ЛАЗЕРНАЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА
LASER ELECTRON-BEAM TUBE

Изобретение относится к квантовой электронике и электронной технике и может быть использовано в приборах с мощным сканирующим коллимированным световым лучом, в частности в телепроекторах, лазерных локаторах, медицине, фотолитографии.
Известна лазерная электронно-лучевая трубка, содержащая в вакуумируемой колбе с выходным оптическим окном источник электронного пучка, средства для его управления и активную мишень, выполненную в виде полупроводниковой пластины, помещенной в оптический резонатор (Н.Г. Басов, О.В. Богданкевич, А.С. Насибов, Электронно-лучевая трубка. Авт. Свид. №270100 с приоритетом от 1967 г.; Патент США 3558956).
В одном из вариантов исполнения данного устройства сфокусированный электронный пучок проникает в полупроводниковую пластину, выполненную из монокристалла, через высокоотражающее покрытие и возбуждает монокристаллическую пластину в области электронного пятна, в ней возникает люминесценция и оптическое усиление. Пластина закреплена на прозрачной подложке со вторым полупрозрачным покрытием. Покрытия формируют оптический резонатор. Генерируемое лазерное излучение выходит из резонатора через полупрозрачное покрытие. Лазерный луч следует за положением электронного пятна на полупроводниковой пластине. Длина волны излучения зависит от выбора материала полупроводниковой пластины и может соответствовать ближнему инфракрасному, видимому и ближнему ультрафиолетовому диапазонам.
Недостатком данного устройства является то, что порог генерации лазерного излучения слишком высок при комнатной температуре. Резонатор не является устойчивым, поэтому устройство работает лишь при малом расстоянии между отражающими покрытиями. В этом случае угол расходимости лазерного пучка превышает 10 градусов.
Известна лазерная электронно-лучевая трубка, содержащая в вакуумируемой колбе с выходным оптическим окном источник электронного пучка, средства для его управления и активную мишень, выполненную в виде гетероструктуры, с двумя зеркальными покрытиями: высокоотражающим со стороны падения электронного пучка и полупрозрачным со стороны крепления пластины на хладопроводящей подложке (Козловский В.И., Лаврушин Б.М. Лазерная электронно-лучевая трубка, Патент РФ №2056665; US Patent # 5687185; European Patent No. ЕР 0696094 B1, Bulletin 1999/41).
Использование гетероструктуры с напряженными квантовыми ямами позволяет существенно снизить порог генерации при комнатной температуре и расширить набор материалов, которые могут быть использованы, что, в конечном счете, позволяет реализовать эффективную генерацию в видимой и ультрафиолетовой областях спектра с мощность в несколько ватт.
Однако в данном устройстве по-прежнему не удается улучшить направленность излучения. Угол расходимости излучения превышает 10 градусов, что определяется малой (4-5 мкм) длиной резонатора.
Известна лазерная электронно-лучевая трубка, содержащая в вакуумируемой колбе с выходным оптическим окном источник электронного пучка, средства для его управления и активную мишень, выполненную в виде гетероструктуры с высокоотражающим зеркальным покрытием со стороны падения электронного пучка, закрепленную на выходном оптическом окне, вторая поверхность которого просветлена для генерируемого излучения, а также вне вакуумируемой колбы оптическую систему, состоящую из оптического телескопа и плоского полупрозрачного зеркала, оптически сопряженного с поверхностью гетероструктуры с высокоотражающим покрытием. (Козловский В.И. Полупроводниковый лазер с внешним резонатором и накачкой электронным пучком. 8-й Бел.-Российский семинар «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе», 17-20 мая 2011, Минск, Беларусь. Сб. статей, с.139-142.).
Оптический резонатор в данном устройстве образован высокоотражающим покрытием, оптическим телескопом и внешним плоским зеркалом. Длина этого резонатора достигает нескольких сантиметров, что существенно улучшает направленность излучения. Угол расходимости лазерного луча может быть меньше 10 мрад.
