direct Bandgap

(a) GaAs

E

CB

VB

Indirect Bandgap, Eg

k–k

kcb

(b) Si

E

k–k

Phonon

(c) Si with a recombination center

Eg

Ec

Ev

Ec

Ev

kvb VB

CB

ErEc

Ev

Photon

VB

(a) In GaAs the minimum of the CB is directly above the maximum of the VB. GaAs istherefore a direct bandgap semiconductor. (b) In Si, the minimum of the CB is displaced fromthe maximum of the VB and Si is an indirect bandgap semiconductor. (c) Recombination ofan electron and a hole in Si involves a recombination center .

© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)


Ek

kš /a–š /a

Ec

Ev

ConductionBand (CB)

Ec

Ev

CB

The E-k Diagram The Energy BandDiagram

Empty ψk

Occupied ψkh+

e-

Eg

e-

h+

hυ

VB

hυ

ValenceBand (VB)

The E-k diagram of a direct bandgap semiconductor such as GaAs. The E-kcurve consists of many discrete points with each point corresponding to apossible state, wavefunction ψk(x), that is allowed to exist in the crystal.The points are so close that we normally draw the E-k relationship as acontinuous curve. In the energy range Ev to Ec there are no points (ψk(x)solutions). © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)


E1

E2

hυ

(a) Absorption

hυ

(b) Spontaneous emission

hυ

(c) Stimulated emission

In hυOut

hυ

E2 E2

E1 E1

Absorption, spontaneous (random photon) emission and stimulatedemission.© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

Optické prechody v polovodičoch


P+ δP

Laser medium

x

δ x

P

(a) A laser medium with an optical gain (b) The optical gain curve of the medium. Thedashed line is the approximate derivation in the text.

h υE 2

E 1

υ

Optical Gain

υ ο

∆ υ

(a) (b)

g ( υ )

g ( υ o )


Zosilnenie optického žiarenia v polovodiči

)h(B)NN( )h(BN)h(BN

emission photon stimulated of rateNet dt

dN

2112

211212

ph

υρ−=υρ−υρ=

=Pre zosilnenie treba:

N2 > N1


Podmienka získania inverznej populácie:EFn – EFp > Eg

hυEg

Optical gain EFn − EFp

Optical absorption

0

Energy

Ec

Ev

CB

VB

(a) The density of states and energy distribution of electrons and holes inthe conduction and valence bands respectively at T ≈ 0 in the SCLunder forward bias such that EFn − EFp > Eg. Holes in the VB are emptystates. (b) Gain vs. photon energy.

Density of states

Electronsin CB

Holes in VB= Empty states

EFn

EFp

eV

At T > 0

At T = 0

(a) (b)



(a) Optical gain vs. wavelength characteristics (called the optical gain curve) of thelasing medium. (b) Allowed modes and their wavelengths due to stationary EM waveswithin the optical cavity. (c) The output spectrum (relative intensity vs. wavelength) isdetermined by satisfying (a) and (b) simultaneously, assuming no cavity losses.

(c)

Relative intensity

δλm

Optical Gain

λ

Allowed Oscillations (Cavity Modes)

δλm

(b)

L

Stationary EM oscillationsMirrorMirror

λλ

Dopplerbroadening

m(λ/2) = L

(a)

λο


Aktívna látka –

polovodič

Rezonátor

Výstupnéžiarenie


L

PiPf

R1R2

Steady state EM oscillations

Optical cavity resonator

Reflectingsurface

Reflectingsurface

Cavity axis x12

Ef Ei


1/ == ifop PPG

)]2(exp[)]2(exp[21 LLgRRPP if γ−Γ=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=Γ

21

1ln21.

