Brevet FR2004701A1 — publié le 19691128

"1" 2004701 La présente invention concerne, d'une façon générale, les lasers à l'état solide et, plus particulièrement, des lasers à l'état solide dans lesquels la matière active qui forme la cavité résonnante est un monocristal d'une matière semi-conduc-5 trice. Selon une forme de réalisation de la présente invention, on fournit un laser fonctionnant à température ambiante, qui comprend une matière cristalline semi-conductrice à "transition directe" comme matière active et un canon à électrons comme 10 source d'énergie pour le pompage ou l'excitation du cristal. On choisit la matière active de façon qu'elle présente certaines caractéristiques dans ses spectres d'émission et de réflexion. Le spectre d'émission doit comporter une série de pics présentant une différence d'énergie correspondant à celle d'un phonon 15 longitudinal optique (LO). Dans le spectre de réflexion, le pic de réflexion de plus faible énergie doit se trouver à un- phonon LO au-dessous du point d'extrapolation de l'intensité à zéro du pic de plus grande énergie dans la série dès fjpactrss d'émission de la série des pics espacés d'un phonon LO-. 20 Des efforts considérables ont été consacrés à la mise au point de tels dispositifs oomme le prouvent les publications citées ci-après : "End Pumped Laser Emission from Cadmium Sulfide iîelenide Bombarded by an Electron Beam", de W. G. Tait, J. R. 25 Packard ; G. H. Dierssen et D. A. Campbell, JOURNAL OE APPLIED PHYSICS, VOL. 38, ÎT° 7, 3035-3036, Juin 1967. "Efficient Ultraviolet Laser Emission in Electron-Beam-Excited Zn£>", de C. E. Hurwitz, APPLIED PBYSICS LETTEES, VOL.- 9, 3 Novembre, 116-118, 1er Août 1966. 30 "Ultraviolet ZnO Laser Pumped by an. Electron Beam", de E. H. Hicoll, APPLIED PHYBICS LETTEES, VOL. 9, 1er Novembre, 13— 15s 1er Juillet 1966* Dans chacun des cas sus-mentionnés, le cristal est refroidi sensiblement à la température de l'hélium liquide ou de l'azote 35 liquider a savoir de 4°K et de 77°E, respectivement. L'encombrement et le prix de l'appareil de refroidissement ut les inconvénients généralement associés au refroidissement d'un cristal à de si basses températures limiterai/à.'une façon importante BAD ORIGINAL 69 08779 -2- 2004701 les applications pour lesquelles un tel laser serait acceptable du point de vue commercial. Il a été indiqué qu'une petite table de CdS obtenue par croissance naturelle a pu être amenée à produire un faisceau laser 5 sur un s ubstrat maintenu à 300°K, "Room ïemporature Lasing of CdS Under Pulsed Electron Bombardment", APPLIED PHTSICS LET-TERS, -VOL. 10,M0 3, 1er- Février 1967. Cet article indique que -. la cavité du laser a été formée par clivage de la petite table , de sorte que les faces réfléchissantes de la cavité étaient 10 sensiblement perpendiculaires aux sur-faces principales venues de croissance de la petite table. Dans de tels cristaux, l'émission laser sort sous forme d'un faisceau de l'une des faces clivées, ou des deux, en réponse à un faisceau électronique dirigé sur l'une des surfaces venues de croissance de la petite 15 table, c'est-à-dire que l'émission est perpendiculaire au faisceau d'énergie d'excitation. Par conséquent, la surface depuis laquelle l'émission sort est essentiellement une fente et la liberté de mouvement (balayage)~ du faisceau d'émission, à savoir le mouvement le long de la fente n'est que d'un degré. Dans 20 de nombreuses applications commerciales, par exemple pour- un enregistrement au moyen d'un faisceau électronique, une liberté de mouvement de deux degrés est nécessaire. Dans une forme de réalisation donnée à titre d'exemple de la présente invention, une matière cristalline semi-conduc-25 trice à "transition directe" présentant deux faces réfléchissantes parallèles espacées et choisies conformément à la présente invention produit un rayonnement électromagnétique depuis l'une des faces réfléchissantes,lorsçu'elle est pompée par une source d'énergie d'une intensité incidente prédéterminée au 30 moins à des températures s'élevant jusqu'à 300 K au moins. On a constaté que des cristaux semi-conducteurs à "transition directe" produisent un faisceau laser- à la température ambiante,à condition qu'ils fournissent une émission par émission stimulée à partir de transitions indirectes d'excitorw 35 libres. Dans de tels" crintaux, le spectre d'émission du à un pompage latéral à 77°K dans la région . d'ésission spontanée est caractérisé par une série.de pics dans laquelle la différence d'énergie des pics correspond à un ph.onon L0 et le point BAD ORIGINAL 69 08779 -3- 2004701 d'extrapolation de l'intensité à zéro du pic de plus grande énergie du spectre d'émission se trouve à un phonon LO au-dessous du pic de réflexion de l'exciton de plus faible énergie du , cristal. (Par l'expression "pic de plus grande énergie", on dé-5 signe le pic de plus grande énergie dans la série}du fait que certainqêpectres présentent un ou plusieurs pics supérieurs qui ne se trouvent pas dans la série) Prr l1expression "région d'émission spontanée", on désigne la région de fonctionnement du cristal dans laquelle les énergies 10 d'excitation ne produisent sensiblement qu'une émission spontanée dans le cristal. On a constaté qu'un bombardement électro-ique continu de 50 kev à des densités de courant inférieures à 10*4 ampères par centimètre carré produit des spectres d'émission spontanée bien définis. 