Недостатком данного устройства является недостаточно эффективный теплоотвод от активной мишени, что ограничивает выходную мощность лазерной электроннолучевой трубки. Кроме того, оптический резонатор содержит, по меньшей мере, три внешних оптических элемента, которые требуют дополнительной юстировки, что усложняет устройство, повышает его стоимость и уменьшает его надежность.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является лазерная электронно-лучевая трубка, выполненная в виде вакуумируемой колбы с выходным оптическим окном и имеющая электронно-оптическую ось, вдоль которой последовательно расположены источник электронов, система электродов для формирования электронного пучка и активная пластина с высокоотражающим покрытием, закрепленная со стороны покрытия на хладопроводящей подложке, а также системы фокусировки и отклонения электронного пучка, размещенные вне трубки, у которой в колбе размещены дополнительные отражающие элементы в виде вогнутого отражателя с оптической осью и, по меньшей мере, одного плоского отражателя, которые вместе с высокоотражающим покрытием формируют оптический резонатор лазерной электроннолучевой трубки с активной пластиной внутри этого резонатора. (В.И.Козловский. Полупроводниковый дисковый лазер. Патент России RU 2 461 932 C2, Опубликовано: 20.09.2012 Бюл. №26.)
В данном устройстве лазерная электронно-лучевая трубка по существу является лазером накачки полупроводникового дискового лазера, активная пластина которого расположена в вакуумируемой колбе и является элементом оптического резонатора электронно-лучевой трубки. Из колбы выходит только излучение дискового лазера.
Другой особенностью устройства является то, что активные пластины электронно-лучевой трубки и дискового лазера могут быть закреплены на медных подложках, обеспечивающих высокую эффективность теплоотвода. Это позволяет увеличить мощность лазерной электронно-лучевой трубки и полупроводникового дискового лазера. Выходная мощность дискового лазера может составлять 1 Вт и выше, причем лазерный луч имеет высокое качество. Угол расходимости не превышает 10 мрад, что близко к дифракционному пределу.
Однако данное устройство не может быть использовано для получения сканирующего лазерного луча.
Задачей, решаемой изобретением, является осуществление сканирования мощного лазерного пучка с улучшение направленности.
Поставленная задача решается в лазерной электронно-лучевой трубке, выполненной в виде вакуумируемой колбы с выходным оптическим окном и имеющей электронно-оптическую ось, вдоль которой последовательно расположены источник электронов, система электродов для формирования электронного пучка и активная пластина с высокоотражающим покрытием на первой своей поверхности, закрепленная на хладопроводящей подложке, а также системы фокусировки и отклонения электронного пучка, размещенные вне трубки, у которой в колбе размещены дополнительные отражающие элементы в виде вогнутого отражателя с оптической осью и, по меньшей мере, одного плоского отражателя, которые вместе с высокоотражающим покрытием формируют оптический резонатор лазерной электронно-лучевой трубки с активной пластиной внутри этого резонатора, причем оптическое окно колбы является плоским оптическим отражателем с отражающим покрытием на внутренней своей поверхности, которое является высокоотражающим на части этой поверхности и частично пропускающим на остальной части поверхности для излучения активной пластины.
Сущность изобретения заключается в том, что использование оптического окна в виде плоского выходного зеркала протяженного оптического резонатора, сформированного внутри вакуумируемой колбы, позволяет уменьшить расходимость сканирующего лазерного луча и вывести его из колбы. Использование вогнутого отражателя в составе оптического резонатора позволяет снизить потери резонатора, уменьшить порог генерации лазера и увеличить его мощность.
Возможны различные варианты исполнения заявляемого устройства. В одном из вариантов первая поверхность активной пластины и внутренняя поверхность выходного оптического окна вакуумируемой колбы размещены в одной плоскости перпендикулярно оптической оси вогнутого отражателя, причем эта ось пересекает внутреннюю поверхности оптического окна, которая по своей площади превышает площадь активной пластины и включает в себя область, симметричную первой поверхности активной пластины относительно оптической оси вогнутого отражателя.
Для снижения порога генерации целесообразно первую поверхность активной пластины и внутреннюю поверхность оптического окна размещать в фокальной плоскости вогнутого отражателя. Для расширения рабочей площади активной пластины вогнутый отражатель выполняется в виде параболоида вращения.
