Caratterizzazione del diodo

laser e misura della densit

atomica in cella di un vapore di

rubidio

Relazione di:

Tommaso Iaquinta, Teodora Palmas,

Jacopo Soldateschi, Marta Taddei

Introduzione e strumenti utilizzati:

CELLA DI PELTIER

La cella di Peltier un dispositivo termoelettrico formato da una sottile piastra, che funziona per

effetto Peltier. Una delle due superfici assorbe il calore mentre l'altra lo emette. La direzione in cui

il calore viene trasferito dipende dal verso della corrente applicata ai capi del dispositivo (effetto

Peltier) .

DIODO LASER GaAs

SEMICONDUTTORI

I materiali si dividono in conduttori, semiconduttori e isolanti.

Nella figura (a) mostrata la struttura a bande di un conduttore:come si vede la banda di energia pi

alta contenente elettroni parzialmente occupata, vi sono cio degli stati liberi sopra al livello di

Fermi. Se applichiamo un campo elettrico E, gli elettroni di questa banda possono incrementare la

loro quantit di moto in direzione opposta al campo, creando cos una corrente.

Nella figura (b) mostrata la struttura di un isolante: la banda di energia pi alta contenente

elettroni completa e l'intervallo proibito sovrastante (Eg) di dimensioni considerevoli; da ci

Illustrazione: Le bande complete sono colorate; le bande vuote sono grigie; il triangolo nero

indica il livello di Fermi per il conduttore.

segue che, pur applicando un campo elettrico, nessun elettrone ha la possibilit di reagire e dunque

nel materiale isolante non si crea nessuna corrente.

Nella figura (c) mostrata la struttura di un semiconduttore: qui l'intervallo proibito Eg limitato e

superabile da elettroni per eccitazione termica (a basse temperature sono isolanti, al crescere della

temperatura invece aumenta la conducibilit). Cos possiamo trovare alcuni elettroni nella banda di

conduzione; nel loro passaggio tali elettroni hanno lasciato delle lacune (che hanno massa e

cammino libero medio prossimi a quelli degli elettroni) nella banda di valenza.

I semiconduttori si dividono in due gruppi: i semiconduttori intrinseci (cristallo semiconduttore

perfetto, senza impurezze) e i semiconduttori estrinseci o drogati ottenuti introducendo impurit nel

reticolo cristallino, ossia sostituendo atomi del semiconduttore con atomi di altri elementi.

DIODO LASER (light amplification by stimulated emission of radiation)

Il funzionamento del diodo laser si basa sul processo di inversione di popolazione di elettroni che,

pompati nella banda di conduzione, lasciano lacune nella banda di valenza (il mezzo responsabile

dell'emissione stimolata un solido semiconduttore di GaAs).

Come si vede dall'immagine sopra, il mezzo in cui avviene l'emissione collocato tra la zona p

(GaAlAs) e la zona n (GaAlAs), caratterizzate da un intervallo di energia proibita pi ampio di

quello del mezzo attivo.

Inoltre, caratteristica importante il loro minore indice di rifrazione n, che fa s che la radiazione

uscente sia confinata per riflessione totale interna (confinamento ottico). La zona attiva costituisce

una cavit Fabry-Perot (le estremit sono lavorate in modo da ottenere superfici piane e parallele

che riflettano una certa porzione dell'onda elettromagnetica: i fotoni emessi vengono riflessi pi

volte dalle due superfici. Questi molteplici passaggi determinano un'amplificazione del fascio stesso

(per emissione stimolata), ma anche una perdita per assorbimento e per riflessioni non totali sulle

due superfici.

Il diodo laser viene utilizzato in modalit di polarizzazione diretta: le lacune provenienti dalla

regione p vanno a inserirsi nella regione n (dove gli elettroni sono i portatori maggioritari di carica),

gli elettroni dalla regione n si inseriscono nella regione p, (dove le lacune sono i portatori

maggioritari). Tuttavia, alcuni elettroni e lacune diffondono anche nella zona attiva (strato attivo

GaAs). Riassumendo, l'inversione di popolazione si ottiene inserendo cariche nella zona attiva,

giunzione tra una zona p e una zona n. Qui, elettrone e lacuna possono ricombinarsi per emissione

spontanea, ossia l'elettrone pu rioccupare lo stato energetico della lacuna, emettendo un fotone con

un'energia uguale alla differenza tra gli stati dell'elettrone e della lacuna coinvolti. Questi elettroni e

lacune iniettati rappresentano la corrente di iniezione del diodo.

Il diodio laser caratterizzato da una corrente di soglia al di sotto della quale il processo di

emissione solo spontaneo (il diodo laser funziona come un diodo led).

CELLA A RUBIDIO

Cella cilindrica contenete vapori di Rubidio.