15 Par l'expression "semi-conducteurs-à transition directe", on désigne les matières dans lesquelles l'énergie minimale dans la bande de conduction se trouve sensiblement dans la même position de la zone de Brillouin que l'énergie maximale dans la bande de valence. En général, on peut trouver de telles matières 20 dans la classe des composés comprenant un élément du Groupe 2b du Tableau Périodique avec un élément du Groupe 6a du Tableau Périodique, dans lequel les groupes sont ceux indiqués dans "HANDBOOK OP CBEMISTRY AIJD PHTSICS", Weast 47ème édition publiée par Chemical Rubber Company. On a trouvé que des composés mono-25 cristallins comprenant des séléniures, des tellurures, des oxydes et des sulfures de cadmium et de zinc sont des semi-conducteurs à "transition directe" particulièrement appropriés pour des lasers. De préférence, l'énergie de liaison des excitons de la matière doit être supérieure à 0,1 t T, où k est la constante de » " 30 Boltzman et ï est la température en degrés Kelvin. Le cristaH4>eut être une petite table obtenue par croissance naturelle ou une pastille préparée d'une façon appropriée et découpée à partir d'un cristal de base et les faces réfléchissantes du cristal peuvent être enduites d'un mince revê-35 tement métallique d'une matière réfléchissant la lumière comme l'argent. Deux des surfaces du cristal. doivent former une cavité photo-résonnante,-par exemple une cavité de Fabry—Perot. En général, on prépare des pastilles plan-parallèles bad original 69 08779 20C4701 à partir de cristaux de Lace '.:n taillant le cristel (de préfé-les tailles sont effectuée? parallèlement à l'axe "C"). la pastille ainsi obtenu a présente p1 '-ieui ; fooeç naturelles de:? deux surfaces de taille principales, Une couche de matière située 5 au voisinage des surfaces principales est endommagée pendant la taille, c'est-iWrrs la. couche de dsstruetion, S*. In p-v-tille est destinée à mit aj^plication nécessitant un balayage avec deux degrés de liberté; c'est-à-dire le mcc1'- opératoire à "pompage longitudinal", les deux surfaces principales sont polies 10 pour é.limimr la couc^ -.le destruction et ou..-t enduix-ca c' matière réfléciir-jcair^, -orme précd-emaenv . ;'r3.r„. Copm.-'ir..'., ni l'on désire produire une émission émanant du -ristcl perpendiculairement à l'énergie d'excitation, le cristal, est clivé à deux reprises pour produire deux surfaces clivées parallèles 15 sensiblement perpendiculaires aux surfaces principales. Pour une émission perpendiculaire, c1 est—à-dire 1" mode opératoire à "pompage latéral", il suffit de polir la surface principale sur laquelle l'énergie- d'excitation est dirigée. Divers abrasifù, comme une poudre d1oxyde d'aluminium de 0,05 micron et des 20 acides comme une soluc-ion aqueuse à 10 $ d'acide phosphoriq ~, se sont avérés exî'icaces pour enlever la couche ut aeiiïïrucuj..n-c Le rayonnement électromagnétique produit dans un cristal en réponse à l'énergie incidente divise commodément le fonctionnement du cristal en trois régions ; à savoir, une région dans 25 laquelle le rayonnement est attribuable à une émission spontanée, la. région d'émission spontanée du cristal» ur-e région dans laquelle le rayonnement est a fctribunble à une émitiiien à la xeit spontanée et stimulée, la région super-radiante du c ristal,et ••■•vj région dar./» 1 ~ Ile le rayonnement est prod- -''" presque 30 uniquement par une émission stimulée, la région o!oscillation de mode. Ci-après, on désignera l'intensité de.X:énergie incidente marquant la limite entre la régior)fepontanée et la région P'-per-ra.diante par ^ densité "pré-'4terminé" et on dasifpera l'énergie à la limite encre la région super-radiant e et la 35 région d1 oscillâtiou de mode par intensité de "s-ndl"• L'intensité prédéter!txno3, P, er+ ls intensité à laç.'.elle ie coefficient d'absorjjticJ de. la matière devient nul. On r constaté qu'à mesure que la réflectance des faces du cristal augmente, ■-8ÂD ORiGtSMâl 69 08779 -s- 2004701 l'intensité de eeuil approche l'intensité prédéterminée. On peut utiliser l'une quelconque de diverses sources d'énergie pour exciter ou pomper le cristal, comme un canon à électrons, une lampe au "Xénon" ou un autre laser. 