Proprietà ottiche

 

Forse, al giorno d’oggi, gli esempi più noti di dispositivi ottici a stato solido sono i laser, se consideriamo la enorme diffusione dei CD, delle stampanti laser e così via.

Ma molte applicazione delle proprietà ottiche dello stato solido erano ben note e di notevole importanza commerciale già prima dei laser. Ricordiamo, ad esempio, i LED (Light-Emitting-Diodes) e i fosfori.

Grosso modo, i diversi tipi di dispositivi si basano su due distinte situazioni:

1) la presenza di impurezze (come nel laser a rubino e nei fosfori). Ci si deve occupare in questo caso di spettri essenzialmente atomici, modulati e modificati dal reticolo.

2) la presenza di elettroni delocalizzati, con le proprietà ottiche a questi collegate (come nel caso dei LED o del laser GaAs).

L’assorbimento di radiazione luminosa da parte di materiali inorganici avviene perchè i fotoni modificano gli stati energetici degli elettroni. L’assorbimento di luce ultravioletta corrisponde all’eccitazione di elettroni tra bande di energia piene e vuote, l’assorbimento di luce visibile è spesso legata alla presenza di impurezze e difetti reticolari mentre l’assorbimento di luce infrarossa è associata alla eccitazione delle vibrazioni reticolari.

Quando i fotoni hanno energia minore del gap di banda, come per alcuni isolanti, tipo SiO2 e Al2O3, dove il gap è di 7-9 eV o il diamante (5.3 eV), la luce passa attraverso il solido senza venire assorbita e il campione appare incolore. Un cristallo di CdS invece, con gap di banda di 2.4 eV, assorbe i fotoni con lunghezza d’onda più corta del blu e appare quindi giallo arancio.

Quando sono presenti impurezze (ad esempio metalli di transizione in Al2O3) queste possono dar luogo ad assorbimenti nel visibile anche se il materiale ospite è incolore. Cristalli ionici tipo NaCl o MgO, completamente incolori per via dell'elevato gap, possono apparire colorati per la presenza di difetti, come i centri F. La presenza di difetti in materiali utilizzati per la trasmissione di luce è quindi un problema di grande importanza dal punto di visto tecnologico.

Ci occupiamo, per prima cosa, di queste situazioni.

 

Impurezze di metalli di transizione

Analizziamo le proprietà di ioni dn presenti come impurezze diluite in ossidi semplici, quali MgO e Al2O3. Impurezze di ioni sono sempre presenti negli ossidi anche quando questi sono prodotti in condizioni particolari, con grande purezza. Queste impurezze sono responsabili di importanti proprietà ottiche e possono determinare il colore dell'ossido, come nelle pietre preziose come lo zaffiro e il rubino. Da un punto di vista fondamentale questi sistemi offrono la possibilità di studiare i livelli elettronici di ioni dn isolati in reticoli di ossidi.

Le tecniche più importanti per lo studio di impurezze ioniche in ossidi sono la spettroscopia ottica e la spettroscopia di risonanza elettronica (ESR). Consideriamo ora il caso di impurezze di Cr3+ nel corindone Al2O3 (rubino). Lo ione Cr3+ 3d3 sostituisce lo ione Al3+ nei siti ottaedrici distorti del reticolo. Benchè la simmetria locale sia inferiore, la deviazione da un ottaedro perfetto è piccola e le transizioni si possono descrivere in termini di campo cristallino ottaedrico.

La configurazione fondamentale è (t2g)3 ad alto spin, perchè gli ioni ossido sono leganti di campo debole (bassi nella serie spettrochimica); in termini di stati elettronici è 4A2g. Le correlazioni elettroniche portano globalmente ai seguenti stati (termini), prima e dopo la transizione t2g eg:

 

4A2g, 2E, 2T1, 2T2 configurazione (t2g)3

4T2, 4T1, 2A1, 2A2 configurazione (t2g)2(eg)1

 

L'ordinamento di questi livelli in funzione di parametri atomici per uno ione gassoso è quello previsto dai diagrammi di Tanabe-Sugano (Figura, per uno ione d3), in cui gli stati elettronici sono ordinati in funzione del rapporto tra D, la separazione del campo cristallino, e B (parametro di Racah, una combinazione di integrali atomici che esprimono le repulsioni elettrone-elettrone). I livelli energetici dello ione libero sono indicati a sinistra e il diagramma mostra come evolvono gli stati in funzione della separazione di campo cristallino.

