ČVRSTI LASER

GRAĐA ČVRSTIH TIJELA

Čvrsto tijelo sastoji se od mnoštva atoma, iona ili molekula. Ako su oni raspoređeni u prostoru tako da tvore kristalnu rešetku, tj. pravilan sistem visoke simetrije, govorimo o kristalu, odnosno o kristalnoj strukturi. Međutim, ako ispunjavaju prostor bez ikakva reda, nepravilno, govorimo o amorfnom tijelu. Takav je slučaj kod stakala i plastika.

Budući da će nas interesirati emisiona svojstva čvrstih tijela, moramo se detaljnije pozabaviti strukturom kristalne rešetke i procesima koji se u njoj odvijaju. Treba, međutim, napomenuti da u luminisccntnim procesima mogu sudjelovati i amorfna tijela, štaviše, ona mogu biti dosta jaki emiteri.

Promotrimo detaljnije pravilnu kristalnu strukturu karakteriziranu odgovarajućim rasporedom strukturnih jedinica. Svaku prostornu kristalnu rešetku možemo razdijeliti na jednake paralelopipede, tako da svaki od njih sadrži jednak broj strukturnih jedinica, raspoređenih na isti način. Najmanji takvi paralelopipedi iz kojih možemo sastaviti cijelu rešetku, nazivaju se elementarnom ćelijom kristala.

Brave je pokazao da postoji ukupno 14 tipova prostornih rešetki, Koje se međusobno razlikuju simetrijom i oblikom elementarne ćelije. Primjer kristalne rešetke dan je na slici., a tipovi elementarnih ćelija na slici. Bilo da imamo koji tip strukture, možemo ga opisati pomoću ove sistematizacije. Pokazuje se da se sva fizikalna svojstva kristalnog sistema ponašaju u skladu sa njegovim simetrijskim svojstvima.

Sile, koje povezuju atome čvrstog tijela zajedno u prostornu rešetku, potječu od elektrona i to upravo onih, koji okupiraju vanjska stanja. Ovi elektroni, osim što osiguravaju vezanje atoma - određuju karakteristična električna i optička svojstva čvrstog tijela.

(slika 16: slaganje atoma u rešetku)

Budući da se atomi u kristalu nalaze veoma blizu jedan drugome, njihovi elektronski energetski nivoi neće biti diskretni kao u sistemu slobodnih atoma,

(slika 17: različiti tipovi elementarnih ćelija)

već će biti prošireni u pojaseve, odnosno vrpce ili zone. Naime, ako se vanjski nivoi susjednih atoma djelomično prekrivaju, onda će, s obzirom na Paulijev princip, od svakog nivoa nastati dva nivoa. Ovakvo cijepanje nivoa povećava njihovu gustoću i smanjuje razmak među njima: oni su tako bliski da gotovo više i nisu diskretni, već čine kontinuirani pojas. Elektroni se, dakle, mogu nalaziti u tzv. dozvoljenim pojasevima, koji su odvojeni međusobno pojasom zabrane (engl.: gap).

Glavne karakteristike čvrstog tijela ovise o međusobnom razmaku dozvoljenih energetskih pojaseva: valentnog i vodljivog. U idealnom kristalu moguća su tri slučaja:

1. Širina zabranjenog pojasa iznosi nekoliko eV. Kristal je izolator. Elektroni ne mogu prelaziti iz valentne zone u vodljivu, pa nema protoka struje.

2. Širina zabranjenog pojasa iznosi 1 eV. Elektroni mogu prelaziti iz valentne zone u vodljivu već kod sobne temperature. Kristal je poluvodič.

3. Valentna i vodljiva zona se prekrivaju. Kristal je metal, a njegova je karakteristika da elektroni koji ostvaruju vezu, djeluju kao vodljivi elektroni, jer njihova energetska vrpca nije popunjena (slika).