5 Un moyen permettant de choisir un cristal approprié pour opérer à des températures d'environ 300°E, c'est-à-dire un cristal capable de fonctionner à la température ambiante» consiste à examiner les spectres d'émission et de réflexion du cristal. Le spectre d'émission est détecté à une température voisine de 10 77°K dans le mode de pompage latéral, c1est-à-dire avec une émission perpendiculaire au faisceau d'énergie d'excitation, et dans la région d'émission spontanée du cristal. Pour des cristaux uniaxes, on détecte deux spectres de réflexion de la façon habituelle à 77°K. On enregistre un spectre en utilisant une 15 lumière dont le vecteur du champ électrique est polarisé perpendiculairement à l'axe "C" du cristal, et on enregistre l'autre en utilisant une lumière dont le vecteur du champ électrique est polarisé parallèlement 'à-. 1 haie "C" du cristal. Pour des cristaux cubiques, il suffit d'enregistrer un spectre en utili-20 sant une lumière non polarisée. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, plusieurs formes de réalisation de l'invention. 25 Sur ces dessins : la figure 1 est un graphique représentant des bandes d'énergie dans une matière semi-conductrice à "transition directe" et des transitions par excitons libres pendant l'annihilation pou-r produire des photons et des phonons LO \ 30 la figure 2 est un graphique représentant l'énergie des pclaritons tracéeen fonction de la force vive et de l^&iffusion d'un polariton entre différents états d'énergie pour produire le rayonnement électromagnétique j la figure 3 montre des graphiques illustrant le coeffi-35 cient d'absorption négative théorique en fonction à la fois de la concentration des excitons (cm ) et du nombre des excitons par état pour ZnO â 77°E ; la figure 4 est une vue éclatée au voisinage du point ^ \U-- —• 69 08779 s 2004701 d'origine du graphique de la figure 3 montrant le nombre des excitons par état et la concentration des excitons nécessaire pour obtenir une absorption négative avec ZnO comme matière semi-conductrice ; 5 la figure 5 est une vue en perspective d'un monocristal d'une matière semi-conductrice à "transition directe" soumise à un pompage longitudinal par un faisceau électronique pour engendrer un rayonnement électromagnétique par émission stimulée dans une direction parallèle au faisceau électronique j 10 la figure 6 est un graphique montrant les spectre. d'émissions spontanée et stimulée d'une matière semi-conductrice à base de ZnO fonctionnant à 77°K dans le modo de pompage latéral f la figure 7 est une vue en perspective d'un monocristal 15 d'une matière semi-conductrice à "transition directe" qui réagit à un pompage latéral par un faisceau électronique de façon à engendrer un rayonnement électromagnétique par émission stimulée dans une direction perpendiculaire au faisceau électronique ; 20 la figure 8 représente le spectre de réflexion des excitons libres de ZnO à 77°K, le vecteur du champ électrique de la lumière étant polarisé perpendiculairement à l'axe "0" % la figure 9 représente le spectre d'émission dans la région d'émission spontanée sous l'effet d'un pompage longitu-25 dinal pour ZnO à 300°E ; la figure 10 représente le spectre d'émission stimulée sous l'effet d'un pompage longitudinal pour ZnO à 300°E ; la figure 11 est un graphique montrant les spectres d'émission spontanée et d'émission stimulée de CdS utilisé 30 commgéiatiere semi-conductrice à 77°E dans le mode de pompage latéral \ la figure 12 représente le spectre de réflexion des excitons libres du CdS à 77°E, le vecteur du champ électrique étant polarisé perpendiculairement à l'.axe "C" j 35 la figure 13 est un graphique de l'émission spontanée du CdS soumis à un pompage longitudinal à la température ambiante la figure 14 est un graphique montrant l'émission stimulée du même CdS ,utilisé comme matière semi-conductrice et soumis 1 69 08779 2004701 à un pompage longitudinal* que celui utilisé pour la figure 13, de nouveau à X?. température ambiant®, ï,.; îïK-'^risme qui est £, -ppoec- produire l'émission laser à la température ambiante à partir de semi-conducteurs à "tran-5 sition directe" est -0116 transition indirecte d'excitons libres. On puppote qu'un exciton libre est obtenu lorsqu'un électro-. six.ié dans la bande de conduction, et un trou, situé dans la bande de valence, sont accouplés pal leurs forces électrostatiques mutuelles et restent à proximité l'un.de l'autre. Une 10 telle entier de grande énergie ou excix ,appelée esesiton librej peux se déplacer j x"..reeent, au hasard, a xravers le réseau jusqu'à ce qu'il soit "annihilé''. Lorsqu'il, est annihilé? 