Nel secondo esperimento abbiamo posto la nostra cella su un foglio di sughero isolante forato al

centro, in prossimit del bulbo della cella e poggiato su base metallica contenente un vano con

acqua, necessario per ottenere una temperatura costante uniformemente distribuita. Nel vano

abbiamo anche inserito un termometro.

EFFETTO LIAD (Light Induced Atomic Desorption)

Prima che tale effetto venisse scoperto non si riusciva a trovare una spiegazione al fatto che

aumentando l'intensit della luce incidente sulla cella (le cui superfici sono ricoperte da particolari

polimeri organici) aumenta la densit atomica del vapore di gas contenuto in essa. Questo

comportamento deriva proprio dall'effetto LIAD: il polimero organico adsorbe gli atomi metallici

presenti nei vapori del gas della cella (notiamo dunque una diminuzione della pressione). In seguito,

se stimolato da radiazione, il polimero rilascia tali atomi nel gas.

FOTODIODO

Il fotodiodo un componente che funziona come trasduttore, ossia riceve in ingresso un segnale

ottico e produce in uscita un segnale elettrico. Il fotodiodo un diodo a semiconduttore con

giunzione p-n drogata asimmetricamente.

Il fotodiodo, dunque, un dispositivo costituito da cristalli di silicio drogati maggiormente a

un'estremit, chiamata zona p e corrispondente all'anodo, con atomi trivalenti (solitamente Boro), e

in misura minore all'altra, chiamata zona n e corrispondente al catodo, con atomi pentavalenti

(spesso Arsenico). Nell'area interposta tra le due zone (congiunzione) c' una barriera di potenziale.

Strutturalmente la zona p, collocata in prossimit della porzione esterna del fotodiodo, rivestita da

uno strato antiriflesso, sopra al quale posizionata una lente che collima i raggi luminosi rendendoli

perpendicolari alla superficie incidente, e corredata da due elettrodi in ossido di silicio.

Ci sono due diversi modi di funzionamento del diodo a giunzione che dipendono da come si collega

il dispositivo ad una batteria.

Applicando una tensione V con il morsetto negativo alla zona p e con il morsetto positivo alla zona

n, il diodo polarizzato inversamente. Questo tipo di polarizzazione comporta un campo elettrico,

dovuto alla batteria collegata, nella stessa direzione del campo del diodo, portando ad un

allargamento della regione di congiunzione, ad una maggiore barriera (V -> V+V) e dunque ad una

riduzione del flusso di cariche maggioritarie. Cio, gli elettroni dal lato n e le lacune dal lato p

Zona p, zona di svuotamento , zona n.

Sotto: campo elettrico e barriera di

potenziale nella giunzione

incontrano maggiore difficolt ad attraversare l'area interposta tra le due zone.

Invece, i portatori di carica minoritari, cio le lacune dal lato n e gli elettroni dal lato p, non

risentono della barriera di potenziale e il loro spostamento crea la corrente di saturazione inversa Is.

Nel momento in cui un fotone incide sulla superficie del fotodiodo (illuminiamo la zona p) se

l'energia E=hv maggiore del bandgap tra banda di valenza e banda di conduzione del dispositivo,

si crea una coppia elettrone-lacuna libera, ossia un elettrone eccitato in banda di conduzione ed una

lacuna in banda di valenza. La coppia soggetta al campo elettrico generato dalla differenza di

potenziale applicata, dunque l'elettrone attratto verso la zona n, mentre la lacuna verso la zona p.

Nel fotodiodo si genera una corrente inversa proporzionale al numero di fotoni.

Se il morsetto positivo del generatore di tensione viene collegato al lato p e quello negativo al lato

n, si ha polarizzazione diretta. In questo caso, diminuisce la barriera di potenziale (V -> V-V) fino

alla totale scomparsa. Gli elettroni della zona n (portatori maggioritari) si spostano verso la zona p e

le lacune dalla zona p si muovono verso la zona n; ci d origine ad una corrente diretta nel diodo

che aumenta linearmente al crescere della tensione applicata. Esiste dunque un valore di soglia che

la batteria deve fornire solo per vincere la barriera. Il fotodiodo in modalit di polarizzazione diretta

si comporta come un comune diodo. Tuttavia non progettato per tale utilizzo perch il

surriscaldamento dovuto al passaggio della corrente danneggia gli elementi ottici.

Il funzionamento del fotodiodo a giunzione riassumibile nell'equazione

dove Ip la fotocorrente proporzionale al numero di fotoni.

IeV /V 0 I sI p

I fotodiodi a giunzione p-n tuttavia presentano un limite: i fotoni che incidono al di fuori della zona

di svuotamento creano una distorsione nella risposta del diodo (le coppie elettrone e lacuna non

risentono del campo elettrico presente nella zona di svuotamento e quindi non forniscono alcun

contributo alla corrente del fotodiodo). Per superare tale limite necessario ridurre la dimensione

delle regioni p ed n ed aumentare la dimensione della zona di svuotamento, inserendo un materiale

semiconduttore intrinseco (non drogato).