Partendo da uno stato fondamentale di quartetto, la prima regola di selezione delle transizioni elettroniche impone che le sole transizioni permesse siano quelle in cui lo spin si conserva, DS = 0. Quindi solo stati eccitati di quartetto daranno luogo a transizioni con apprezzabile intensità. Le transizioni agli stati di doppietto sono infatti proibite. Lo spettro del rubino è mostrato in Figura.

Le bande intense corrispondono alle transizioni spin permesse 4A2 4T2 e 4A24T1. Le bande spin-proibite agli stati di doppietto sono visibili, ma molto deboli.

Le regole di selezione di spin non sono le sole a determinare le transizioni elettroniche. Infatti, vale anche la regola di Laporte:

le transizione lecite comportano variazione di parità g→u o u→g. Non sono lecite le transizioni g→g o u→u. Questo significa che tutte le transizioni d-d (g→g) sono deboli in confronto alle transizioni a trasferimento di carica o di gap di banda. Il fatto che vengano osservate nonostante la regola di selezione sulla parità è dovuto all'accoppiamento vibronico, ossia all'accoppiamento dei moti elettronici con quelli ionici del cristallo.

Le transizioni proibite (da quartetto a doppietto) danno luogo a delle bande di assorbimento molto strette. Questo sta ad indicare che non c’è forte eccitazione vibrazionale nella transizione elettronica, cioè la geometria dello stato eccitato è simile a quella dello stato fondamentale (si tratta di transizioni interne ai t2g). Diversamente, le transizioni permesse quartetto-quartetto, che comportano il trasferimento di un elettrone da un t2g a un eg, sono larghe perchè accompagnate da eccitazioni vibrazionali.

La distanza di equilibrio Cr-O nello stato eccitato è diversa da quella dello stato fondamentale e la curva di potenziale dello stato eccitato ha un minimo a distanza più lunga. La situazione è mostrata in Figura.

Molto importanti dal punto di vista tecnologico sono i processi di emissione che seguono le eccitazioni descritte. Queste formano la base della tecnologica laser.

 

Il laser a rubino

L.A.S.E.R., "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"

Lo stato eccitato 4T2 ha una superficie di potenziale che incrocia quella degli stati di doppietto. Quindi, una volta che l’elettrone è stato eccitato si può avere (a) una riemissione del fotone assorbito o (b) un processo di decadimento non radiativo nello stato di doppietto. Nel caso (b) gli elettroni eccitati perdono parte della loro energia e il cristallo guadagna energia vibrazionale. Il passaggio, che comporta variazione di molteplicità di spin, è detto intersystem crossing. Data la elevata velocità del rilassamento ionico nello stato eccitato, il decadimento non-radiativo ha una maggiore probabilità di avvenire della emissione diretta. Lo ione Cr è quindi condotto in uno stato elettronico, 2E, da cui può ricadere nello stato fondamentale 4A2 solo se un elettrone cambia il suo spin. Quest’ultimo processo è doppiamente proibito, dalle regole di selezione di spin e di dipolo, ed ha una probabilità di avvenire ancora più piccola dell’assorbimento corrispondente. Gli stati coinvolti sono molto schematicamente rappresentati in Figura.

Gli ioni Cr3+ assorbono luce e vengono eccitati negli stati di quartetto (3) e (4) da cui subiscono una transizione non radiativa allo stato (2) di doppietto. Dato che la probabilità di decadimento dal livello (2) è bassa, e non esiste un modo semplice per un decadimento non-radiativo allo stato fondamentale (1), si forma una considerevole popolazione elettronica dello stato (2). Quando a un certo punto, dopo circa 5 ms, alcuni ioni nello stato (2) ritornano nello stato fondamentale, i primi fotoni emessi spontaneamente interagiscono con gli altri ioni Cr nello stato (2) e li inducono ad emettere. I fotoni risultanti sono in fase e viaggiano nella stessa direzione dei fotoni emessi spontaneamente e stimolano ulteriori decadimenti mentre viaggiano nel cristallo.