1'exciton peut se perdre dans le cristal,en étant par exemple lié à un défaut, ou par absoi-ption d'énergie thermique et en 15 devenant un électron et un trou non accouplés. L'exciton peut être encore annihilé en abandonnant l'énergie radifitivëiqu'on désignera par transition radiative. L'énergie abandonnée peut être ou bien absorbée par la matière ou émise depuis la matière :ous forme de rayonnement électromagnétique. Plus spécia-20 lement, au cours d'une transition radiative», l'énergie est abandonnée sous forme soit d'un photon, soit d'un photon et d'un ou plusieurs phonons. L'annihilation d'un exciton dans lequel seul un photon est engendré est généralement désignée par transition radiative directe, et l'annihilation au cours de 25 laquelle un photon et au moins un phonon sont émis est appelée d'une façon générale transition radiative indirecte. Les conditions favorisant • : émission stimulée à partir de transitions radia tire s indirects d'excitons libres, de préférence aux auxres modes d'an^inilation d'excitons libres, 30 seront décrites ci-après en se référant au mécanisme de production des excitons libres. La figure 1 représente un diagramme de bandes d'énergie pour j.o, bander. }f BAD GBIGINAL 69 08779 2004701 seulement sont représentées sur- le dessin et désignées par 20, 22 et 24. A titre d1 exemple, on a supposé qu'un exciton a un niveau d'énergie cans la "bande d'énergie n=1 qui est désigné par 20. 5 TIa exciton ayant uns force vivo de-HII et '.me énergie initiale Lijr dar.3 la bande d'énergie 2G e-?rc représenté par le point 28. l'énergie iT- tu poi t 28 peut êtr.- re-oréventse par l'éouation Xa- - suivante : (1): ( 1 ) = ifo> + h \) 10 dans lequsllt : -iTcU est égal à l'énergie d'un plionon LC ; et h \> - représente l'énergie d'un photon. "■Lorsque l'exciton représenté par le point 28 est annihilé, 1'exciton perd son énergie Eg. en deux phases. La première phase 15 est celle dans laquelle 1'exciton passe de son état initial représenté par le point 28 à- un état intermédiaire représenté par le point 28', dont la trajectoire est représentée par la flèche 30. L'état d'énergie intermédiaire désigné par le point 28' est un- état virtuel et peut être localise sur d'autres 20 bandes d'énergie, y compris ls "bande d'énergie supérieure 22 ou 24.. La seconde plis.se est celle 'dans laquelle l1 exciton passe de son état intermédiaire représenté par le point 28l à son ■état d'énergie final au point d'origine du diagramme représenté per 28", dont la trajectoire est représentée par la flèehe 32. 25 L'état d'énergie final" représente le niveau d'énergie d'une paire électron-trou recombinée.'. Lorsqu'un exciton est annihilé en passant ds son ét&t initial E&jr son état d'énergie intermédiaire à s or: éte/s • d'énergie. final, 'un phonon L0 ayant une énergie -?r u>- et im photon ayant une énergie h\} sont créés. 30 A partir de 1'exciton du type re pré senteur le diagramme de la figure 1, il est possible de dériver l'équation générale pour le coefficient d'absorption de la matière semi-conductrice à "transition directe" utilisée dans la présente invention. Ainsi, l'énergie comprise entre le point d'énergie minimale de la bande 35 d'énergie 20 et le point d'origine 28" est désignée par S X i Afin.de dériver le coefficient d'absorption, il est nécessaire de calculer à.le fois la vitesse à laquelle les excitons sont annihilés, c'est-à-dire la vitesse à lacuelle leur BÂD ORIGINAL 69 08779 _9_ 2004701 énergie diminue du point 28 au point 28" et la vitesse à laquelle les excitons sont engendrés par annihilation simultanée de pho-' nons LO et de photons, c'est-à-dire par création d'un exciton ayant une énergie correspondant au point 28 sur la courb§£0. La 5 différence entre la vitesse de création et la vitesse d'annihilation des excitons divisée par le produit du nombre de pilotons par état multiplié par la vitesse de la lumière dans la matière à la fréquence du rayonnement électromagnétique, donne le coefficient d'absorption de la matière. 10 La figure 1 est une représentationdfexcitons en utilisant un exemple de bande d'énergie, connue. Cependant, une énergie de couplage exciton-phonon existe réellement et l'énergie d'un exciton à un état quelconque peut être définie par une courbe ou exemple de polariton qui est représentée par la courbe en 15 pointillé 34. Sur la figure 2, le polariton est représenté par un point 38 lorsqu'il est à son état de grande énergie. Dans cet état, le polariton est sensiblement un exciton. L'énergie du polari-35 ton, comme représenté par le point 38, .se- trouve à un endroit quelconque le -long de la partidsupérieure de la courbe 36. Lorsque le polariton représenté par le point 38 est diffusé, il se diffuse immédiatement et en une seule phase le long 69 08779 -io- 2004701 d'une trajectoire représentée par la flèche 42 jusqu'à un niveau de faible énergie désigné par le point 38' sur îa courbe 36 qui représente l'état d'énergie final du polariton. le niveau d'énergie initial du polariton représenté par le 5 point 38 sur la figure 2 est