Néhány badarság a kristályokkal kapcsolatban:
Hogyan is működik?A probléma megértéséhez tekintsük át a LED működési elvét. Az áramforrás a dióda anyagában levő atomok elektronjait gerjeszti, ezáltal ezek nagyobb energiaszintű pályára kerülnek, majd miközben visszatérnek helyükre, közben fotonokat bocsátanak ki. Természetesen nagyobb feszültség hatására nő a kisugárzott fotonok mennyisége is, de ez csak egy bizonyos nyitóirányú áramértékig igaz, ahonnan már nem nő jelentős mértékben. A kibocsátott fény színe függ a félvezető anyag összetételétől. Az első, 1907-ben kifejlesztett LED szilikon-karbid tartalma miatt sárgás fényű volt. A maihoz hasonló diódákat az 50-es években az USA-ban fejlesztették ki, melyek zöld, vörös és sárga színű fényt bocsátottak ki. Utóbbi kettőhöz alkalmazott összetevő a gallium-arzenid, a zöld színhez pedig gallium-nitrid szükséges.
Mi az oka, hogy nagyobb feszültségnél nem nő a hatékonyság?
Kutatók először nitrid alapú LED-ekben próbálták meghatározni ennek okát, a hőveszteségre gyanakodtak. De hamar elvetették ezt az elméletet, mivel rövid, pulzáló feszültség rávezetésénél is elég ideje volt az eszköznek lehűlni. A japán Nakamura és kutatótársai 1996-ban elektronmikroszkóppal vizsgálták meg a diódákat, és azt találták, hogy az anyag nem egyenletes. A kristályszerkezetet jobban megvizsgálva azt tapasztalták, hogy vannak indiumban gazdag „világosabb", illetve indiumban szegényebb „sötét" részek. Nakamura szerint a magas hatásfok ki áramerősségnél annak tudható be, hogy nagy az elektronok és üres helyek újrakombinálódásának száma. Nagyobb áramerősségnél azonban a telítődés helyzete lép fel. Ezt a klaszterelméletet azonban a cambridge-i egyetem kutatócsoportja megdöntötte 2007-ben. Mindenestre ez az elmélet fontos szerepet játszott a kutatásban. A Philips kaliforniai kutatócsoportja megfigyelte az elektronok újrakombinálódását, melyet egy 20. századi francia kutatóról Auger-effektusnak neveznek. "
Ez az effektus abban nyilvánul meg, hogy egy elektron kilépése az atomból egy másik elektron kilépését vonja maga után. Ez a másodjára kibocsátott elektron az Auger-elektron. Egészen pontosan, ha egy elektron elmozdul az elektronhéj alsó szintjéről, az ott maradt helyre egy elektron kerül magasabb energiaszintről. A folyamat energiafelszabadulással jár. Ez az energia néha foton formájában távozik, azonban ezt az energiát egy másik elektron is megkaphatja, és elhagyhatja az atomot." Ez a jelenség mindig fennáll. Viszont arányos az atomok sűrűségének négyzetével. Így a jó hír az, hogy nagyobb áramerősségnél az atomok számát csökkentve növelhetjük a hatékonyságot - a kutatók a kvantumcsatorna méretét 3-4 nanométerről 13 nanométerre növelték. Ez az elrendezés alacsony áramerősségnél kevésbé effektív, azonban magasabb áram esetén annál inkább.
Az IEEE Spectrum The LED's Dark Secret című cikke nyomán.
“
A piezoelektromosság olyan elektromos jelenség, melynek során bizonyos anyagokon (kristály, kerámia) összenyomás hatására elektromos feszültség keletkezik, illetve elektromos feszültség hatására alakváltozás jön létre. Ilyen kristály például a kvarc (SiO<sub>2</sub>). Egy piezoelektromos kristály saját rezgését nagyon pontosan tartja, ez adja a „kvarcórák” időalapját…“
A lézerekről dióhéjban: A
LASER mozaikszó a „
Light
Amplification by
Stimulated
Emission of
Radiation” angol kifejezésből ered. Ez a kifejezés, aminek jelentése „Fényerősítés indukált emisszióval” már magában foglalja a lézerek működési elvét.
A lézerműködést számos jelenség kíséri. Ezek a lézer működése során párhuzamosan játszódnak le.