(slika 18: energetska shema čvrstog tijela)

NEKA OPTIČKA SVOJSTVA ČVRSTOG TIJELA

Eksperimenti pokazuju, da kristali sa savršeno pravilnom unutarnjom, strukturom (idealni kristali), najčešće, ne luminisciraju. Razlog je ovoj pojavi u tome da pobuđeni elektroni u višoj energetskoj vrpci vrlo brzo predaju energiju rešetki, čime su uslovi za emisiju fotona narušeni. Za poboljšanje luminiscentnih svojstava nužno je da kristal sadrži primjese stranih atoma, ili iona zvanih aktivatori. Njihov sadržaj u kristalu iznosi oko 0,001% i više, što varira od slučaja do slučaja. Spektralni sastav i energetski intenzitet luminiscencije zavise kako od prirode aktivatora, tako i od samog kristala.

Ako sa P_nr označimo vjeiojatnost za neemisivni prijelaz, a sa P_r vjerojatnost za emisivni, tada je luminiscencija, u općem slučaju, proporcionalna omjeru:

                                                                                                (34)

koji se naziva efikasnost luminiscencije. Općenito se pretpostavlja da je P_r neovisno o temperaturi, a P_nr brzo raste sa temperaturom. Tako se efikasnost smanjuje kao neka funkcija povećanja temperature, oviseći o promjeni P_nr. Ovo smanjenje efikasnosti luminiscencije s povećanjem temperature naziva se termičko gašenje (engl.: thermal quenching). U nekim materijalima luminiscentna efikasnost može se povećati dodatkom koaktivatora. Aktivator mora biti element ulijevo, a koaktivator desno od atoma rešetke, gledano u periodičkom sistemu. Smatra se da je jedna od uloga koaktivatora da kompenzira razliku naboja i omogući lakše ugrađivanje aktivatora u rešetku.

Interakcija među najbližim aktivatorima može sniziti širinu zabranjene zone, tako da učini vjerojatnim neradijativne prijelaze. Taj efekt postaje značajan kod većih koncentracija aktivatora i naziva se koncentracijsko gašenje (engl.: concentration quenching).

U analizi mehanizma luminiscencije kristala pogodno je podijeliti materijale na dvije grupe, prema prirodi njihove kemijske veze:

1. grupu ionskih

2. grupu kovalentnih

Kao što se vidi iz naziva, grupu prve vrste možemo grubo tretirati kao da se sastoji od individualnih iona i proces pobuđenja ne mora uključivati podizanje elektrona u vodljivu zonu.

U drugoj grupi veze su kovalentne i zonska struktura je primarni faktor, pa je evidentno da pobuđivanje u ovom slučaju uključuje podizanje elektrona u vodljivu zonu.

U oba slučaja emitirajući prijalazi obično uključuju manju energiju od energije pobude, tj. emitirana radijacija ima veću valnu dužinu od uzbudne, što znači da je ispunjen Stokesov zakon.

Čvrsta tijela kao što su kristali ZnS i CdS, zatim GaAs, InSb i sl., vezana su kovalentnom vezom, pa se, prema tome, najpogodnije tretiraju pomoću zonske strukture osnovne rešetke u koju je ugrađen aktivatorski ion. Prilikom pobude elektron prelazi iz popunjene valentne zone u vodljivu, ostav ljajući šupljinu u valentnoj zoni, o čemu će još biti govora kod poluvodičkih lasera.

Čvrsta tijela kao što su alkalni halogenidi, fosfati, volframati, silikati i sl., mogu se tretirati kao ionski materijali: njihova svojstva primarno su određena aktivatorskim ionom. Valna dužina apsorbirane radijacije određena je energijom koja je potrebna da se pobudi taj ion, a njena pripadna linija proširena je radi vibracije rešetke. (Goldberg).

Pogledajmo detaljnije luminiscenciju čvrstih tijela kod kojih aktivnost potječe od ugrađenog iona, odnosno od njegovih lokaliziranih nivoa.