analogue au niveau d*énergie initial de l'exciton représenté par le point 28 i'-ir la figure t. Lorsque le polariton se diffuse du point 38 au point 38' sur la figure 2, un phonon LO est engendré et est représenté par la forme ondulée 44. L'énergie du phonon LO représentée par 10 la forme ondulée 44 présente une énergie-K ço qui est égale à Eg- - h/\). Le polariton, lorsqu'il est au point 38', .présente alors une caractéristique qui correspond sensiblement à celle d1 un plioton ayant une énergie h \). Le photon est ou bien absorbé dans le cristal ou émis par ce dernier sous foitne d'un rayonne-15 ment électromagnétique. La vitesse de diffusion des polaritons depuis le point 38 jusqu'au point 38' par émission stimulée est donnée par 1'équation (2) : (2) = A^ÎHg. (ffp + -1)NV '20 dans laquelle ï H "est le nombre de phonons LO par état ; îr Kg- est le nombre de polaritons par état avec sensiblement la même force vive que les phonons LO au point 38 de la figure 2 ; 1-Ty est le nombre de polaritons à l'état final au point 25 38' de la figure 2 ; et A( ) est défini par l'équation suivante (3) ï (3) A(V) =* 2we2 1/£o)/(tfExtK) x (î+«V/Sx1)2 (jl-(hV/Ex1)2]2 + 4W£^)~t \ x ([ 1+(meKa/2M)2r2-[ 14-m^Ka/2M)2]~^ 2 - 30 dans laquelle : UJest la pulsation du phonon ; £.*est la constante diélectrique de la matière semi-conductrice à la fréquence v* ; M est la masse de 1'exciton ; 35 P est la polarisabilité de 1'exciton ; 69 08779 2004701 \) g.*ï" la fr-ec wiic .V.'. polariton à l'étr.-s 36' j. £ est la constante diélectrique à haute fréquence de la matière semi-conduotrice * £ est la constant"- diélectrique statique do la matière 5 semi-coiicucvric--; ; -îi ev: la cc'.i?fant- de Planci: divi; 'e par 2~ j es-: 1 ' énergie minimale- tant la oanda.de plus faible énergie (:.-epi*ésonte'e =nr la iigure i ) K sf:V le nonere- d'onde? d1.-- polaritor.• à. l'tttt 36 ; 10 a, la masse de-1' électron ; C - m., cet la masse du trou j et c est le rayon de Bohr de l1exciton. la vitesse de diffusion des polaritons depuis le point 38' jusqu'au point 33 peut être désigné par et est définie par 15 l'équation (4) : (4) we = AWiySg + -î)*y dans laquelle les variables sont les mêmes que celles définies pour l'équation (3). le coefficient- d'absorption a(V) de la matière semi-conductrice peut être défini par l'équation sui- 20 vante : (p) œ(0) = w„ - w c-s> . 'dans laquelle c est égal à la vitesee. de la lumière, l'équation (5) ec:t ramené.? à l'équation suivante : . . (6) a(v) = A (s» [Ep - lyl. C 25 l'équation (o) définit matériellement-le coefficient d'absorptic de la matière semi-conductrice à "transition directe" pour le mise. en oeuvre de la présente invention.. bmJ QBlCaiN^L 08779 ~12- 2004701 Précédemment, l'intensité prédéteminéeîP1a été définie comme étant l'intensité à laquelle le coefficient d'absorption de la matière devient égal à zéro. Par conséquent, à une intensité prédéterminée d'après l'équation (6) : 5 (7) I? = îl--. P -B- Le nombre des excitons par état, est en rapport avec la con- Xi. centrâtion des excitons dans le cristal, n, conformément à l'équation (8) : (8) -M-, = C ( î ) n dans laquelle C (T) = 8= 2,95 f ^ e\2Mkî ) \ 2I-MF J et dans laquelle k_ est la constante de Boltznsm. La vitesse de génération des excitons, G-, est en rapport avec n conforméaent à l'équation (9) • (S) G = n r dans j. e quelle est la longévité d'un exciton. Bn supposant que les pertes d'excitons libres duec à des causes différentes des transitions radietives indirectes^'excitons libres soient négligeables, peut être défini par l'équation (10) : (1°) r= -mULe5 A(\>) (h9)2 et l'intensité prédéterminée, P, est an rapport avec la vitesse de génération conformément a l'équation (11) : (11) P = G?E , ' x1 rI dans laquelle : H. est la distance de diffusion d'un exciton avant qu'il soit annihilé, et Tj est le rendement de conversion de puissance interne donné pa„r l'équation (12) : 1 - p.°" 1-cose ) 2.ZL C 0 est l'angle critique de la matière ; et P , est la ^ ouu puissance totale de la lumière mesurée dans la série des excitons libres émis depuis la face du cristal atteinte par- un faisceau d'excitation de puissance P^. 