RRLgth γ

309.05.315.31 22

21

21 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+−

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+−

=nnnnR

Γ – koeficient optického prispôsobenia

Prahový zisk Prahový zisk –– prahový prahový ččerpacerpacíí prprúúdd

thth th

BIg BJArea

= =B – konštrukčný parameter


02112 )(

υυ

nhBcgNN thth∆

≈−

Simplified description of a laser oscillator. ( N2 − N1) andcoherent output power ( Po) vs. pump rate under continuouswave steady state operation.

Pump rate

Threshold pump rate

(N2 − N1)th

N2 − N1

Threshold populationinversion

Po = Lasing output power(N2 − N1) and Po



p+ n+

EF n

(a)

Eg

Ev

Ec

Ev

Holes in V BElectrons in C B

Junction

Electrons Ec

p+

Eg

V

n+

(b)

EF n

eV

EF p

The energy band diagram of a degenerately doped p-n with no bias. (b) Banddiagram with a sufficiently large forward bias to cause population inversion andhence stimulated emission.

Invers ionreg ion

EF p

EcEc

eVo



0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6λ

1.7Infrared

GaAs1-yPy

In1-xGaxAs1-yPyAlxGa1-xAs

x = 0.43

Indirectbandgap

Free space wavelength coverage by different LED materials from the visible spectrum to theinfrared including wavelengths used in optical communications. Hatched region and dashedlines are indirect E materials

In0.49AlxGa0.51-xP

PolovodiPolovodičče pre výrobu LAD vo VIS a NIR e pre výrobu LAD vo VIS a NIR ččasti spektraasti spektra


0.20.4

0.60.8

11.21.4

1.61.8

22.2

2.42.6

0.54 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.6 0.61 0.62Lattice constant, a (nm)

GaP

GaAs

InAs

InP

Direct bandgapIndirect bandgap

In 0.535 Ga 0.465 AsX

Quaternary alloyswith direct bandgap

In 1- xGa xAs

Quaternary alloyswith indirect bandgap

Eg (eV)

Ba ndga p ene rgy Eg a nd la ttic e cons tant a for va rious III-V a lloys ofG a P, G aA s , InP a nd InA s. A line repre se nts a te rna ry a lloy form e d w ithc om pounds from the end points of the line . Solid line s a re for dire c tbandga p a lloys w he rea s da she d line s for indirec t ba ndga p a lloys .Re gions be tw e en line s re pre se nt qua te rna ry a lloys . The line from X toInP repre se nts qua te rna ry a lloys In1-xG a xA s 1-yPy m a de fromIn0.535 G a 0.465 A s a nd InP w hich a re la ttic e m a tched to InP.© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

PolovodiPolovodičče pre výrobu LAD e pre výrobu LAD –– InGaAsP/InPInGaAsP/InP


Laserová dióda s jednoduchým heteroprechodom

hυ - Eg

Eg (b)

V

(a)

p n+

Eg

eVo

EF

p n+

Electron in CBHole in VB

Ec

Ev

Ec

Ev

EF

eVo

Electron energy

Distance into device

(a) The energy band diagram of a p-n+ (heavily n-type doped) junction without any bias.Built-in potential Vo prevents electrons from diffusing from n+ to p side. (b) The appliedbias reduces Vo and thereby allows electrons to diffuse, be injected, into the p-side.Recombination around the junction and within the diffusion length of the electrons in thep-side leads to photon emission.


Laserová dióda s dvojitým heteroprechodom


Refractiveindex

Photondensity

Activeregion

∆n ~ 5%

2 eV

Holes in VB

Electrons in CB

AlGaAsAlGaAs

1.4 eV

Ec

Ev

Ec

Ev

(a)

(b)

pn p

∆Ec

(a) A doubleheterostructure diode hastwo junctions which arebetween two differentbandgap semiconductors(GaAs and AlGaAs).

2 eV

(b) Simplified energyband diagram under alarge forward bias.Lasing recombinationtakes place in the p-GaAs layer, theactive layer

(~0.1 µm)

(c) Higher bandgapmaterials have alower refractiveindex

(d) AlGaAs layersprovide lateral opticalconfinement.