Ilyen jelenségek:
-Spontán emisszió: Valamilyen gázt, folyadékot, vagy szilárd anyagot energia befektetésével gerjesztett állapotba hozhatunk. Egyatomos gázoknál (pl. nemesgázoknál) ez úgy néz ki, hogy az atommag körül egy jól meghatározott távolságban keringő elektronok a gerjesztés hatására távolabb kerülnek az atommagtól, mint alapállapotban. Ez az állapot viszont nem stabil, és az atom az energiaminimum elvének megfelelően a legkisebb energiájú állapot, az alapállapot elérésére törekszik. Az alapállapotba való visszaugrás spontán bekövetkezhet egy gerjesztett atom esetében, még akkor is, ha még fennáll a gerjesztést előidéző hatás. Az, hogy egy bizonyos anyag atomjainak/molekuláinak gerjesztett állapota mennyire stabil, az anyagra jellemző tulajdonság. Az atom alapállapotba való visszatérésekor a gerjesztett atomból egy foton repül ki. Ennek a fotonnak pontosan akkora energiája van, mint amekkora energiakülönbség volt a gerjesztett és az alapállapotú atom között. Másképp megfogalmazva a kirepülő foton energiája pontosan akkora, mint a gerjesztett pályára került elektron és az alapállapotú pályán keringő elektron potenciális energiájának különbsége. Ezt röviden így szoktuk kifejezni: E2-E1=h*f, ahol E2 a gerjesztett atom energiája, E1 az alapállapotú atom energiája, h a Planck-állandó és f a kisugárzott foton frekvenciája. Az egyes anyagok gerjesztés hatására rájuk jellemző hullámhosszokon emittálnak fotonokat, ezt a spektroszkópiában használják ki.
(Az anyagokat gerjesztett állapotba hozhatjuk, pl. elektromossággal, melegítéssel, fénnyel és egyéb elektromágneses hullámokkal.)
-Abszorpció: Az atom fotonnal való ütközése során gerjesztett állapotba kerülhet, miközben a foton elnyelődik. (A foton az elektron(ok) potenciális energiájává konvertálódik.)
-Indukált emisszió:Amikor egy gerjesztett állapotú atom mellett elhúz egy foton, akkor az atomot „leverheti” gerjesztett állapotából, miközben az alapállapotba visszaugró atom egy pontosan olyan tulajdonságokkal rendelkező fotont bocsát ki, mint amilyen foton leverte őt a gerjesztett állapotából. A keletkezett foton tehát megegyezik az őt keltő fotonnal a terjedési irányában, a hullámhosszában, a polarizációjában, fázisában.
Ez a három jelenség teszi lehetővé a lézerek működését. Gondoljuk át: van egy bizonyos térfogatnyi gázunk, pl. széndioxid gáz. Ezt a gázt nagyfeszültségű árammal gerjesztjük, aminek hatására a gázban megvalósul a spontán emisszió. A spontán emisszióban keletkezett fotonokkal továbbhaladva két dolog történhet: az egyik az, hogy elnyelődnek, a másik pedig, hogy indukált emissziót idéznek elő, vagyis gerjesztett atomokat vernek le a gerjesztett állapotukból -újabb fotonokat indukálva ezzel. A dolog persze azért nem ilyen egyszerű, ugyanis a fény erősítése csak akkor jöhet létre, hogyha a gázunkban a gerjesztett atomok számossága nagyobb, mint az alapállapotban levő atomoké. Amikor több gerjesztett atom van a gázunkban, mint ahány alapállapotú atom, akkor a spontán emisszióban keletkezett fotonok nagyobb eséllyel idéznek elő indukált emissziót, és az indukált emisszióban keletkezett fotonok nagyobb eséllyel idéznek elő újabb indukált emissziót. Éppen ezért ez az állapot elengedhetetlen a lézerünk működéséhez, és ez annyira fontos, hogy külön nevet is kapott. Tehát amikor több gerjesztett állapotban lévő atom van a közegünkben, mint alapállapotban lévő atom, akkor azt mondjuk, hogy megvalósítottuk a közegben a populáció inverziót. Azt a közeget, amiben megvalósítottuk a populáció inverziót, aktív közegnek vagy erősítő közegnek nevezzük.