08779 -13- 2004701 Il a été précédemment établi qu'à mesure que la réflectance de la face du cristal augmente, l'intensité de seuil, T.I., approche l'intensité prédéterminée. On peut le voir d'après l'équation (13) dans laquelle on suppose que Z est la longueur 5 de la cavité pour le cas particulier dans lequel la longueur de la cavité est égale à la distance de diffusion de 1'exciton. (13)" TI = P j 1 + c 1n ïotoxt dans laquelle 10 et R-2 sont les coeffificents de réflexion des surfaces du cristal. A mesure que les coefficients de réflexion approchent l'unité, l'équation (13) donne TI = P. Après avoir indiqué la façon de parvenir à l'intensité 15 prédéterminée pour toute matière à "transition directe" d'une façon générale, la Demanderesse va examiner maintenant le cas du ZnO d'une façon plus particulière,en utilisant les paramètres suivants : ï = 77°K j a =14 x 10~8 cm • ï'Tp = 10~5 20 mg = 2,7 x 10~2° g c =1,2 x 10^ cm/sec Sa>= 0,072ev m^ = 18 x 10~28 g X — 10"4 cm E = 6 x 10^ cm~^ M = 20,7 x 10~28 g 17 = 0,1 A(\))=2,4 x 1014 sec. Ex1 = 5'37ev = 3,306ev 3,5 x 10~9 sec la figure 3 représente un graphique montrant le coefficient 25 d'absorption négative en fonction du nombre des excitons par 2tat pour ZnO à une température d'environ 77°K, comme calculé par l'équation (6). Le coefficient d'absorption négative -a, est tracé en ordonnées. La concentration des excitons, n, et les excitons par état, lig-, sont tracés en abscisses supérieure et 30 inférieure, respectivement. La figure 3 montre clairement qu'à mesure que le nombre des excitons par état augmente, le coef-ficent d'absorption négative du cristal augmente très rapidement. La concentration des excitons pour des coefficients élevés d'absorption négative est relativement faible, comme l'indique 35 la figure 3. 69 08779 -h- 2004701 La figure 4 est une vue éclatée du point d'origine du ' graphique de la-figure 3 et montre qu'un nombre relativement faible d1excitons par état est nécessaire pour obtenir une absorption négative globale. Plus spécialement» elle montre que 14 , 5 dans ZnO, il existe -1,5 x 10 excitons par centimetre cud^,lorsque le coefficient d'absorption devient nul, c'est-à-dire à des énergies d'excitation prédéterminées. D'après les données ci-dessus, on calcule l'intensité prédéterminée P comme étant de 20 watts par centimètre carré. Au cours d'un essai, dans léquel 10 et R0 ont chacun une valeur égale à 0,9» l'intensité de seuil I C. j- est mesurée comme étant d'environ 10 watts par centimètre carré en utilisant un faisceau électronique de 50 kev qui correspond à une densité de courant J de 2 ampères par. centimètre carré. L'intensité de seuil, telle qu'elle est calculée par l'équa-15 tion (12), correspond à cette valeur. Après avoir décrit les caractéristiques distinctives des cristaux semi-conducteurs à "transition directe" capables de fonctionner à la température ambiante, on va décrire maintenant une forme de réalisation à titre d'exemple. • 20 La figure 5 représente un monocristal semi-conducteur à "transition directe" 100 monté sur un support 102 d!'une matière comme -le saphir. Une source d'énergie 112, comme un canon à électrons, produit un faisceau d'énergie qui atteint une surface principale 104 du cristal pour produire une émission sti-25 mulée dans le cristal, après quoi un rayonnement électromagnétique est émis depuis l'autre surface principale 10ê du cristal et traverse le support en saphir sous forme d'une onde de rayonnement électromagnétique 116. Exemple 1 30 Dans un exemple, le cristal 100 est une petite table de ZnO ayant des dimensions de l'ordre de 1 mm x 2 mm x 35m la dimension de 35P- correspondant à la longueur de la cavité. La petite table est montée sur un support en saphir 102, de façon que l'une des faces de 1 mm x 2 mm vienne au contact du 35 support. La face 104 de la petite table est argentée jusqu'à une réflectance d'environ 90 % et la face 106 est argentée jusqu'à une réf3,ectance d'environ 85 %. Le bombardement de la face 104 au moyen d'un faisceau électronique 114 provoque l'émission 69 08/79 . "15~ 2004701 d'un rayonnement électromagnétique depuis la face 106. La figure 6 représente un spectre typique de la région d'émission spontanée du ZnO soumis à un pompage latéral et montre les deux pics d'énergie les plus élevés dans la série 5 des pics présentant une différence d1 énergie correspondant à un phonon LO. Comme représenté, le point d'extrapolation de l'intensité à zéro du pic de plus grande énergie de la série, w 0 représenté en 75 sur la figure, apparaît sensiblement à 3760 A, ce qui correspond à une. énergie d'environ 3»3 électron-volts. La 10 figure 7 représente la configuration soumise à un pompage latéral utilisée pour obtenir le spectre. Le support 102 est fixé au doigt froid d'un cryostat (non représenté) rempli d'azote liquide et un rayonnement électromagnétique 108 est émis depuis une face perpendiculaire au faisceau électronique 15 114. La figure 8 montre le spectre dgfcéflexion des excitons pour ZnO à 77°E enregistré en polarisant le vecteur du champ électrique de la lumière perpendiculairement à l'axe "C". Comme indiqué, le pic de réflexion des excitons de plus grande énergie o 20 apparaît à 3678 A, ce qui correspond à une énergie de 3»37 électron-volts. Dans le ZnO, on sait que l'énergie d'un phonon L0 est de 0,073 électron-volt. Lorsque la petite table d'oxyde de zinc est soumise au mode de fonctionnement représenté sur la figure 5 à la tempé- 25 rature ambiante, c'est-à-dire