Il rubino viene posto in una cavità riflettente per cui i fotoni vengono riflessi nel cristallo. I fotoni riflessi inducono ulteriori emissioni e in questo modo un fascio di luce coerente viene a formarsi. Lo specchio a una estremità del dispositivo può venire rimosso così da emettere un impulso luminoso.

Come già visto, il nome laser è un acronimo che significa Ligth Amplification by Stimulated Emission of Radiation (dispositivi simili che producono radiazione coerente a microonde sono chiamati maser). Uno schema di dispositivo è mostrato in Figura.

Una lampada a flash (Xenon flash lamp) di luce intensa eccita gli ioni Cr3+ dal livello (1) ai livelli (3) e (4). Alla fine della cavità riflettente in cui è posto il rubino è posto un interruttore (Q switch, può essere uno specchio rotante segmentato) che permette di trasformare la luce laser da riflessa a trasmessa.

Il rubino è il primo materiale utilizzato per laser (Maiman 1960). Oggi esistono vari tipi di laser. I cristalli devono contenere impurezze di ioni con transizioni proibite allo stato fondamentale nelle regioni dell’infrarosso, del visibile o dell’ultravioletto vicino. E’ necessario anche che sia possibile popolare questo stato mediante una transizione permessa. Numerosi ioni di metalli di transizione e di lantanidi sono stati utilizzati in matrici di solidi ionici diversi. Alcuni esempi con le rispettive lunghezze d'onda della luce emessa sono riportati in Tabella.

Alcuni esempi di dispositivi a laser

Ione

 Ospite

l emessa (nm)

Nd3+

Fluorite (CaF2)

1046

Sm3+

Fluorite

708.5

Mo3+

Fluorite

2090

Nd3+

Calcio tungstato (CaWO4)

1060

 

Un po’ di storia       Nel 1917 Albert Einstein ha posto le basi teoriche del laser e del maser nell'articolo:  Zur Quantentheorie der Strahlung (sulla teoria quantistica delle radiazioni) attraverso una riderivazione delle leggi sulla radiazione di Max Planck.

Nel 1928 Rudolf W. Ladenburg ha dimostrato l'esistenza dell'emissione stimolata e dell'assorbimento negativo.. Nel 1939, Valentin A. Fabrikant predisse l'uso dell'emissione stimolata per amplificare onde corte. Nel 1947, Willis E. Lamb and R. C. Retherford effettuarono la prima dimostrazione dell'emissione stimolata. Nel 1950 Alfred Kastler (vincitore del Nobel per la fisica nel 1966) propose il metodo per il pompaggio ottico confermato sperimentalmente due anni dopo da Brossel, Kastler e Winter.

 

Il primo maser venne costruito da Charles Hard Townes, J. P. Gordon, e H. J. Zeiger alla Columbia University nel 1953. Maser è l’acronimo inglese di Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ovvero Amplificazione di Microonde tramite Emissione Stimolata di Radiazioni. L'apparecchio era simile ad un laser: utilizzava l'emissione stimolata per produrre l'amplificazione delle microonde invece che di onde infrarosse o visibili. Il maser di Townes non era in grado di operare in modo continuo, ma Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov risolsero il problema usando più di due livelli di energia.  Charles H. Townes, Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov ricevettero il nobel per la fisica nel 1964, "per il lavoro fondamentale nel campo dell'elettronica quantistica, che ha portato alla costruzione di oscillatori e amplificatori basati sul principio maser-laser. Townes in seguito lavorò con Arthur L. Schawlow per descrivere il principio del maser ottico, o laser, che venne inventato nel 1960.

Il 16 maggio 1960, Theodore H. Maiman azionò il primo laser funzionante a Malibù in California presso i laboratori della Hughes Research. Era un laser a stato solido che sfruttava il cristallo di rubino in grado di produrre un raggio laser rosso con una lunghezza d'onda di 694 nm. Sempre nel 1960 Ali Javan, William R. Bennett, and Donald Herriott costruirono il primo laser a gas utilizzando l'elio ed il neon in grado di produrre un raggio infrarosso (U.S. Patent 3,149,290). Nel 1963 C. Patel mette a punto il laser ad anidride carbonica. Nel 1969 si ha il funzionamento a temperatura ambiente dei laser a semiconduttori (diodo laser). 