Ha lézert akarunk építeni, akkor szükségünk van egy rezonátorra is, ami egyrészt gondoskodik a fotonoknak az aktív közegbe történő visszavezetéséről, másrészt pedig a teljesítmény kicsatolásáról. A rezonátor két tükörből áll. Ezeknek a tükröknek tökéletesen párhuzamosaknak kell lenniük egymással. Az egyszerűség kedvéért lássunk egy pár ábrát:
Ezen az ábrán az látható, hogy erősödik a fény az aktív közegben. Ha az aktív közegen átküldünk egy fotont, akkor az a foton újabb fotonokat kelt. Az aktív közegbe belépő nyaláb intenzitása I<sub>0</sub>, az aktív közegből kilépő nyaláb az erősítés után I<sub>0</sub>*e<sup>A*l</sup>, ahol A szám az erősítő közegre vonatkozó erősítési tényező, l pedig az aktív közeg hossza. Minél nagyobb ez az A szám, annál jobb az erősítő közegünk. Másrészről minél hosszabb utat tesz meg a foton az aktív közegben, annál nagyobb mértékben erősödik a belépő fénysugár. Azt, hogy hosszú utat tegyen meg egy fénysugár az erősítő közegben nem az aktív közeg méretének növelésével szokták megoldani a gyakorlatban, hanem tükrök alkalmazásával. Az aktív közeget két párhuzamos tükör közé helyezik, az egyik tükör nagy visszaverő képességű tükör, ezt végtükörnek nevezzük (ezt a tükröt „HR”-ként emlegetik az angol nyelvű források). A másik tükör a kimeneti csatoló, amely a ráeső fény egy részét visszaveri, a másik részét pedig átereszti, ez gondoskodik az energia rezonátorból való kicsatolásáról (ezt az angol nyelvű források „OC”-ként emlegetik). A tükör visszaverőképességét %-ban szokták megadni. Pl. egy 80%-os visszaverő képességű tükör a ráeső fény 80%-át visszaveri és 20%-át átengedi. (Persze a tükrökön lehetnek kisebb-nagyobb veszteségek, amik pl. abból adódnak, hogy a tükrökre eső fény energiájának egy része a tükör felmelegítésére fordítódik, ebből következik, hogy nincs 100,00%-os visszaverő képességű tükör, hanem pl. csak 99,998%-os. Ez gyakran okoz gondokat a lézerek építésénél. Nagy teljesítményű lézereknél a tükörtartókba vizet szoktak vezetni, hogy hűtsék a tükröket és a tükörtartókat!)
A következő ábrán egy fénynyaláb többszöri visszaverődés utáni erősödése látható.
Számoljunk! Mondjuk, hogy a végtükör felületéről egy I<sub>0</sub> intenzitású fénynyaláb indul el az aktív közegen keresztül, majd a kimeneti csatolóról visszaverődve újra a végtükörhöz ér, innen visszaverődve pedig újra a kimeneti csatolóra. Próbáljuk meg kiszámolni a tükrök visszaverő képességének figyelembe vételével a nyaláb intenzitását a második visszaverődés után! Mondjuk, hogy a rezonátor hossza l, az erősítési tényező A, a végtükör visszaverő képessége R<sub>1</sub>, a kimeneti csatoló visszaverő képessége R<sub>2</sub>. Amikor a nyaláb először áthalad az aktív közegen, akkor az I=I<sub>0</sub>e<sup>A*l</sup> intenzitásúvá erősödik. A kimeneti csatolóról visszaverődve a nyaláb intenzitása R<sub>2</sub>-szörösére változik. Ez az R2*I0*eA*l intenzitású nyaláb az aktív közegen áthaladva ismét erősödik immáron I=R<sub>2</sub>*I<sub>0</sub>*e<sup>A*l</sup>*e<sup>A*l</sup> intenzitásúvá. Továbbgondolva a problémát egyszerűen rájöhetünk, hogy az intenzitás a második visszaverődés után I=R<sub>2</sub>*I<sub>0</sub>*e<sup>A*l</sup>*R<sub>1</sub>*e<sup>A*l</sup>*e<sup>A*l</sup>.
Szerintem hagyjuk békén a kristályokat, mert még fikarsznyit sem tudunk róluk!!!