Ion ugrađen u kristalnu rešetku osjeća djelovanje jakih električnih sila okolnih iona (ili dipola), koji tvore kristalno polje, ili polje liganada. Ovo polje izaziva cijepanje multipleta slobodnog iona za približno 104 cm^-1. Budući da su ta cijepanja tako velika, perturbirajući utjecaj kristalnog polja može djelovati i mimo LS vezanja (Goldberg).

Od faktora koji utječu na cijepanja multipleta slobodnog iona u kristalnom polju, navedimo sljedeće:

1. Osnovno stanje multipleta slobodnog iona

2. Simetrija kristalnog polja: u svim slučajevima uzima se da polje sadrži veliku kubičnu komponentu, dok su aksijalne ili ortorombske komponente male

3. Koordinacija rešetke

4. Jakost kristalnog polja

5. Efekti kovalentnog vezanja
   
    

Eksperimenti pokazuju da najinteresantnija optička svojstva imaju ioni prijelaznih elemenata (metali Cr, Fe, Ni,...), kao i rijetkozemljeni ioni (Eu, Nd, Y,...), ugrađeni u neke izolatorske materijale.

U slučaju prijelaznih elemenata optička svojstva određuju unutrašnji 3d elektroni, odnosno 4f u slučaju lantanida, koji su vanjskim oblakom zaštićeni od okolnih utjecaja (slika). Oni su nosioci laserske akcije u mnogim materijalima, budući da se pokazuju kao veoma efikasni aktivatori.

(slika 19)

OPTIČKO PUMPANJE

Promotrimo princip optičke pobude čvrstog tijela - optičkog pumpanja - i njegove karakteristike u tri varijante djelovanja, koje prikazuje slika. Ove varijante nisu ništa drugo nego različite varijante populacijske inverzije primijenjene na čvrsto tijelo.

U prvom slučaju svjetlost frekvencije  pobuđuje atome sa nivoa 1 na nivo 3. Tada, jer je nivo 2 prazan, a atomi pobuđeni na nivo 3,

može nastupiti stimulirana emisija u prijelazu E₃ à E₂. Budući da je pojačanje inverzno proporcionalno širini linije, nivo 3 neće biti jako širok. Ovo možemo i okrenuti i reći da je prijelaz u pumpanju E₁ à E₃ vrlo uzak, te tako samo uska vrpca dolazi u obzir za pumpanje (slika 20).

(slika 20: tri varijante optičkog pumpanja)

Ako aktivna supstanca ima nivoe kao na slici, uzbudna svjetlost podiže atome sa nivoa E₁ na nivo E₃. Sa E₃ oni se vrlo brzo relaksiraju neemisivnim procesom ako je u čvrsto tijelo ugrađen aktivni atom. Tako se pumpanje može nastaviti sve dok polovina atoma nije dignuta na nivo E₂ a stimulirana emisija koja tada nastupa ide od E₂ na E₁. U ovakvoj konfiguraciji nivoa emitirana linija će biti oštra, dok će uzbudni pojas biti širok, pa je moguća primjena velikog broja valnih dužina za ovaj proces.

Shema sa četiri nivoa predstavlja kombinaciju prijašnjih dvaju. Široki pojas, sastavljen od mnogo linija, može se koristiti za pumpanje, dok stimulirana emisija može biti sadržana u jednom uskom prijelazu na prazni niži nivo. Takve kombinacije na 4 nivoa koriste se kod kristala sa rijetkozemljenim ionima, staklima, plastikama, pa čak i tekućinama.