Già nel 1962 il laser trovò la sua prima applicazione pratica per le micro-saldature durante gli interventi chirurgici alla retina. Tuttavia, nel 1964 Maiman aspirò inutilmente al Premio Nobel per la Fisica, assegnato invece a N.G. Basov, A.M. Prokhorov e C.H. Townes.

Bisogna anche citare Gordon Gould (1920-2005) all’epoca un giovane brillante fisico statunitense che è stato il pioniere della tecnologia laser. Molti attribuiscono a lui l’invenzione del laser, ma la questione è ancora oggi molto discussa a causa di una guerra trentennale per la proprietà dei brevetti*. E’ certo attribuito a lui l’acronimo L.A.S.E.R.  A lui si deve l'invenzione di due dei più importanti tipi di laser, quello per la lettura del prezzo dei prodotti alle casse dei supermercati e quello utilizzato nelle operazioni chirurgiche oculistiche.

*Nota. Il 22 Marzo 1960 è stato rilasciato a Charles Townes e Arthur Schawlow il brevetto per l’ideazione del meccanismo di funzionamento del laser.  Come capita per ogni grande scoperta, oltre a Townes e Schawlow  anche altri lavorarono sul concetto del laser. Gordon Gould, uno degli studenti di Townes alla Columbia University, presentò la richiesta di brevetto più o meno nello stesso periodo, ma gli venne negata. Da qui, cominciò una guerra sulla proprietà dei brevetti che sarebbe continuata per i successivi 30 anni.

 

Laser al Neodimio

 

Il laser a neodimio è basato sul centro attivo Nd3+ disperso in una matrice vetrosa o in granato di Y e Al, Y3Al5O12.  I livelli energetici coinvolti sono mostrati in Figura.

 

Numerose eccitazioni si verificano nel processo di assorbimento ma tutti gli stati eccitati decadono in modo non radiativo nello stato 4F3/2, da cui avviene il processo di emissione con decadimento allo stato 4I11/2 con una lunghezza d’onda di 10660 Å nel caso di matrice vetrosa o di 10640 Å nel granato drogato. Lo stato eccitato 4F3/2 ha una vita media piuttosto lunga, 10-4 sec, il che consente l’accumularsi di una notevole popolazione dello stato. Il laser a neodimio viene quindi utilizzato come laser di potenza.

 

 

 

Luminescenza e fosfori

Luminescenza è il nome dato generalmente alla emissione di luce da parte di un materiale come conseguenza dell’assorbimento di energia. Diversi tipi di meccanismi di eccitazione possono essere utilizzati per stimolare una luminescenza. La fotoluminescenza usa fotoni, spesso UV, per l’eccitazione. L’elettroluminescenza utilizza energia elettrica come input. La catodoluminescenza usa raggi catodici o elettroni.

Esistono due tipi di fotoluminescenza. Quando l’intero processo di eccitazione ed emissione avviene in tempi brevissimi, tipicamente < 10-8 sec, si ha il fenomeno della fluorescenza. La fluorescenza si interrompe non appena la sorgente di eccitazione viene rimossa. Quando il tempo richiesto dal processo è molto più lungo si ha il fenomeno dalla fosforescenza. Questo processo rimane attivo anche dopo che la sorgente di eccitazione è stata rimossa.

I materiali fotoluminescenti richiedono in genere una struttura cristallina ospite, tipo ZnS, Zn2SiO4, etc., drogata con una piccola quantità di un attivatore, un catione tipo Pb2+, Eu2+, Mn2+, etc. A volte un secondo drogante viene aggiunto come sensibilizzatore. I materiali inorganici luminescenti sono in genere noti come fosfori.

Il meccanismo schematico di eccitazione è mostrato in Figura

 

 

E’ rappresentato schematicamente un processo di luminescenza che coinvolge (a) un attivatore, A, nel reticolo ospitante, H, e (b) un sensibilizzatore, S, e un attivatore, A. Si noti che l’energia della luce emessa è generalmente inferiore di quella della radiazione eccitante, ed è, perciò di maggior lunghezza d’onda.

Nelle lampade fluorescenti, che rappresentano la applicazione più importante dei fosfori, la luce di eccitazione è radiazione UV emessa da una scarica di Hg. I materiali luminescenti devono assorbire questa radiazione UV ed emettere luce bianca. Lo schema di una lampada a fluorescenza è mostrato in Figura. Consiste in un tubo di vetro ricoperto al suo interno da materiali luminescenti (fosfori) e riempito con una miscela di vapori di Hg e Ar.

