Wechselwirkung zwischen Photonen und Elektronen Die Unschrferelation Heisenberg

Wechselwirkung zwischen Photonen und Elektronen Die Unschärferelation (Heisenberg): Wellenpakete

Spontane und stimulierte Emission des Lichtes Spontane Emission Ø Breite Winkelverteilung der emittierten Photonen Ø Das Frequenzspektrum ist breit Ø Die Photonen sind nicht kohärent (Phasenverschiebung) Stimulierte Emission – verlangt wird: Ø Enge Winkelverteilung der emittierten Photonen Ø Schmales Frequenzspektrum (eine gut definierte Frequenz) Ø Gute Kohärenz der Photonen (keine Phasenverschiebung)

Laser – light amplification by stimulated emission of radiation 1. Ein Elektron geht auf eine niedrigere Energieebene über. 2. Das erste emittierte Photon (h 21) reizt ein zweites Elektron an, die Energie auch zu senken. 3. Weil es sich um gekoppelte Prozesse handelt, haben die Photonen die gleiche Phase (sind kohärent). 4. 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

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Helium-Neon-Laser Ø Polarisation des Lichtes beim Brewster Winkel Ø Zusätzliche Monochromatisierung

Halbleiter Laser

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).

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 Ga. In. NAs(Sb) III a: Ga, In V a: N, As, Sb Anwendungen Ø VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), 10 GHz, 1. 3 µm Kommunikationstechnik, Raman-Spektroskopie Ø 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 Nur ein Teil des p-n Überganges ist genutzt. Im sonstigen Teil werden die Elektronen absorbiert solche Laser müssen gekühlt werden Unterschiedlicher Brechungsindex für einzelne Materialien. Diese Struktur wirkt als „waveguide“. Nachteil: große Winkeldivergenz des Lichtstrahles (20° - 40°)

Quantenstrukturen „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: In. As/Al. As, In. As/In. Sb, …, Mischkristalle Kristallstruktur: kubisch, Raumgruppe F-43 m Unterschiedliche Gitteparameter Eigenspannungen im Kristallgitter Ordnung der Quantenpunkte a (In. As) = 6. 058 Å a (In. Sb) = 6. 4782 Å a (Ga. Sb) = 6. 095 Å a (Ga. As) = 5. 6538 Å

Materialien für selbst geordnete Halbleiterstrukturen Al … 3 s 2, 3 p 1 Ga … 4 s 2, 4 p 1 In … 5 s 2, 5 p 1 Si … 3 s 2, 3 p 2 Ge … 4 s 2, 4 p 2 P … 3 s 2, 3 p 3 As … 4 s 2, 4 p 3 Sb … 5 s 2, 5 p 3

Quantenstrukturen Ausbildung von atomaren Stufen Materialien: Ge/Si, Si 1 -x. Gex/Si

Zustandsdichte im Leitungsband (CB) und Valenzband (VB) für eine zweifache Heterostruktur (DH), einen Quantentopf (QW), einen Quantendraht (QWi) und eine Quantenbox (QB)

Quantenstrukturen Untersuchungsmethoden AFM (atomic force microscopy) STM (scanning tunneling microscopy) Röntgenbeugung TEM (Transmissionselektronenmikroskopie) Elektronenbeugung SEM (Rasterelektronenmikroskopie) Anwendung Photodioden Laser Schnelle Transistoren Röntgenstreuung

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 0