LEZIONE 2 I diodi Laser

1. LEZIONE 2 I diodi Laser

2. Si pensa che in futuro i diodi laser sostuiranno o saranno parte essenziale di qualunque altro tipo di laser – per esempio nei DPSS (Diode Pumped Solid State) nella maggior parte delle applicazioni. Rispetto a tutti gli altri Laser essi hanno caratteristiche molto vantaggiose: basso costo, lunga durata di vita, piccolissime dimensioni (paragonabili a quelle di un transistor), rendimento energetico elevatissimo, possibilità di essere fabbricati per emissioni in qualunque lunghezza d’onda, accordabilità con grande precisione. Ognuna di queste caratteristiche li rende essenziali in qualche campo di applicazione. Per esempio: la grande affidabilità e lunghezza di vita negli strumenti per il sequenziamento del DNA, che devono lavorare per giorni senza interruzione sul singolo genoma; il basso costo in tutte le applicazioni di elettronica commerciale (stampanti Laser, lettori e masteriz- zatori di CD-ROM, riproduttori di CD, DVD, Blu-Ray disk);

3. La grande affidabilita’ nei lettori di codici a barre delle casse dei supermercati, ecc., tutte applicazioni che erano inconcepibili prima dell’avvento dei diodi Laser. Nel nostro campo di interesse, la Fisica atomica, è la loro precisa accordabilità ad altissima risoluzione insieme all’alta potenza ottica che li rende preziosi e preferibili ad altri tipi di Laser accordabili, come per esempio i Laser a coloranti, molto più complessi, delicati, meno stabili e di esigente manutenzione. Daremo qui di seguito qualche informazione sulle caratteristiche dei diodi Laser e sul loro impiego in tutti quegli esperimenti che richiedono potenze ottiche di centinaia di mW e accordabilità con la precisione dei MHz nel campo ottico (centinaia di THz  1014 Hz): 1/108.

8. LASER A DOPPIA ETEROSTRUTTURA

9. Nella zona attiva gli elettroni e le lacune si ricombinano con emissione di un fotone per ogni processo elementare. Se la corrente supera una soglia si ha emissione stimolata

10. LUNGHEZZE D’ONDA DEI DIODI LASER • 375 nm – excitation of Hoechst stain, Calcium Blue, and other fluorescent dyes in fluorescence microscopy • 405 nm – InGaAs blue-violet laser, in Blu-Ray Disk (25 Gb/strato) and HD-DVD (15 GB/strato) drives • 445 nm – InGaN deep blue laser multimode diode recently introduced (2010) for use in mercury free high brightness data projectors • 473 nm – Bright blue laser pointers, still very expensive, output of DPSS systems • 485 nm – excitation of GFP and other fluorescent dyes • 510 nm - Green diodes recently (2010) developed by Nichia for laser projectors.

11. 532 nm – AlGaAs-pumped bright green laser pointers, frequency doubled 1064 nm Nd:YAG Laser or (more commonly in Laser pointers) Nd:YVO IR lasers (SHG) • 593 nm – Yellow-Orange laser pointers, DPSS • 635 nm – AlGaInP better red laser pointers, same power subjectively 5 times as bright as 670 nm one • 640 nm – High brightness red DPSS laser pointers • 657 nm – AlGaInP DVD drives, laser pointers • 670 nm – AlGaInP cheap red Laser pointers • 760 nm – AlGaInP gas sensing: O2 • 785 nm – GaAlAs Compact Disc drives • 808 nm – GaAlAs pumps in DPSS Nd:YAG Lasers (e.g. in green laser pointers or as arrays in higher- powered lasers) • 848 nm – Laser mice (sing.: mouse)

12. 980 nm – InGaAs pump for optical amplifiers, for Yb:YAG DPSS lasers • 1064 nm – AlGaAs fiber-optic communication • 1310 nm – InGaAsP fiber-optic communication • 1480 nm – InGaAsP pump for optical amplifiers • 1512 nm – InGaAsP gas sensing: NH3 • 1550 nm – InGaAsP fiber-optic communication • 1625 nm – InGaAsP fiber-optic communication, service channel • 1654 nm – InGaAsP gas sensing: CH4 • 1877 nm – GaSbAs gas sensing: H2O • 2004 nm – GaSbAs gas sensing: CO2 • 2330 nm – GaSbAs gas sensing: CO • 2680 nm – GaSbAs gas sensing: CO2