 

 

 Il passaggio di corrente elettrica nella lampada provoca un bombardamento elettronico degli atomi di Hg che vengono eccitati a uno stato a energia più elevata. Il decadimento allo stato fondamentale è accompagnato da emissione di radiazione UV che irraggia i fosfori con conseguente emissione di luce bianca.

Esempi di spettri di emissione di fosfori ZnS attivati con diversi cationi sono riportati in Figura.

Ogni attivatore ha uno spettro di emissione caratteristico. 

Un elenco di materiali luminescenti con le rispettive applicazioni è riportato in Tabella.

 

 

Varie applicazioni di fosfori

Applicazioni

Metodi di eccitazione

Fosfori

Colore

Televisione a colori 

18-27 kV e-beam

ZnS:Ag, Cl

Blu

ZnS:Cu, Au, Al 

Verde

Y2O2S:Eu

Rosso

CRT (tubi catodici)

1.5-10 kV e-beam

Zn2SiO4:Mn

Verde

Microscopi Elettronici 

50-3000 kV e-beam

(Zn, Cd)S:Cu, Al

Verde

Display numerici

~20 kV e-beam

ZnO 

Verde

Lampade Fluorescenti 

254 nm UV

Ca10(PO4)6(F,Cl)2:Sb, Mn

Bianco

Lampade Fluorescenti al mercurio

365 nm UV

Y(V,P)O4:Eu

Rosso

Copying lamps

254 nm UV

Zn2SiO4:Mn

Verde

Moltiplicatori raggi X

raggi X

CaWO4

Blu/Bianco

Gd2O2S:Tb

Giallo/Verde

Scintillatori

Radiazione 

NaI:Tl 

Blu

Laser a stato solido

Luce visibile (vicino UV-vicino IR)

Y3Al5O12:Nd

IR

 

I materiali ospiti per fosfori possono essere classificati in due categorie principali:

· materiali isolanti a legame ionico, come Zn2SiO4 o apatite (un fosfato di calcio). Le transizioni coinvolgono i livelli energetici dello ione attivatore e possono essere modificati da effetti di campo cristallino.

· materiali semiconduttori a legame covalente, come ZnS. In questo caso gli ioni attivatori modificano la struttura a bande introducendo dei livelli di impurezza nel gap.

Alcune transizioni tipiche degli ioni droganti sono:

lone

Stato fondamentale

Stato eccitato

Ag+

4d10

4d95p

Sb3+

4d105s2

4d105s5p

Eu2+

4f7

4f65d

 

Il meccanismo di eccitazione-decadimento che è alla base dei fenomeni di luminescenza è tipico della spettroscopia elettronica ed è schematicamente illustrato in Figura.

Essa mostra le curve di energia potenziale per lo stato fondamentale e uno stato eccitato nonché i vari stati vibrazionali.

 

 

Il processo di eccitazione dal livello A dello stato fondamentale al livello B dello stato eccitato avviene in accordo col principio di Frank-Condon, secondo cui la velocità della transizione è molto più rapida del rilassamento ionico, per cui durante l’eccitazione i nuclei atomici restano fissi.

Una volta promosso al primo stato eccitato, il sistema dissipa energia attraverso un processo di decadimento non radiativo passando da B a C. In pratica questo consiste in un rapido rilassamento dei nuclei che assumono la configurazione di minima energia per lo stato eccitato. A questo punto il sistema decade da C a D emettendo un fotone di una certa lunghezza d’onda.

Dato che nel meccanismo di decadimento non-radiativo si dissipa sempre parte dell’energia assorbita, i fotoni emessi sono sempre a lunghezza d’onda maggiore di quelli assorbiti.

Questa differenza tra lunghezza d’onda assorbita o emessa è nota come spostamento di Stokes (Stokes shift). Il tempo di decadimento è un altro parametro fondamentale nel processo di emissione. Se la transizione da C a D è permessa dalle regole di selezione il processo è rapido e si ha una fluorescenza; se il processo è proibito dalle regole di selezione (ad esempio una transizione tripletto-singoletto) si ha un processo lento con progressiva popolazione dello stato eccitato, la fosforescenza.