à environ 300°Kjet qu'elle est soumise à un pompage par un faisceau électronique puisé do 8,5 ampères par centimètre carré et 45 kev avec des impulsions d'une durée de 100 nanosecondes à une fréauence o.e répétition de 60 impulsions par seconde, on obtient le spectre représenté sur la o 30 figure S. Le spectre passe par son apogée à environ 3950 A. Lorsqu'on augmente l'intensité du faisceau électronique au-dessus de la valeur de seuil, par exemple jusqu'à environ 9,5 ampères/cm , une émission stimulée est produite depuis le cristal comme l'indique le spectre d'émission représenté sur 35 la figure 10. Comme on le voit, le spectre présente des modes o prononcés "joncentres auteur do 3950 A. 69 08779 -l6" 2004701 Exemple 2 Dans un autre exemple, on utilise un cristal 100 en CdS ayant des diimensions de l'ordre de 2 mm x 3 mm x 11 p., pour produire des courbes correspondant à celles des figures 11 5 et 14, la longueur de la cavité étant égale à 11^. On monte la petite table de CdS sur le support de saphir 102, de façon que l'une de ses faces de 2 mm x 3 mm soit en contact avec le support. La face 104 du cristal de CdS est argentée Jusqu'à une o épaisssur do 550 .4 environ et sa face 106 est argentée jusqu'à c 10 une épaisseur- de 340 k environ. .Lorsque la face 104 est bombardée par le faisceau électronique 114, un rayonnement électromagnétique 115 est émis depuis la face 106. Le cristal de CdS utilisé dans es- cas est parallèle à au moins un angle d'environ 17 secondes d'arc environ. 15 Le spectre d'émission de la petite table est enregistré à 77°K et est comme représenté sur le graphique de la figure 11. Pour obtenir le spectre, le support 102 est fixé au doigt froid d'un cryostat rempli d'azote liquide et le rayonnement électromagnétique 116 (sortant par une fenêtre du cryostat) est balayé 20 par une grille d'un monochrotrètre . Comme représenté sur la figure 11, le spectre d'émission présente une série de pics dont la différence d'énergie correspond à un phonon LO. Le point d'extrapolation de l'intensité à zéro du pic. d'énergie la plus 0 élevée représentée en 89 sur la figure 11 apparaît à 4950 A. 25 La figure 12 montre le spectre dé réflexion des excitons pour CdS à 77°K enregistré en polarisant le vecteur du champ électrique de la lumière perpendiculaiiement à l'axe "C". Comme , ~ o representé, le pic de plus grande énergie apparaît à 4872 A, ce qui correspond à une énergie de 0,038 ev au-dessus du point 30 d'extrapolation de l'intensité à zéro du pic de plus grande énergie de la série des pics présentant une différence d'énergie correspondant à un phonon LO. Lorsque la. température de la petite table formée par un cristal de CdS est portée à la température ambiante, par exem-35 pie de l'ordre de 300°K, le spectre de rayonnement électromagnétique dans la région d'émission spontanée, tracé en fonction de la longueur d'onde est comme celui représenté sur la figure 13. Le spectre d'émission révèle des modes prononcés. Le mode 69 08779 -r'- 2004701 d'intensité maximale pour une émission stimulée est décalé à une plu^grande longueur d'onde, en comparaison du pic correspondant d'émission spontanée en 77°K. Plus spécialement, le pic principal est décalé (par rapport à la figure 11) , à savoir 5 depuis 4S32 A. lorsqu' on augmente la densité du courant du faisceau électronique au-dessus de la valeur de seuil, à savoir jusqu'à 10 ampères par- centimètre carré, -une émission stimulée est produite à partir du cristal, comme l'indique le spectre 10 d'émission représenté sur la figure 14. le pic principal apparaît sensiblement à la même longueur d'onde que pour les condi- o tions de la figure 13, à savoir à 5205 A. l'émission engendrée par la petite table formée par le cristal de CdS soumis à un pompage longitudinal peut impliquer 15 plus d'un phonon 10 et, par conséquent, un laser à excitons libresutilisant des processus à phonons multiples serait considéré comme entrant dans le cadre de la présente invention. Il est bien entendu que la génération d'un rayonnement-électromagnétique, à partir d'une matière semi-conductrice à "tran-20 sition directe", comme par exemple la petite table formée par lin cristal de CdS-sous d'autres'formes géométriques ou dans d'autre--; modes, présente les mêmes transitions générales. Bien qu'on ait indiqué dans la présente demande des matières demi-conductrices capables d'être utilisées dans un 25 laser à transitionsindirectesd1es citons libres, à titre d'exemple, il est possible de choisir et d'identifier- d'autres matières et composés comprenant les composés I-VII, II—VI et IV-VII suivant la présente demande. la présente invention est susceptible d'une large appli-30 cation. Par exemple, le laser à transitions indirectesd' excitons libres peut être utilisé pour transmettre une informfation entre un émetteur et un récepteur, ou il peut être utilisé pour enregistrer des images graphiques sur un élément en forme de bande. 