13. ASTIGMATISMO

15. PARAMETRI DI CONTROLLO DEI DIODI LASER Variazione della lungh. d’onda con la temperatura: Δλ/Δt = 0,2 nm/°K  2Å/°K a 795 nm Rispetto alla variazione della corrente di iniezione si ha: Δλ/ΔI = 0,01 nm/mA  0,1 Å/mA La frequenza ottica varia, per variazioni di temperatura, della quantità: Δf/Δt = (12  25) GHz/°K E per variazioni della corrente di iniezione: Δf/ΔI = (1  2) GHz/mA  0,1 Å/mA

16. I SALTI DI MODO (MODE HOPPING)

17. I SALTI DI MODO (MODE HOPPING) (ingranditi)

18. SPOSTAMENTO CON LA POTENZA

19. STABILIZZAZIONE DEI DIODI LASER La tecnica più comune è quella di stabilizzare la temperatura del diodo Laser a meno di qualche decimo di °K, e di ricorrere a tecniche di modulazione della corrente di iniezione (modulazione piccolissima per non peggiorare la risoluzione spettroscopica) per agganciare la riga Laser ad una riga atomica (per assorbimento in una cella ausiliaria di riferimento) per mezzo di una struttura di feedback con la corrente continua di correzione ottenuta dall’uscita di un rivelatore sincrono (Lock-in detector). Svantaggi…

20. COSA È IL LOCK IN Immaginiamo di avere un segnale di 10 nV alla frequenza di 10 KHz. Occorre amplificarlo. Un buon amplificatore a basso rumore avrà un rumore in ingresso di circa 5 nV/Hz1/2. Se la larghezza di banda dell’amplificatore è di 100 KHz e il suo guadagno è 1000, allora avremo all’uscita un segnale di 10 nV x 1000 = 10 µV e un rumore a larga banda di 5 nV/Hz1/2 x (100 kHz)1/2 x 1000 = = 1,6 mV. Non c’e’ speranza di misurare il segnale.

21. Se facciamo seguire all’amplificatore un filtro con un Q = 100 (*) (è un filtro molto buono, a banda molto stretta) centrato sulla frequenza del segnale (10 KHz) potremo rivelare segnali nella larghezza di banda di 10 KHz/Q = 100 Hz. Il rumore nella larghezza di banda del filtro sarà di 5 nV/Hz1/2 x (100Hz)1/2 x 1000 = 50µV , e il segnale sarà ancora di 10µV . Il rumore in uscita è ancora molto maggiore del segnale e non può essere misurato. (*) Il Q (fattore di merito) di un filtro è definito come il rapporto fra la larghezza di banda del filtro e la frequenza di lavoro: Q = f/f. La larghezza di banda è la risposta a – 3dB = 0,707 dall’ampiezza massima del segnale trasferito.

22. Ora facciamo seguire all’amplificatore un rivelatore sensibile alla fase o lock-in. Il lock-in può rivelare un segnale con una larghezza di banda strettissima, per esempio di 0,01 Hz! In questo caso il rumore nella banda passante sarà solamente di 5 nV/Hz1/2 x (0,01 Hz)1/2 x 1000 = 0,5 μV, mentre il segnale sarà ancora di 10 μV. Il rapporto segnale/rumore è ora uguale a 20 e il segnale potrà essere misurato con precisione. In conclusione: il lock-in è un amplificatore sensibile alla fase e a banda strettissima, e permette di ricavare segnali deboli immersi nel rumore purché se ne conosca la frequenza e la fase.

23. COME È FATTO IL LOCK IN (AMPLIFICATORE IN FASE, PHASE DETECTOR, RIVELATORE SENSIBILE ALLA FASE, RIVELATORE SINCRONO) amplificatore moltiplicatore filtro passa-basso Regolazione fase

25. Il segnale amplificato Vs con fase qs viene moltiplicato per un segnale di riferimento Vr che ha frequenza angolare wr e possibilità di variare la fase qr. Il segnale di uscita e’: Vout = Vs Vr sin(ws t + qs) · sin(wr t + qr) = = 1/2 Vs Vr cos([wr - ws]t + qs - qr) - - 1/2 Vs Vr cos([wr + ws]t + qs + qr) L’uscita del lock-in è la somma di due segnali, uno con frequenza somma e l’altro con frequenza differenza. Se mandiamo questo segnale ad un filtro passa-basso, la componente a frequenza somma viene eliminata. Che cosa resta?

26. Vout = 1/2 Vs Vr cos([wr - ws]t + qs – qr) Ma se le due frequenze sono uguali, allora il segnale di uscita sarà: Vout = 1/2 Vs Vr cos([wr - ws]t + qs - qr) = = (se wr = ws) = Vs Vr cos(qs – qr) In conclusione: Vout = Vs Vr cos(qs – qr) che è un segnale continuo. Questo segnale può essere filtrato con un filtro passa basso con costante di tempo lunga quanto si vuole.