(c)

(d)


GaAs

Laserová dióda s dvojitým heteroprechodom, DC PBH – index guided


L Electrode

Current

GaAs

GaAsn+

p+

Cleaved surface mirror

Electrode

Active region(stimulated emission region)

A schematic illustration of a GaAs homojunction laserdiode. The cleaved surfaces act as reflecting mirrors.

L


Ipr = gth . A

A – plocha aktívnej oblasti

gth – prahováprúdová hustota

Veľkoplošná laserová dióda


Roztekanie prRoztekanie prúúdduu mmomo aktomo aktíívnej oblasti LAD vnej oblasti LAD –– leakage currentleakage current

Schematic illustration of the the structure of a double heterojunction stripecontact laser diode

Oxide insulator

Stripe electrode

SubstrateElectrode

Active region where J > Jth.(Emission region)

p-GaAs (Contacting layer)

n-GaAs (Substrate)

p-GaAs (Active layer)

Currentpaths

L

W

Cleaved reflecting surfaceEllipticallaserbeam

p-AlxGa1-xAs (Confining layer)

n-AlxGa1-xAs (Confining layer) 12 3

Cleaved reflecting surface

Substrate



MetMetóódy lokalizdy lokalizáácie prcie prúúdduu do aktdo aktíívnej oblasti LADvnej oblasti LAD


Dvojitým rastom planDvojitým rastom planáárne vymedzenrne vymedzenéé heteroheterošštrutrukkttúúry ry –– index guided, DC PBHindex guided, DC PBH


Schematic illustration of the the structure of a double heterojunction stripecontact laser diode

Oxide insulator

Stripe electrode

SubstrateElectrode

Active region where J > Jth.(Emission region)

p-GaAs (Contacting layer)

n-GaAs (Substrate)

p-GaAs (Active layer)

Currentpaths

L

W

Cleaved reflecting surfaceEllipticallaserbeam

p-AlxGa1-xAs (Confining layer)

n-AlxGa1-xAs (Confining layer) 12 3

Cleaved reflecting surface

Substrate


Ziskom vymedzenZiskom vymedzenáášštrukttruktúúrara

(Gain Guided)

Typická štruktúra hranovo emitujúcej laserovej diódy s DH


Oxide insulation

n-AlGaAs

p+-AlGaAs (Contacting layer)

n-GaAs (Substrate)

p-GaAs (Active layer)n-AlGaAs (Confining layer)

p-AlGaAs (Confining layer)

Schematic illustration of the cross sectional structure of a buriedheterostructure laser diode.

Electrode


Indexom vymedzenIndexom vymedzenáášštrukttruktúúrara

(Index Guided)

Priečny rez laserovej diódy DCPB DH


Height, H Width W

Length, L

The laser cavity definitions and the output laser beamcharacteristics.

Fabry-Perot cavity

Dielectric mirror

Diffractionlimited laserbeam



Geometria polovodičovej laserovej diódy


Typical output optical power vs. diode current (I) characteristics and the correspondingoutput spectrum of a laser diode.

λ

Laser

λ

LaserOptical Power

Optical Power

I0

λ

LEDOptical Power

Ith

Spontaneousemission

Stimulatedemission

Optical Power


Spektrum žiarenia polovodičového lasera


Typical optical power output vs. forward currentfor a LED and a laser diode.

Current0

Light power Laser diode

LED

100 mA50 mA

5 mW

10 mW


LED a polovodičový laser – porovnanie L-I charakteristík


0 20 40 60 800

2

4

6

8

10

Po (mW)

I (mA)

0 °C25 °C

50 °C

Output optical power vs. diode current as three different temperatures. Thethreshold current shifts to higher temperatures.



