Wechselwirkung zwischen Photonen und Elektronen Die Unschärferelation (Heisenberg): Wellenpakete
Spontane und stimulierte Emission des Lichtes Spontane Emission Breite Winkelverteilung der emittierten Photonen Das Frequenzspektrum ist breit Die Photonen sind nicht kohärent (Phasenverschiebung) Stimulierte Emission – verlangt wird: Enge Winkelverteilung der emittierten Photonen Schmales Frequenzspektrum (eine gut definierte Frequenz) Gute Kohärenz der Photonen (keine Phasenverschiebung)
Laser – light amplification by stimulated emission of radiation Ein Elektron geht auf eine niedrigere Energieebene über. Das erste emittierte Photon (h21) reizt ein zweites Elektron an, die Energie auch zu senken. Weil es sich um gekoppelte Prozesse handelt, haben die Photonen die gleiche Phase (sind kohärent). Die Photonen haben immer noch eine breite Winkelverteilung.
Prinzip von Laser Einschränkung des Winkelbereiches Verbesserung der Kohärenz (der Emissionszeit) 3-Stufen-Laser und 4-Stufen-Laser
Helium-Neon-Laser Polarisation des Lichtes beim Brewster Winkel Zusätzliche Monochromatisierung
Halbleiter Laser
Direkte und indirekte Bandübergänge Halbleiter Laser Direkte und indirekte Bandübergänge Direkt: der Energieverlust der Elektronen ist nur in die Energie der emittierten Photonen umgewandelt Indirekt: der Energieverlust ist mit Änderung des Impulses (oder des k-Vektors) verbunden Emission eines Phonons (Wärme).
Absorption des Lichtes im Glas Halbleiter Laser Wellenlänge des emittierten Lichtes in Halbleitern mit direktem Bandübergang Absorption des Lichtes im Glas Minimum bei 1.3 m und 1.55 m
Halbleiter Laser Wellenlänge des emittierten Lichtes in Halbleitern mit direktem Bandübergang
Photolumineszenz von GaInNAs(Sb) III a: Ga, In V a: N, As, Sb Anwendungen VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), 10 GHz, 1.3 µm Kommunikationstechnik, Raman-Spektroskopie Optischer Verstärker für den Frequenzbereich 1.2 – 1.6 µm
Homo- und Heterostrukturen Homostrukturen: Gleiche Materialien für n und p Bereich, unterschiedliche Dotierung Heterostrukturen: Unterschiedliche Materialien mit abgestimmter Kristallstruktur und Eigenschaften Unterschiedlicher Brechungsindex für einzelne Materialien. Diese Struktur wirkt als „waveguide“. Nachteil: große Winkeldivergenz des Lichtstrahles (20° - 40°) Nur ein Teil des p-n Überganges ist genutzt. Im sonstigen Teil werden die Elektronen absorbiert solche Laser müssen gekühlt werden
Quantenstrukturen Quantenpunkte „Quantum dots“ und „quantum wires“ Ausbildung neuer (zusätzlicher) Energieebenen, wie in einem dotierten Halbleiter Quantenpunkte Sehr dünne Schichten (dots) zwischen relativ dicken Schichten (spacer) Oberflächenspannung selbst geordnete Strukturen (Punkte) sind energetisch günstiger
Quantenstrukturen Werkstoffe: InAs/AlAs, InAs/InSb, …, Mischkristalle Kristallstruktur: kubisch, Raumgruppe F-43m Unterschiedliche Gitteparameter Eigenspannungen im Kristallgitter Ordnung der Quantenpunkte a (InAs) = 6.058 Å a (InSb) = 6.4782 Å a (GaSb) = 6.095 Å a (GaAs) = 5.6538 Å
Materialien für selbst geordnete Halbleiterstrukturen Al … 3s2, 3p1 Ga … 4s2, 4p1 In … 5s2, 5p1 Si … 3s2, 3p2 Ge … 4s2, 4p2 P … 3s2, 3p3 As … 4s2, 4p3 Sb … 5s2, 5p3
Quantenstrukturen Ausbildung von atomaren Stufen Materialien: Ge/Si, Si1-xGex/Si
Zustandsdichte im Leitungsband (CB) und Valenzband (VB) für eine zweifache Heterostruktur (DH), einen Quantentopf (QW) einen Quantendraht (QWi) eine Quantenbox (QB)
Untersuchungsmethoden Quantenstrukturen Untersuchungsmethoden AFM (atomic force microscopy) STM (scanning tunneling microscopy) TEM (Transmissionselektronenmikroskopie) SEM (Rasterelektronenmikroskopie) Röntgenbeugung Elektronenbeugung Röntgenstreuung Anwendung Photodioden Laser Schnelle Transistoren
Optische Speicherelemente CD-ROM: Compact Disc Read Only Memory Höhe der „Stufen“ = /4 Phasenverschiebung zwischen der einfallenden Welle und der reflektierten Welle = /2 destruktive Interferenz 1