28. LA STABILIZZAZ. DEL LASER PER AGGANCIO AD UNA TRANSIZIONE ATOMICA

29. AGGANCIO AD UNA TRANSIZIONE ATOMICA: L’AMPIEZZA! Profilo della transizione Frequenza ottica

30. EFFETTO DELLA PENDENZA SULLA FASE Profilo Profilo R R S S

31. LA RISPOSTA COMPLESSIVA DEL LOCK-IN: DERIVATA DEL SEGNALE

32. ESPERIMENTO: SI MODULA IL PARAMETRO DA STABILIZZARE Modulazione del Laser Tens. cont. di correzione

33. UN ALTRO ESEMPIO: RIVELAZ EFFETTO FARADAY (segnale piccolissimo)

34. IN QUESTO LABORATORIO • Si è scelta una seconda strada. Questa consiste nel portare all’estremo la stabilità in temperatura del diodo Laser. E stato allo scopo realizzato un sistema di stabilizzazione della temperatura molto sofisticato, con il quale si ottiene correntemente una stabilità di temperatura entro il millesimo di °K. • Vantaggio. • Il Laser senza la piccola modulazione della corrente di iniezione genera una riga più stretta • Tutta la struttura ottica ed elettronica è molto più semplice

35. SISTEMA DI CONTROLLO DELLA TEMPERATURA Si tratta di un servomeccanismo. Il sistema spia continuamente la tensione di errore, che è proporzionale alla differenza di temperatura Δt fra la temperatura desiderata e la temperatura attuale del Laser, e reagisce nel senso di cercare di minimizzarla. L’errore sulla temperatura del Laser dipende quindi evidentemente dalla più piccola tensione di errore che gli amplificatori possono trattare, la quale infine dipende da caratteristiche fondamentali degli amplificatori come la loro tensione di rumore, il drift della tensione di uscita con la temperatura, la stabilità del guadagno ecc. La prestazioni di un buon sistema di stabilizzazione di temperatura dipendono quindi dalla combinazione di molteplici scelte: componenti elettronici adatti, montaggio razionale, termostatizzazione dei circuiti ecc.

36. Il sistema di controllo della temperatura del Laser è del tipo PID (Proporzionale, Integrale, Derivativo). Queste operazioni vengono eseguite in tempo reale con amplificatori operazionali.

38. Testa del Laser

39. Data sheet di un diodo Laser da 70 mW a 785 nm

40. I “MODI” DEI LASER Modi longitudinali: sono i modi di oscillazione di un laser lungo la lunghezza della cavità. Ciascun modo longitudinale è a banda strettissima. Un laser a singolo modo longitudinale è a banda strettissima. Per i diodi Laser monomodo la larghezza di riga può essere di soli alcuni MHz. La differenza in frequenza fra i modi è data da:  = c/2L dove L è la lunghezza della cavità. Per esempio, in un laser ad HeNe con L = 20 cm = 0,2 m la riga Laser è un pettine di righe strettissime distanti (3 ·108 m/s) /0,4 m) = 750 MHz che occupa una larghezza complessiva di parecchi GHz.

41. Nei diodi Laser la cavità ottica è lunga solamente intorno a 0,5 mm. La distanza in frequenza fra i modi longitudinali risulterebbe:  = c/2L = (3 ·108 m/s)/5 ·10-4 m = 400 GHz che è molto più grande della larghezza del profilo del guadagno per emissione stimolata. Quindi i diodi Laser sono in genere monomodo.

42. PERCHÉ =c/2L ? • In una cavità lunga L possono alloggiare varie frequenze di oscillazione la cui lunghezza d’onda differisce poco l’una dall’altra. Per esempio, per due lunghezze d’onda  e ’ contigue, corrispondenti a M e ad M+1 onde stazionarie nella cavità, si deve avere: • M (/2) = L , e M+1 (’/2) = L • Ma  = c/. Quindi: • c/ = 2L/M , e c/’ = 2L/(M+1) • Da cui:   = [(M+1) – M](c/2L) = c/2L

43. FINE

44. BOBINE DI HELMOLTZ Il campo al centro delle bobine di Helmoltz è: B = (4/5)3/2 µ0 n i/R , dove i è l’intensità della corrente (che le percorre ambedue nello stesso senso), n il numero di spire, R il raggio e sono disposte a distanza R. Il campo sull’asse x delle bobine è sensibilmente costante nell’intervallo fra –R/2 e +R/2 dal centro del sistema.