MISURATORE DI POTENZA LUMINOSA

Nella prima esperienza abbiamo collegato tale strumento al fotodiodo per calcolare le variazioni

della potenza in uscita dal diodo laser e dimostrare la dipendenza dalla temperatura e dalla corrente.

Procedimento:

1. Caratterizzazione del diodo laser:

Abbiamo visto come la potenza del diodo varia in funzione della corrente a varie temperature.

Come previsto dalla teoria, esiste una corrente di soglia sotto la quale si ha solo emissione

spontanea incoerente, e quindi la potenza prodotta minima. Per valori di corrente superiori alla

soglia si ha emissione stimolata coerente e quindi la potenza in uscita ha un andamento molto pi

ripido.

Inoltre, all'aumentare della temperatura, la curva caratteristica del diodo laser si sposta verso

destra. Ovvero, a parit di corrente iniettata, la potenza emessa diminuisce all'aumentare della

temperatura.

Riportiamo i dati relativi alle osservazioni:

30C

I(mA) P(microW)

0 0

3 1,21

5 2,53

6 3,32

9 5,99

10 6,89

12 9,09

15 12,86

16 14,36

19 19,39

20 21,34

25 35,11

27 43,66

29 56,03

30 64,83

31 77,38

32 95,07

33 132,4

34 223,3

34,5 374,8

35 613,7

36 1175

37 1777

40 3484

45 6350

50 9243

55 12200

60 15120

65 18120

70 21140

75 24280

80 27290

85 30500

90 33620

95 36790

100 40020

105 43230

05

1015

2025

3035

4045

5055

6065

7075

8085

9095

100105

110

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

40C

20C

I(mA) P(microW)

0 0

1,1 0,26

3,3 1,3

5 2,4

7,4 4,19

10 6,66

11,8 8,46

15,4 12,88

17 15,1

20,5 21,23

25,2 32,93

30,5 58,81

35,3 162

36,3 313,6

37 614,6

37,9 1148

39,5 2062

45 5263

50,6 8540

55,5 11440

60,3 14300

65,2 17250

69,8 20050

75,5 23630

79,8 26310

85,3 29780

90,3 32880

95,2 35940

99,9 38900

105,6 42630

05

1015

2025

3035

4045

5055

6065

7075

8085

9095

100105

110115

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

I(mA) P(microW)

0 0

1 0,26

3,4 1,48

5,3 2,8

6,9 3,97

10,1 7

11,6 8,66

15,1 13,17

17,2 16,54

20,4 22,98

24,8 36,25

30,4 88,64

31,2 105,5

32,7 314,2

33,5 658

35,1 1574

40,1 4440

45,3 7373

50,2 10110

55,3 13050

60,5 16120

65,4 18980

70,5 22050

75 24890

79,9 27880

85 31040

90 34180

94,9 37170

100,3 40600

105,3 43930

05

1015

2025

3035

4045

5055

6065

7075

8085

9095

100105

110115

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

Da cui otteniamo il seguente grafico finale:

2. Misura della densit atomica in cella:

Tramite un sistema di specchi abbiamo condotto il fascio al foto-diodo dopo averlo fatto passare

attraverso la cella contenente vapore di Rb. Essendo il rivelatore collegato all'oscilloscopio,

potevamo visualizzare la curva dell'intensit prodotta in funzione della frequenza del laser per

diverse temperature e diversi cammini ottici.

Collegando poi l'oscilloscopio al computer, tramite il programma di acquisizione dati Origin,

abbiamo potuto analizzare i vari grafici per ricavare la trasmissione del segnale, T=I/I0, in

corrispondenza dei picchi di assorbimento.

Dalla teoria sappiamo che:

Dove:

la sezione d'urto di assorbimento

N la densit atomica

L il cammino di assorbimento

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

Caratteristica Diodo Laser

Corrente di Soglia al Variare della Temperatura

30C

40C

20C

I(mA)

P(m

icro

W)

I=I 0 eNL

Inoltre, dipende dalla forma della riga di assorbimento che, in questo caso, data

dall'allargamento Doppler. Quindi,

Infine, la densit atomica data da:

Per il Rb:

gm =4

gn=2

sp= vita media per emissione spontanea

La corrente di iniezione era variabile secondo un'onda triangolare. Dato che la frequenza di

emissione del diodo laser dipende dalla corrente in ingresso, avevamo una spazzata di frequenze

all'interno della quale erano presenti i picchi di assorbimento.

Abbiamo poi misurato il rapporto I/I0 per un cammino ottico di 3L, 2L, 1L, dove L=8,4cm la

lunghezza della cella, e per diverse temperature.