778 780 782

Po = 1 mW

Po = 5 mW

Relative optical power

λ (nm)

Po = 3 mW

Output spectra of lasing emission from an index guided LD.At sufficiently high diode currents corresponding to highoptical power, the operation becomes single mode. (Note:Relative power scale applies to each spectrum individually andnot between spectra)



Loss

GainProfile

ν

ν

ν

LaserCavity

ExternalCavity

LaserOutput

Jednomódový polovodičový laser – princíp viazané rezonátory


DBR laserDBR laser

Corrugateddielectric structure

Distributed Braggreflector

(a) (b)

AB

Λ

q(λB/2n) = Λ

Active layer

(a) Distributed Bragg reflection (DBR) laser principle. (b) Partially reflected wavesat the corrugations can only constitute a reflected wave when the wavelengthsatisfies the Bragg condition. Reflected waves A and B interfere constructive whenq(λB/2n) = Λ.


PolovodiPolovodiččovovéé laserylaseryDFB laserDFB laser

Λ

Active layer

Corrugated grating

Guiding layer

(a)

(a) Distributed feedback (DFB) laser structure. (b) Ideal lasing emission output. (c)Typical output spectrum from a DFB laser.

Optical power

λ (nm)

0.1 nm

Ideal lasing emission

λλ B(b) (c)



Activelayer

L D

(a)

Cleaved-coupled-cavity (C3) laser

λ

Cavity Modes

λ

λ

In L

In D

In bothL and D

(b)


Princip zPrincip zíískania jednomskania jednomóódoveho polovodidoveho polovodiččovovéého laseraho lasera- rozdelené rezonátory s rôznou dĺžkou

PolovodiPolovodiččovovéé lasery lasery -- MQWMQW

A quantum well (QW) device. (a) Schematic illustration of a quantum well (QW) structure in which athin layer of GaAs is sandwiched between two wider bandgap semiconductors (AlGaAs). (b) Theconduction electrons in the GaAs layer are confined (by ² Ec) in the x-direction to a small length d sothat their energy is quantized. (c) The density of states of a two-dimensional QW. The density of statesis constant at each quantized energy level.

AlGaAs AlGaAs

GaAs

yz

x

d

Ec

Ev

d

E1

E2

E3

g(E)Density of states

E

BulkQW

n = 1

Eg2 Eg1

E n = 2² Ec

BulkQW

² Ev

(a) (b) (c)

Dy

Dz


hν

PolovodiPolovodiččový laser s kvantovými jamamiový laser s kvantovými jamami

PolovodiPolovodiččovovéé lasery lasery -- MQWMQWActive layer Barrier layer

Ec

Ev

E

A multiple quantum well (MQW) structure.Electrons are injected by the forward currentinto active layers which are quantum wells.


PolovodiPolovodiččový laser s mnohonový laser s mnohonáásobnými kvantovými jamamisobnými kvantovými jamami

PolovodiPolovodiččovovéé lasery lasery -- VCSELVCSEL

A simplified schematic illustration of a vertical cavitysurface emitting laser (VCSEL).

Contact

Surface emission

Dielectric mirror

Contact

Substrate

λ/4n1

Active layer

λ/4n2 Dielectric mirror


Povrchovo vyPovrchovo vyžžarujarujúúci polovodici polovodiččový laserový laser


time

I(t) P(t)

Modulačná charakteristika LAD a časová odozva na budiaci prúdový impulz


VnVnúútorntornáá konkonšštrukcia laserovtrukcia laserovéého modulu so stabilizho modulu so stabilizááciou teploty a výkonuciou teploty a výkonu


ČČip hranovo emitujip hranovo emitujúúcej laserovej dicej laserovej dióódydy

VýkonovVýkonovéé polovodipolovodiččovovéé laserylasery

Výkonový polovodiVýkonový polovodiččový laser ový laser –– ssúúbor laserových polbor laserových políí

Documents

Pevnolátkové lasery - eLearn Centralec.elf.stuba.sk/kme/buxus/docs/predmety/OEaLT/Prednasky/9... · Amplification between 1.53 and 1.56 ... emission and stimulated emission. ©