В одном варианте оптическое окно имеет отражающее покрытие, частично пропускающее на длине волны излучения активной пластины только в области с характерным поперечным размером 0.1-1 мм и центром в точке пересечения оптической оси вогнутого отражателя с внутренней поверхностью оптического окна, а на остальной поверхности - высокоотражающее покрытие. Этот вариант устройства предназначен для осуществления сканирования лазерного луча по углу относительно оптической оси вогнутого отражателя.
В другом варианте, наоборот, оптическое окно имеет высокоотражающее покрытие на длине волны излучения активной пластины только в области диаметром 0.1-1 мм с центром в точке пересечения оптической оси вогнутого отражателя с внутренней поверхностью оптического окна, а на остальной поверхности - отражающее покрытие, частично пропускающее на длине волны излучения активной пластины. Этот вариант устройства предназначен для осуществления двумерного координатного сканирования лазерного луча.
В обоих вариантах характерный поперечный размер не может быть меньше поперечного размера моды резонатора, который составляет примерно 0.1 мм. В противном случае мощность излучения будет падать. Если характерный поперечный размер будет превышать 1 мм, то габариты оптического резонаторы будут увеличиваться.
Высокоотражающее покрытие на внутренней поверхности оптического окна в обоих вариантах должно имеет коэффициент отражения по интенсивности излучения активной пластины не менее 0.99, и отражающее покрытие, частично пропускающее излучения активной пластины, - коэффициент отражения по интенсивности не менее 0.95. Если коэффициент отражения высокоотражающего покрытия будет менее 0.99, и отражающее покрытие, частично пропускающее излучения активной пластины, будет иметь коэффициент отражения по интенсивности менее 0.95, то порог генерации будет слишком большой, что приведет к уменьшению выходной мощности лазера. Важно также чтобы потери на высокоотражающем зеркале были значительно меньше (не менее чем в 5 раз) по сравнению с полезными потерями в отражающем покрытии, частично пропускающим излучение активной пластины. Потери, обусловленные поглощением или рассеянием излучения в слоях отражающего покрытия, должны не превышать 0.5%.
Для дальнейшего снижения порога генерации и увеличения выходной мощности лазера целесообразно иметь дополнительное покрытие, частично отражающее на длине волны излучения активной пластины, нанесенное на вторую поверхность активной пластины. Коэффициент отражения этого дополнительного покрытия может изменяться в широком диапазоне от 0 до 0.95. Если этот коэффициент отражения будет выше 0.95, то генерация может возникнуть в микрорезонаторе, образованном дополнительным и высокоотражающим покрытиями, что приведет к резкому ухудшению направленности излучения лазера.
Активная пластина может быть выполнена из монокристалла. Однако для снижения порога генерации целесообразно активную пластину выполнять в виде многослойной гетероструктуры с квантовыми ямами, квантовыми нитями или квантовыми точками. Однако технология выполнения гетероструктуры с квантовыми нитями на сегодняшний день представляется слишком трудоемкой. Квантовые ямы или листы с квантовыми точками целесообразно размещать по толщине гетероструктуры таким образом, чтобы в резонаторе они находились в пучностях стоячей волны генерируемой моды резонатора. В противном случае будет повышаться порог генерации и уменьшаться выходная мощность лазера.
Для реализации генерации в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра гетероструктуры выполняются из соединений A2 В6 и А3В5, включая соединения азота: A3N.
Хладопроводящая подложка может быть непрозрачной и выполненной из материала с высокой теплопроводностью. Желательно ее изготавливать из меди или сплавов меди с другими металлами, например с вольфрамом. Сплавы предпочтительны, если процесс закрепления пластины на первой хладопроводящей подложке происходит при повышенной температуре и для того, чтобы избежать повреждения пластины, необходимо согласовывать коэффициенты температурного расширения подложки и пластины. Закрепление пластины может осуществляться путем использования оптических клеев (например, ЕРОТЕК-301), в том числе и непрозрачных теплопроводящих с металлическим наполнением (ЕРОТЕК-Н20Е), или через металлические припои с относительно низкой температурой размягчения. Данные технологии хорошо известны в полупроводниковой промышленности.