Un gran numero di combinazioni di materiali drogati è stata studiata per la messa a punto di fosfori. Un fosforo usato estensivamente nelle lampade a fluorescenza è la fluoroapatite, Ca5(PO4)3F, drogata con Mn2+e Sb3+. I due ioni danno fluorescenze blu e giallo-arancio e la emissione complessiva è bianca. L'Eu trivalente è usato nei fosfori a luce rossa negli schermi televisivi. La matrice è YVO4, vanadato di Yttrio. Gli schermi televisivi richiedono tre colori catodoluminescenti. Uno è il rosso descritto sopra, gli altri sono il blu e il verde, che si ottengono con fosfori a base di ZnS drogato con Ag+ (blu) e Cu+ (verde).

Per gli schermi in bianco e nero si usavano miscele di ZnS:Ag+ (blu) e (Zn,Cd)S:Ag+ (giallo).

Un recente sviluppo è quello dei fosfori anti-Stokes (Figura, a sinistra). Questi materiali sono contraddistinti dal fatto di emettere radiazione a lunghezza d'onda più corta (più energetica) di quella incidente.

Ovviamente questo non può avvenire in contrasto con il principio di conservazione dell’energia e comporta quindi un meccanismo più complesso. Un esempio di questo tipo è dato da YF3 o NaYF4 drogati con Yb3+ come sensibilizzatore e Eu3+ come attivatore. Tali materiali convertono radiazione infrarossa in luminescenza verde. In breve, durante l’irradiazione l’Yb3+ trasferisce due fotoni di luce infrarossa a uno ione Eu3+ vicino che viene promosso in uno stato doppiamente eccitato da cui decade con emissione di luce verde.

 

 

Assorbimento ed emissione di luce nei semiconduttori

 

Finora abbiamo considerato fenomeni di assorbimento che riguardavano elettroni di tipo localizzato. La radiazione incidente su dei semiconduttori viene assorbita, invece, da elettroni delocalizzati, in particolare da quelli della parte superiore della banda di valenza, che possono essere promossi alla banda di conduzione. Abbiamo già parlato delle celle fotovoltaiche.

Vista la presenza di un gran numero di livelli in una banda, lo spettro di assorbimento non si presenta come una serie di linee, ma come un largo picco del tipo in Figura (per GaAs).

Alcune transizioni alla banda di conduzione sono però più probabili di altre. 

Ciò perchè le transizioni dalla banda di valenza alla banda di conduzione, come quelle tra livelli atomici o molecolari, sono soggette a regole di selezione.

Vale ancora la regola di selezione di spin, ma invece delle regole sul momento angolare orbitale, esistono delle restrizioni sul vettore d’onda k.

 

Il momento di un fotone IR, UV o visibile è molto piccolo se confrontato col momento di un elettrone della banda (k), e quindi la conservazione del momento produce una regola di selezione: un elettrone non può cambiare il suo vettore d’onda k quando assorbe o emette radiazioni.

Se un elettrone della banda di valenza ha un vettore d’onda ki può essere promosso solo a livelli della banda di conduzione con lo stesso vettore d’onda ki.

In GaAs, ad esempio, il vettore d’onda del top della banda di valenza coincide con quello del livello inferiore della banda di conduzione. Abbiamo già descritto questa situazione, definendo un conduttore di questo tipo a gap diretto.

In altre specie, come il silicio, la situazione è diversa, e si parla di semiconduttore a gap di banda indiretto (Figura).

In questo caso un elettrone nel livello inferiore della banda di conduzione avrà una piccola probabilità di emettere un fotone e ritornare alla sommità della banda di valenza.

Queste considerazioni sono importanti nella selezione dei materiali utilizzati in dispositivi che emettono radiazioni, dopo che gli elettroni sono stati eccitati mediante energia elettrica. Un esempio di tali dispositivi sono i LED di cui abbiamo già detto.

Parliamo ora del laser ad arseniuro di gallio, GaAs. Questo contiene uno strato di GaAs tra due strati di arseniuro di gallio alluminio (Ga1-xAlxAs) uno drogato di tipo-p e uno di tipo-n. Il gap in Ga1-xAlxAs è maggiore che in GaAs (Figura). Un campo elettrico applicato attraverso la giunzione p-n produce un eccesso di elettroni nella banda di conduzione di GaAs.