69 08779 -16- 2004701 - MgEI-IDE;,D.E3 DESSINS -Figures Repères ' 1 A Force vive 2 3 Energie de polarisation" 5 2 C Force vive — 1 - , 3 D Coefficient (CM- ) d'absorption négative ( 1 8 3 S Concentration (10 CM" ) de (n) excitons 3 F Nombre d'excitons par- état 6 G- Intensité relative stimulée' 10 6 H .n - n spontanée _ 1 6 I Coefficient (CM- ) d'absorption (-a) o 6 J Longueurs d'ondes A 8 IC Intensité relative o - 8 L Longueurs d'ondes A 15 9 M Intensité relative spontanée o 9 L Longueurs d'ondes A 10 X Intensité relative o 10 L Longueurs d'ondes A 11 G- Intensité relative stimulée 20 11 H Intensité relative spontanée 11 I Coefficient (CM-^) d'absorption (-a) 12 K Intensité relative o 12 L Longueurs d'ondes A 13 M Intensité relative spontanée O 25 13 L Longueurs d'ondes A — 1 13 I Coefficient (CM ) d'absorption (-a) 14 G- Intensité relative stimulée 14 I Coefficient (CM~^) d'absorption (-a) O 14 L Longueurs d'ondes A 30 08779 ..19- 2004701 - BBWBtrDICAIIOaS - 1} Appareil destiné à produire un rayonnement électromagnétique par émission stimulée lorsque 1*énergie provenant d'une source est dirigée sur un semi-conducteur (104) présentant deux faces réfléchissantes.parallèles espacées et un enduit réfléchissant la lumière sur chaque face, appareil caractérisé en ce qu'il comprend un semi-conducteur cristallin à "transition directe" qui est au moins un composé des éléments des Groupes 2b et 6a du Tableau Périodique, par exemple les séléniures, tellurures, oxydes et sulfures de cadmium et de zinc, et en particulier l'oxyde de zinc, matière cristalline qui est choisie pour son aptitude à favoriser une émission stimulée à partir de transitions radiatives indirectes d'excitons libres, et qui est utilisée comme matière sur laquelle l'énergie agit, et une source d'énergie pour diriger sur le semi-conducteur une énergie au moins d'une intensité prédéterminée pour' produire un rayonnement électromagnétique par émission stimulée à partir de l'une au moins des faces réfléchissantes du semi-conducteur à la température ambiante. 2) Un semi-conducteur convenant pour être utilisé dans l'appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est choisi de façon à avoir à 3a fois une série de pics dans son spectre d'émission présentant une différence d'énergie correspondant à l'énergie d'un phonon LO, le pic de 1'exciton de plus faible énergie du spectre de réflexion se trouvant dans une position située à une unité d'énergie d'un phonon LO au-dessus de l'énergie du point d'extrapolation de l'intensité à zéro du pic de plus grande énergie de la série des pics du spectre d'émission présentant une différence d'énergie correspondant g/celle d'un phonon LO. 3) Semi-conducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la matière cristalline présente .un coefficient d'absorption défini par l'équation suivante : «(*) = Mv)[r -li. ] c ^ dans laquelle A (S?) est une constante dimension :11e cajracteristiqu d'une matière semi-conductrice qui dépend de ï) , la fréquence du rayonnement électromagnétique! H est le nombre des phonons 69 08779 -2°- 2004701 LO par- et ai -, H. est le nombre des excitons libres par état avec sensiblement la même force vive qu'un phonon LO, et c est la vitesse de la lumière dans la matière au niveau d'énergie du rayonnement électromagnétique, le semi-conducteur étant carac-5 térisé en outre en ce que la source d'énergie produit une énergie d'une intensité prédéterminée au moins définie par l'équation suivante : P = GiË I dans laquelle G est la vitesse de génération des excitons de la 10 matière, JL est la distance de diffusion d'un exciton avant quril soit annihilé, est l'énergie minimale do la bande des excitons de plus faible énergie et est le rendement de conversion de puissance interne de la matière. 4) Semi-conducteur selon la revendication 3» caractérisé en 15 ce que la matière cristalline présente un réseau polycristallin. 5) Semi-conducteur selon la revendication 3» caractérisé en ce que la matière cristalline est une petite table formée par un monocristal présentant deux surfaces principales, qu^éont les surfaces espacées parallèles. 20 6) Semi-conducteur selon la revendication 3» caractérisé en ce que la matière cristalline est sous forme d'ungfcastille découpée à partir d'un cristal de base, pastille qui présente deux surfaces principales taillées qui sont les surfaces réfléchissantes espacées et parallèles. 25 7) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'énergie est un canon à électron^qui produit un . l'une faisceau d'electr-ons dirige sur/de s surfaces réfléchissantes parallèles principales pour produire un. rayonnement électromagnétique à partir de l'autre surface réfléchissante parallèle.