LasersLasers

Lecturer: Mauro MoscaLecturer: Mauro Mosca

(www.dieet.unipa.it/tfl)(www.dieet.unipa.it/tfl)

University of Palermo –DEIM

A.A. 2014-15A.A. 2014-15

Emission and absorption in radiationEmission and absorption in radiation

Einstein relationsEinstein relations

( )

coefficienti di Einstein

=

Einstein relationsEinstein relations

=

Einstein relationsEinstein relations

EsercizioEsercizioQuale temperatura si dovrebbe Quale temperatura si dovrebbe raggiungere per ottenere emissione raggiungere per ottenere emissione stimolata per delle frequenze ottiche stimolata per delle frequenze ottiche all’equilibrio termico (es. all’equilibrio termico (es. = 632,8 nm)? = 632,8 nm)?

Dalla 2kT

h

e

K 804322ln1062,6

1074,41062,6

2ln 23

1434

k

hT

Two-levels laserTwo-levels laser

? ? ? ?

Two-levels laserTwo-levels laser

Three-levels laserThree-levels laser

GainGain

mezzoomogeneo

!

=

-levels laser-levels laserThreeThreeFourFour

mezzo attivo(amplificatore)

L A S E Rlight amplification by stimulated emission of radiationOSCILLATOR

FEEDBACK POSITIVO

parzialmente riflettente

Optical resonatorsOptical resonators

risonatore di Fabry-Perot

Laser oscillationsLaser oscillations

=

gain in excess of loss

Laser propertiesLaser properties

Modi longitudinaliModi longitudinali

Doppler shiftDoppler shift

EsercizioEsercizioQuanti modi sono presenti a 300 K all’interno Quanti modi sono presenti a 300 K all’interno dello spettro d’uscita di un laser He-Ne, la cui dello spettro d’uscita di un laser He-Ne, la cui cavità è lunga 50 cm?cavità è lunga 50 cm?Il Il Doppler shiftDoppler shift dell’emissione dell’He-Ne a 300 K dell’emissione dell’He-Ne a 300 K risulti pari a 1,5 GHzrisulti pari a 1,5 GHz

distanza tra i modi

numero di modi dentro lo spettro =

Modi trasversaliModi trasversali

off-axis rays also may interfere…

Pulsed laser: Q-switchingPulsed laser: Q-switching

Laser medium with high loss:

What does it happen if

?

Pulsed laser: Q-switchingPulsed laser: Q-switching

Argon laser Argon laser

Nd:YAG laserNd:YAG laser

Semiconductor Laser: Semiconductor Laser: giunzione giunzione p-np-n all’equilibrio all’equilibrio

EC

EC

EV

EV

EF EF

p n

= 0,7 – 0,8 V

p n

EC

EV

EF EF

p n

EA

ED

Semiconductor Laser: Semiconductor Laser: drogaggiodrogaggio

Semiconductor Laser: Semiconductor Laser: polarizzazionepolarizzazione

p n

EC

EV

EF EF

p n

V0

Semiconductor Laser: Semiconductor Laser: polarizzazionepolarizzazione

Semiconductor laserSemiconductor laser

E

EC

EV

x

transition that occursspontaneously

transition stimulatedby incoming photons(same Eg)

positive feedback to thestimulated transition

LED

opticalamplifier

LASER but…

Semiconductor laser:Semiconductor laser:lasing conditionslasing conditions

1)

Solution)

Semiconductor laser:Semiconductor laser:lasing conditionslasing conditions

2)

Solution)edge-emitting laser

g

V

LossesLosses

Why so high losses?

g

nGaAs = 3,35 R = = 0,292

dipendenza lineare da R

EC

EV

EF EF

Losses:Losses:free carrier absorptionfree carrier absorption

free carrier absorption

Heterojunction laserHeterojunction laser

homojunction heterojunction

Light-Current characteristicLight-Current characteristic