 Questi elettroni però non riescono a passare nello strato di arseniuro di gallio alluminio perchè la parte inferiore della banda di conduzione si trova a energia superiore. Gli elettroni extra nella banda di conduzione non possono muoversi e rimangono nello strato GaAs. Quando uno di questi ricade nella banda di valenza emettendo un fotone, il fotone induce altri elettroni della banda di conduzione a ritornare nella banda di valenza. Si crea così un fascio di radiazione coerente. 

 

Come nel laser a rubino il fascio iniziale di fotoni viene riflesso da specchi e induce altra emissione. La radiazione è infrarossa.

Si possono costruire altri laser basati su composti III-V. I laser semiconduttori a infrarossi sono utilizzati, tra l’altro, per la lettura dei CD.

 

Fibre ottiche

Per poter trasmettere l’informazione sotto forma di impulsi luminosi generati da un laser anche a grande distanza (chilometri), l’intensità della luce deve essere mantenuta in modo che ci sia ancora un segnale rilevabile alla fine della fibra. Gran parte della tecnologia delle fibre ottiche è basata sui diversi modi di ridurre questa perdita.

Le fibre ottiche sono in genere prodotte con un indice di rifrangenza variabile all’interno della fibra. Il raggio è inviato nella parte interna della fibra. La regione esterna ha un più basso indice di rifrangenza che la parte interna così che la luce che devia da un cammino diritto viene riflessa internamente alla fibra e rimane al suo interno (Figura).

Imperfezioni nella fibra causano perdite di energia luminosa. Queste possono diffondere la luce. La diffusione di Rayleigh ad esempio non provoca un cambio nella lunghezza d’onda ma nella sua direzione. La quantità di diffusione dipende da (1/l4) per cui la diffusione è molto minore per lunghezze d'onda grandi. Per questo motivo, per ridurre la diffusione di Rayleigh i laser impiegati per fibre ottiche emettono radiazione infrarossa.

Un’altra fonte di perdita di energia nella trasmissione è dovuta all'assorbimento della luce da parte della fibra. In una fibra di lunghezza di alcuni chilometri è sufficiente un basso livello di impurezze per dar luogo a un sostanziale assorbimento. Se si guarda una lastra di vetro di lato, anziché di fronte, essa appare verde e non trasparente. Ciò è dovuto alla presenza di Fe2+ nel vetro. Una lastra ha una larghezza di meno di mezzo metro e se si usasse lo stesso tipo di materiale per una fibra lunga chilometri tutta la luce verrebbe assorbita anziché trasmessa. Quindi occorre produrre fibre ottiche di elevata purezza. L’uso della SiO2 vetrosa è legata anche alla possibilità di partire come materiale precursore da SiCl4, usato nell’industria dei semiconduttori, per preparare fibre a basso livello di impurezze.

Anche quando le impurezze sono eliminate restano però i difetti. Numerosi difetti sono presenti nei materiali solidi. Nella silice amorfa questi possono essere gruppi OH, vacanze di ossigeno, etc. Ogni difetto dà luogo ad un particolare assorbimento e contribuisce pertanto a ridurre l’efficacia della trasmissione luminosa. Molta cura deve essere prestata alla preparazione di fibre con bassa difettività.

 

Commutatori ottici

L’indice di rifrangenza di un cristallo non è fisso ma può variare. In alcuni materiali un fascio intenso di luce laser può alterare l’indice di rifrangenza. Un modo alternativo è quello di applicare un campo elettrico esterno. Questo è il sistema che è alla base della produzione di commutatori ottici (optical switches).

Il commutatore a niobato di litio, LiNbO3, consiste in un cristallo del materiale con due canali ottici al suo interno prodotti mediante diffusione di titanio (Figura).

Il titanio altera l’indice di rifrangenza all’interno dei canali e il dispositivo funziona nello stesso modo in cui la radiazione è confinata nelle fibre ottiche. Quindi radiazioni lievemente devianti vengono riflesse internamente a causa dei diversi indici di rifrazione al di fuori dei canali. 

Applicando un campo elettrico si può alterare l’indice di rifrazione tra i canali in modo tale che la radiazione non viene più riflessa ma può commutare da un canale all'altro.

La variazione controllata dell'indice di rifrazione mediante aggiunta di impurezze selezionate è utile anche in altre applicazioni, per esempio in lenti per telescopi o lenti per ottica.