Uz pretpostavku da imamo čvrsto tijelo zadovoljavajućih luminiscentnih svojstava, spomenimo da ono mora dobiti i odgovarajući geometrijski oblik za ostvarenje laserske akcije. (obično šipke). U najvećem broju slučajeva to se ostvaruje, izvlačenjem iz taljevine u koju je dodan odgovarajući postotak aktivatora. Slika prikazuje monokristalne šipke kalcij volframata dopirane ionima rijetkih zemalja. Optička pobuda kristalnog materijala u formi šipki vrši se pomoću svjetlosnih izvora kao što su fluorescentne cijevi (bljeskalice), koje mogu biti različite konstrukcije, a obično se susreću kao spiralne ili linearne. Sistem optičkog pumpanja uključuje pored svjetlosnog izvora i reflektor, koji okružuje cijelu aktivnu materiju. Njegova je uloga da vraća svjetlost, koja bi se inače izgubila prema aktivnoj materiji, povećavajući tako gustoću  uzbudnog zračenja. Presjek reflektora obično je eliptičan, ali se susreću i takvi koji se sastoje od dva ukrštena eliptična reflektora.

Čvrsti kristal u obliku štapića - laserska šipka - stavlja se u jedan fokus elipse, a linearna bljeskalica u drugi (slika 21).

(slika 21: eliptički reflektor)

Kod rnale snage pobude impulsi bljeskalice sastoje se iz mnoštva emisionih vrhova trajanja 1 mikrosekundu, odvojenih intervalima 5 - 10 mikrosekundi. Povećavanjem snage pobude rastojanje medu vrhovima se smanjuje, a amplituda raste. Razumije se, uzbudna snaga mora biti velika da bi se postigla velika snaga emisije. Katkada ona prelazi i nekoliko tisuća Joula.

RUBINSKI LASER

Jedan od najpoznatijih lasera i ujedno prvi konstruiran je laser kod kojeg se kao aktivni medij primjenjuje kristalna šipka sintetskog rubina. Rubin je zapravo aluminijev oksid Al₂O₃ koji sadrži 0,05 težinskih postotaka Cr₂O₃, što mu daje ružičastu boju. U ovakvom težinskom omjeru 1 kubni centimetar rubina sadrži 1,6 x 10¹⁹ iona Cr³⁺. Povećanjem koncentracije kromovih iona boja kristala mijenja se u crvenu, a valna dužina emisije od 694,3 nm na 700,9 i 704,1 nm. (Lengyel).

Kristalografska simetrija rubina je (gotovo) kubična, sa malom distorzijom uzduž prostornih dijagonala. Posljedica distorzije je romboedarska simetrija, pa je kristal uniaksijalan, a optička os poklapa se sa rotacijskom osi III reda.

Rubinska šipka mora biti homogena, bez defekata, a rubne površine rezane i optički polirane, pod kutom od 60° ili 90° prema kristalografskoj osi. Ovo je od izuzetne važnosti za ostvarenje laserske akcije, jer stimuilrana emisija najbolje teče u takvoj geometriji aktivnog sistema.

Pogledajmo najprije luminiscentna svojstva rubina. Ona su bitno određena prisustvom kromovih iona u rešetki.

U kristalnoj rešetki svaki aktivni ion okružen je kristalnim poljem, koje održava simetriju rešetke. U konkretnom primjeru, rubinu, Cr³⁺ ion okružen je poljem Al₂O₃ rešetke, koja uzrokuje cijepanje degeneriranih nivoa slobodnog iona. Koliki će biti stupanj cijepanja, tj. da li će biti rascijepljeni svi nivoi, ili samo jedan dio, ovisi o simetriji polja. Separacija među rascijepljenim nivoima ovisi o jakosti polja, a ova opet o silama vezanja.

Može se pokazati da se u polju oktaedarske simetrije nivo ⁴F slobodnog Cr³⁺ iona cijepa na tri nivoa, koje označujemo sa ⁴F₁, ⁴F₂ i ⁴A₂, sa pripadnim multiplicitetima 12, 12 i 4. Isto tako, sljedeći nivo ²G cijepa se na nivoe: ²A₁ ²F₁, ²F₂ i ²E, sa multiplicitetima 2, 6, 6 i 4.