Cammino ottico 3L

Saturazione

Abbiamo visto che il grafico dell'assorbimento saturato quello di seguito, da cui

abbiamo estrapolato il valore di I0 :

=

2

4 ln2

1D

g m

gn

1sp

N=1

Lln

I

I 0

20C

Cammino ottico 2L

20C

Cammino ottico 1L

Assorbimento saturato:

13C

20C

20,4C

22,6C

32,6C

47,3C

52,6C

55,9C

Riportiamo i valori delle intensit dei picchi di assorbimento e della FWHM e il valore calcolato

della densit atomica N:

3. Verifica dell'effetto LIAD:

Il LIAD consiste in una emissione di atomi stimolata da radiazione non risonante da superfici di

polimeri organici. Si tratta di un effetto prettamente non termico, di natura del tutto diversa dal

desorbimento causato da intensi impulsi laser che provocano un consistente surriscaldamento della

zona di incidenza, producendo una radicale alterazione dello stato fisico del materiale, infatti

abbiamo rilevato una temperatura costante di 21,9 C durante l'illuminazione della cella. Il

fenomeno si manifesta attraverso una copiosa emissione di atomi dai film organici illuminati da

radiazione incidente anche non laser: infatti nel nostro caso abbiamo utilizzato una fonte di

radiazioni da 410nm. Il polimero organico, in un primo momento, assorbe gli atomi metallici

presenti nella fase gassosa della cella, favorendo la diminuzione di pressione; successivamente, se

stimolato da radiazione, rilascia tali atomi nel gas. L'intensit dell'effetto LIAD decresce con la

diminuzione della potenza luminosa o con l'aumentare della lunghezza d'onda, cio col diminuire

Temperatura (C) Lunghezza 1L Lunghezza 1L

Intensit (mV) intensit (mV)

13 1,17 1,70E-003 0,42 2,30E-003

20,4 0,66 1,80E-003 0,36 2,20E-003

32,6 1,6 2,00E-003 0,93 2,30E-003

47,3 2,8 2,00E-003 1,86 2,60E-003

52,6 2,91 2,30E-003 2,01 2,70E-003

55,9 2,86 1,70E-003 2 2,00E-003

20 0,48 1,80E-003 0,28 2,10E-003

22,6 0,63 1,70E-003 0,35 2,10E-003

Lunghezza 2L Lunghezza 2L

20 1,04 1,80E-003 0,49 2,70E-003

Lunghezza 3L Lunghezza 3L

20 0,22 1,80E-003 0,13 2,10E-003

FWHM (0,0001 hz) FWHM (0,0001 hz)

Temperatura (C) N picco sinistro N picco destro

Lunghezza 1L Lunghezza 1L

13 2,00E+016 2,38E+016

20,4 2,21E+016 2,43E+016

32,6 1,89E+016 2,09E+016

47,3 1,69E+016 1,84E+016

52,6 1,67E+016 1,81E+016

55,9 1,68E+016 1,81E+016

20 2,33E+016 2,53E+016

22,6 2,23E+016 2,44E+016

Lunghezza 2L Lunghezza 2L

20 2,05E+016 2,32E+016

Lunghezza 3L Lunghezza 3L

20 2,65E+016 2,84E+016

dell'energia dei singoli fotoni. Abbiamo inoltre osservato che ll rilassamento del sistema pi lento

della sua eccitazione. Riportiamo in tabella i valori delle intensit e delle FWHM registrate per i

picchi sinistro e destro; questo ci hanno permesso di ricavare i valori delle densit atomiche in

atomi per metro cubo, a destra.

Conclusioni:

Per quanto riguarda la caratterizzazione del diodo laser, abbiamo ottenuto delle curve in accordo

con quelle previste dalla teoria: esiste una corrente di soglia di circa 33mA per una temperatura di

20C, che aumenta con l'incrementare della temperatura.

I risultati ottenuti per la densit atomica sono di due ordini di grandezza superiori ai valori in

letteratura: circa 2 *1016 atomi per metro cubo.

Sicuramente, parte dell'errore dovuto all'approssimazione con la quale abbiamo calcolato le

intensit dei picchi e le FWHM a partire dai grafici.

Infine, abbiamo effettuato una verifica dell'effetto LIAD: la densit atomica nella cella ricoperta

internamente di un certo polimero organico cresce all'aumentare della potenza luminosa incidente

su di essa.

Picco sinistro Picco destro Picco sinistro Picco destro

I I FWHM FWHM N

Luce spenta 0,69 0,37 0,0017 0,0019 7,0371E+015

Luce accesa (debole) 2,5 1,65 0,002 0,0024 1,1724E+016

Luce accesa (forte) 2,85 2,43 0,0018 0,0025 1,2201E+016