Дисковый полупроводниковый лазер с радиационной накачкой посредством использования источника β-излучения

Полезная модель относится к лазерной технике, конкретнее к дисковым полупроводниковым лазерам с накачкой от радиоактивного источника, и может быть использована в системах связи, сенсорике и лазерной медицине.
Известна модель радиолюминесценции твердотельных лазерных материалов, активированных неодимом, при возбуждении α-частицами и осколками деления (Е.А. Серегина, А.А. Серегин // Квантовая электроника, 43(2), с. 150-156, 2013). Недостатком известной модели является необходимость использования высокоэнергетического излучения.
Известны модели по созданию мощных лазеров с ядерной накачкой, в которых энергия деления ядер прямо преобразуется в энергию лазерного излучения (А.А. Серегин, П.П. Дьяченко, В.И. Лапидус, Е.А. Серегина // Квантовая электроника, 26(2), с. 98-102, 1999). Недостатками данной модели являются небольшая эффективность накачки, малое время жизни верхнего рабочего уровня и высокий уровень радиации.
Известна модель радиационной накачки с использованием твердотельных радиолюминесцентных источников, в которых радиоактивный элемент помещен в аморфный полупроводник (см. патент US №5118951). В рамках известной модели β-излучение возбуждает неравновесные электронно-дырочные пары, при рекомбинации которых может излучаться свет. Эффективность люминесценции определяется отношением излучательно-рекомбинирующих пар к общему числу возбужденных неравновесных электронно-дырочных пар. Скорость излучательной рекомбинации зависит от времени жизни носителей и коэффициента рекомбинации, который выражает для данной пары вероятность рекомбинировать излучательно.
Недостатком известной модели является то, что используемые в качестве материала, обеспечивающего генерацию электронно-дырочных пар, аморфные полупроводники обладают коротким временем жизни носителей (значительно менее 1 нс) и, как следствие, с более низким по сравнению со стандартными структурами коэффициентом рекомбинации.
Сущность предлагаемой модели накачки полупроводникового лазера заключается в том, что в качестве источника накачки используется радиоактивный β-источник, обеспечивающий полную автономность лазерного комплекса от внешних источников электрического питания.
Известен твердотельный радиолюминесцентный лазерный источник на основе кристаллической полупроводниковой гомо- или гетероструктуры (Patent US 5561679, Mannik et al.). Энергетическая диаграмма данной структуры (активного элемента соответствующего лазера) имеет вид одной или нескольких квантовых ям (в структуре чередуются полупроводники с низким и высоким уровнями запрещенной зоны, например GaAs и GaAlAs). Собственно источник представляет собой поверхностно излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL - vertical cavity surface emitting laser). Это изобретение взято за прототип.
Недостатками данного устройства являются низкая мощность выходного излучения, составляющая менее 100 мВт и значительная летучесть радиоактивного источника.
Сущность предлагаемого полупроводникового лазера заключается в том, что лазер дополнительно оснащен полупроводниковой структурой на квантовых точках, обладающих более низким порогом возбуждения генерации.
Использование предлагаемого устройства обеспечивает следующий технический результат: снижение порога генерации и увеличение мощности полупроводникового лазера с накачкой от радиоактивного элемента.
Особенность заключается в том, что в качестве источника накачки используется радиоактивный β-источник, обеспечивающей полную автономность лазерного комплекса от внешних источников электрического питания.
Устройство, реализующее предложенную модель, представляет собой дисковый полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором с внешним зеркалом.
Особенность заключается в том, что лазер дополнительно оснащен полупроводниковой структурой на квантовых точках, обладающих более низким порогом возбуждения генерации.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленной полезной модели, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».
На фиг. 1 представлено схематическое изображение полупроводникового дискового лазера на квантовых точках и структура энергетических уровней. Позиции фиг. 1:
1 - внешнее зеркало;
2 - β-источник, Ni-63;
3 - подложка;
4 - активная область;
5 - зеркало;
6 - окно;
7 - барьер;
8 - квантовые точки;
9 - разделитель.
2
На фиг. 2 представлена структура квантовых точек InAs (0.5 ML - половина монослоя) в матрице GaAs. Расстояние между квантовыми точками 2.3 монослоя GaAs. Плотность около 1011 квантовых точек на см.
Дисковый полупроводниковый лазер (фиг. 1) представляет собой VCSEL-лазер с внешним зеркалом. Использование внешнего зеркала позволяет увеличить площадь активного элемента и использовать внутрирезонаторную технику синхронизации мод при помощи насыщающего поглотителя. Данная техника позволяет при невысокой средней мощности выходного излучения получать значительные пиковые мощности импульсов. В качестве активной среды предлагается использовать структуру, основанную на квантовых точках. На фиг. 2 представлена структура квантовых точек, полученная эпитаксиальным методом субмонослойного выращивания.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Испускаемые радиоизотопным источником электроны бомбардируют полупроводниковую гетероструктуру со структурой квантовых точек. При этом квантовые точки (в области их излучения) используются в качестве активной лазерной среды в виде квантоворазмерной структуры, обеспечивающей компрессию электронно-дырочных пар путем чередования большого числа (потенциально значительно более 100) полупроводниковых слоев с различной шириной запрещенной зоны. Это должно привести к повышению эффективности работы соответствующих лазеров при комнатной температуре. Использование квантовых точек позволяет существенно снизить мощность накачки, необходимую для создания инверсной населенности, т.е. достигнуть энергетического порога генерации, что является крайне важным в случае радиоактивной накачки, мощность которой ограничена активностью используемого радиоактивного источника. Кроме того, использование квантовых точек дает дополнительные конструктивные преимущества: изменяя размер точек, можно изменять длину волны генерируемого излучения, структура квантовых точек не столь чувствительна к изменению температуры.
Для создания большего усиления, необходимо использовать многослойную структуру квантовых точек с количеством слоев более 100.
В качестве радиоактивного источника накачки нами предлагается использовать не летучий тритий, а β-активный изотоп Ni-63, получаемый в ОАО «ГНЦ НИИ атомных реакторов» (г. Димитровград). Энергетический спектр β-электронов данного радиоизотопа варьируется в диапазоне от 0 до 66.7 кэВ, со средней энергией 17.1 кэВ. Эти энергии позволяют генерировать свободные носители (около 3-5 тысяч электронно-дырочных пар на одну β-частицу), но лежат ниже диапазона дефектообразования и не могут приводить к дефектам и разрушению кристаллической структуры полупроводника. Электроны таких энергий не могут проникать в кожные слои и нанести вред здоровью человека (Nagornov Y.S., Radchenko V.M., Pchelintceva E.S., Kostishko B.M., Risovany V.D., Materials of IV Russian seminar of fibre lasers, pp. 131-132, 2010). Пленка с радионуклидом размещается внутри корпуса полупроводникового дискового лазера. Большая площадь поверхности дискового лазера по сравнению с VCSEL-лазером позволяет разместить большее количество радиоизотопа, что повышает мощность накачки и также увеличивает выходную мощность лазера.
Таким образом, предложенный дисковый полупроводниковый лазер с накачкой посредством радиационного излучения обладает лучшими характеристиками, чем существующие аналоги, прежде всего - более низким порогом генерации, а также полной автономностью от внешних источников электропитания.