Energetska shema, koja odgovara ovom cijepanju, izgleda kao na slici 22. Premda fizikalno i matematičko tretiranje laserske akcije na ovakvom sistemu nije sasvim jednostavno, možemo se poslužiti simplificiranom shemom koja se bazira na tri nivoa. Možemo, dakle, koristiti ranije opisani mehanizam populacijske inverzije na 3 nivoa s time da su pojedini nivoi zapravo vrpce velikog multipliciteta. Da bismo mogli objasniti lasersku akciju pomoću gornje sheme energetskih nivoa koja vrijedi za slučaj rubina, potrebno je u njoj dati konkretnu sliku elektronskih prijelaza. Uz to, označićemo nivoe bitne za lasersku akciju sa 1, 2 i 3, kako bi sličnost sa ranije danim opisom bila što veća.

(slika 22: energetski nivoi u rubinu)

POLUVODIČKI LASER

Poluvodički laser (diodni laser), predstavlja sićušni kristal, proizveden atomskom točnošću, podjeljen u dva osnovna područja, s različitim električnim svojstvima. Na tzv. n-strani višak elektrona predstavlja nosioce struje. Na tzv. p-strani prevladavaju šupljine koje predstavljaju nedostatak elektrona. Kad se na p-stranu primijeni pozitivan napon, a na n-stranu negativan, elektroni i praznine poteknu jedni prema drugima. Čestice se sretnu u ultratankom prostoru koji se naziva kvantna jama, gdje se rekombiniraju pri čemu dolazi do emisije fotona. Ako su krajevi diode ujedno i visokoreflektirajuća zrcala dolazi do laserskog efekta, emitiranja istovrsnih koherentnih fotona. Energija fotona (boja svjetlosti) određena je svojstvima poluvodičkog spoja, iznosom energijskog rascjepa (engl. band-gap). Npr. za GaAs lasere taj energijski rascjep iznosi 1,45 eV, što odgovara emisiji fotona valne duljine 885 nm.

LJUBIČASTI I PLAVI POLUVODIČKI LASERI

1996. godine fizičar Shuji Nakamura iz Nichia firme uspješno je pokazao da GaN može u posebnoj izvedbi biti iskorišten za dobivanje plavog odnosno ljubičastog lasera. Tada mu je to pošlo za rukom na valnoj duljini od 410 nm, ali samo u pulsnom načinu radu i u trajanju od ukupno 28 sati rada lasera. Na konferenciji u Baltimoru u mjesecu svibnju 1997. godine Nakamura je imao pozvano predavanje gdje je izvjestio o ljubičastom laseru na 405 nm i to u kontinuiranom režimu rada s ukupno rekordnih 35 sati trajanja i to na sobnoj temperaturi. Firma Nichia već je obećala redovnu proizvodnju ljubičastih poluvodičkih lasera u 1998. godini ili možda početkom 1999. godine. Time je definitivno utrt put c.w. (continuous wave) plavim i ljubičastim laserima, koji će promjeniti svijet elektronike i infromatike u cjelini. Povećanje gustoće memorijskog zapisa za četiri puta je svakako vrlo privlačan cilj. Samo jedan mali sloj na prijelazu između p i n tipa puluvodičkog materijala odgovoran je za lasersku akciju. U tom dijelu se elektroni i šupljine rekombiniraju emitirajući koherentnu svjetlost, koja se pojačava unutar rezonantne kutije malih dimenzija. Snop laserske svjetlosti prilično se širi unutar konusa eliptičnog presjeka. Potrebna je posebna leća da ovako divergentan snop usmjeri u paralelni snop, kao što smo već naviknuti kod laserskih pokazivača. Pomoću GaN, odnosno, AlGaN tehnologije postiže se laserski efekt u danas najzanimljivijem spektralnom području između 400 i 500 nm. Poluvodički materijal ZnSSe omogućuje izradu plavo-zelenih lasera s valnom duljinom u intervalu od 490 do 528 nm. Poluvodički materijal na bazi GaAs s odgovarajućim dopantima omogućuje lasersku akciju u području od 635 do 900 nm.