Laserdiode & Faraday-Effekt (V39)

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1 Laserdiode & Faraday-Effekt (V39) 1. Laser Prinzip und Eigenschaften Optisches Pumpen Laserverstärkung Lasermoden und Selektion 2. Halbleiter-Laser pn-übergang Realisierung Kennlinien 3. Faradayeffekt Prinzip Zeeman-Effekt Optische Aktivität 4. Messaufbau im Praktikum Friedrich Stinzing, Physikalisches Institut II, September 2007

2 Prinzip des Lasers Laser: Light amplifciation by Stimulated Emission of Radiation Lichtverstärkung durch stimulierende Strahlung Atomares Zweiniveau -System: Zweites Photon (gleiche Wellenlänge, gleich Phase) Verstärkungsvorgang Licht wird beim Durchgang durch ein Medium geschwächt. Im thermischen Gleichgewicht: N 2 =exp E 2 E 1 kt N 1 Wesentliche Voraussetzung : Besetzungsinversion N 2 > N 1 durch Energiezufuhr

3 Vier und Drei-Niveau Laser: Pumpvorgang He-Ne-Laser Rubin-Laser BESETZUNGSINVERSION: Obere Laserniveau : Akkumulation (langlebig, breit) Untere Laserniveau : möglichst leer (kurzlebig) Pumpquelle: optisch ( Blitzlampe, Laser) elektrisch (Injektionsstrom) chemisch (Reaktionsenergie)

4 Laserverstärkung Intensität der Lichtwelle nach Durchlaufen durch den Verstärker der Länge L I 0 Aktives Medium I(L) =I 0 exp {γ(ν) L} I(L) Verstärkung des Photonenflusses pro Einheitslänge γ(ν) =(N 2 N 1 ) λ2 ( ν/2) 2 g(ν) =γ(ν 0 ) 8πt sp (ν ν 0 ) 2 +( ν/2) 2 Amplitudenverluste: Auskopplung Reflexion Absorption (intrinsisch) Schwellwertbedingung für den Laserbetrieb Linienform (z.b. Lorentzkurve) Transmissionscharakteristik γ thr stabiler Laserbetrieb

5 Laserresonator (Rückkopplung) optische Rückkopplung (Laserresonator) Airy-Funktion der Fabry-Perot-Resonator Transmission (m+1) te Teilwelle = m-te Teilwelle x â u(m+1) = u (m) x â u = u 0 X â m â = e α 2nL ul 2πi( e λ ) m=0 Amplitudenverluste Phasenverzögerung Konstruktive Überlagerung der Teilwellen optische Weg = k Wellenlänge 2 n L = k λ Es entstehen longitudinale Moden: Benachbarte Frequenzen (Abstand zweier Moden): ν 1 ν 2 = c λ 1 c λ 2 = c 2nL k+1 c 2nL k = c 2nL = νλ 2nL

6 Resonatormoden

7 Auswahl longitudinaler Moden Spiegel als Resonatoren: Optische Rückkopplung mittels Fabry-Perot Interferometer konstruktive Überlagerung optische Weg = k Wellenlänge 2 n L = k λ Abstand zweier Moden ν = c 2nL Bsp: L =1.5 cm, n=1, Δν = 10 GHz Etalon: dünne Glasplatte FPI Höherer Frequenzabstand Feinabstimmung durch leichte Kippung Monomodiger Laserbetrieb

8 Laserprinzip: Zusammenfassung Drei Hauptbestandteile des Lasers: 1) laseraktive Material (Laserniveaus) 2) Pumpquelle (Besetzungsinversion) 3) Resonator (Rückkopplung) + wellenlängenselektives Element

9 Laserbedingungen am pn-übergang Besetzungsinversion im Halbleiter Hochdodierte Laserdiode (stark dotierter p- und n- Halbleiter) breites Ver stärkungsprofil Inversion durch optisches Pumpen Beschuß mit hochenergetischen Elektronen Injektion von Minoritätsträgern im pn-übergang

10 pn-übergang ohne/mit Spannung U pn-übergang im thermischen Gleichgewicht: Angelegte Spannung U: Nichtgleichgewichts- Situation: unterschiedliche Ferminiveaus Gleichgewicht:

11 Laserdiode (Besetzungsinversion) pn-übergang (hoch-dotiert) Donatorkonzentration > Atome/cm 3 Bänder der p/n-regionen gegeneinander verschoben Ferminiveau konstanter Wert (innerhalb des Leitungs- bzw. Valenzbandes) Positive Spannung U Egap / e kleine Zone mit Besetzungsinversion Laserbedingungen erfüllbar (schmalen Grenzschicht d 1 μm)

12 Laserdiode (Realisierung) kleine Abstrahlfläche sehr divergent Kollimation durch Linsen Intensität durch Strom regelbar Besetzungsinversion: hochdotierter pn-übergang Betrieb in Durchlassrichtung Inversion in schmalen Grenzschicht Optisches Pumpen : Injektionsstrom (einfach) Rückkopplung: Reflexion an der Oberfläche oft ausreichend (n 1)2 R = (n + 1) 2 n(gaas) = 3.6 R = 0.32

13 Monomode Betrieb für ein LD Wellenlängensensitives Element: Beugungsgitter (Littrow-Anordnung) Experimentelles Ergebnis: LED - Messung Faraday-Rotation

14 Kennlinien einer Laserdiode Abhängigkeit der Laserleistung vom Injektionsstrom und Temperatur Leistung eines Halbleiterlasers: starke Zunahme mit dem Injektionsstrom Schwellstrom I (thr) erhöht sich mit T I < I (thr) : spontane Emission dominiert große spektrale Breite I > I (thr) : Laserbetrieb Licht stärker fokussiert geringe spektrale Breite Oberhalb des Schwellstroms I (thr) starke Zunahme der Leistung

15 Faraday-Effekt

16 Erklärung: Zeemann-Effekt

17 Drehung der Polarisationsebene Drehung der Polarisationsebene wegen der unterschiedlichen Brechungsindizes für links- und rechtszirkulares Licht (Faraday-Effekt) Lineares Licht wird zu elliptisch polarisiertem Licht aufgrund der unterschiedlichen Absorption von σ + und σ- Licht (zirkulares Dichroismus)

18 Drehung der Polarisationsebene

19 Schematische Messanordnung Messprinzip: Lichtquelle: linear polarisiert variable Wellenlänge Laserdiode Material : Messung mit/ohne Magnetfeld Winkel der Faraday-Rotation Messung der Intensitätsanteile I und I mittels Strahlteiler Polarisationsrichtung

20 Messaufbau im Praktikum Polarisationsdetektoren (parallel,senkrecht) Externe Resonator λ-meter

21 Literaturverzeichnis 1. F. Kneubühl; Laser, Teubner, Stuttgart (1995) 2. H. Haken, H. Wolf; Atom- und Quantenphysik. Springer, Berlin (1996) 3. W. Demtröder, Experimentalphysik 3, Springer, Berlin (2000) 4. J. Jähns, Photonik, Oldenburg, München (2001)