Зеркальные покрытия могут быть выполнены из широко используемых в оптической промышленности окислов с малым и большим коэффициентами преломления. Это могут быть для видимой области такие известные пары как SiO2-TiO2, SiO2-ZrO2, Al2O3-Ta2O5 и другие. Для ультрафиолетовой области предпочтительной парой является пара SiO2-HfO2. Для получения высокого отражения желательно использовать комбинацию интерференционного диэлектрического покрытия и металлического слоя из Al или Ag.
Для отвода заряда рассеянных электронов с поверхности оптического окна колбы необходимо один из слоев отражающего покрытия делать электропроводящим. Этот слой может быть выполнен из In2O3, Sn02 или их твердых растворов. В противном случае поверхностные разряды могут привести к деградации этих покрытий и окна.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими фигурами.
Фиг.1. Полупроводниковый дисковый лазер, в котором используется лазерная электронно-лучевая трубка, являющаяся наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству.
Фиг.2. Лазерная электронно-лучевая трубка согласно заявляемому техническому решению.
Фиг.3. Другой вариант лазерной электронно-лучевой трубки согласно заявляемому техническому решению.
Известное устройство полупроводникового дискового лазера с накачкой излучением лазерной электронно-лучевой трубки, представленное схематично на фиг.1, содержит вакуумируемую колбу 1 с выходным оптическим окном 2 с вогнутой внутренней поверхностью, имеющую электронно-оптическую ось 3, вдоль которой последовательно расположены источник электронов 4, система электродов для формирования электронного пучка 5 и активная пластина 6 с высокоотражающим покрытием 7, закрепленная со стороны покрытия на хладопроводящей подложке 8, а также системы фокусировки 9 и отклонения 10 электронного пучка, размещенные вне трубки, у которой в колбе 1 размещены дополнительные отражающие элементы в виде отражающего покрытия 11 на внутренней поверхности оптического окна 2, образующее вогнутый отражатель с оптической осью 12, плоского отражателя 13 и второй активной пластины 14 с высокоотражающим покрытием 15, и отражательным частично-пропускающим покрытием 16, размещенные на хладопроводящей подложке 8 таким образом, что оптическая ось 12 вогнутого отражателя пересекает хладопроводящую подложку 8 в области расположения второй активной пластины 14, и плоский отражатель 13 расположен симметрично активной пластине 6 относительно оси 12, причем активная пластина 6, вторая активная пластина 14 и отражатель 13 находятся вблизи фокальной плоскости вогнутого отражателя. Отражающее покрытие 11 представляет собой высокоотражающее покрытие для излучения лазерной электронно-лучевой трубки на всей внутренней вогнутой поверхности оптического окна 2 кроме малой области вблизи оптической оси, где отражающее покрытие 11 является частично пропускающим для излучения дискового лазера. Высокоотражающее покрытие 7, отражающее покрытие 11 высокоотражательное покрытие 15, отражательное частично-пропускающее покрытие 16 и отражатель 13 образуют оптический резонатор для лазерной электронно-лучевой трубки. Отражательное покрытие 11 вблизи точки пересечения с оптической осью, высокоотражательное покрытие 15 и отражательное частично-пропускающее покрытие 16 образуют оптический резонатор для полупроводникового дискового лазера.
Устройство работает следующим образом. При подаче электрического напряжения на источник электронов 4 и систему электродов 5 формируется электронный пучок 17, который при подаче сигналов на системы фокусировки 9 и отклонения 10 фокусируется в область 18 на активной пластине 6. В этой области электронный пучок поглощается, в ней возникает люминесценция и оптическое усиление, что при наличии обратной связи приводит к генерации внутреннего лазерного излучения. При этом генерируется М-образная мода 19, симметричная относительно оптической оси 12. Генерируемое излучение проникает внутрь второй активной пластины 14, где происходит его частичное поглощение. В результате этого поглощения во второй активной пластине 14 возникают вторичное излучение и оптическое усиление. При наличии обратной связи возникает генерация вторичного лазерного излучения вдоль оси 12. Это вторичное излучение имеет длину волны меньшую длины волны внутреннего излучения лазерной электроннолучевой трубки. Генерируемое в полупроводниковом дисковом лазере излучение 20 выходит из вакуумируемой колбы 1 через оптическое окно 2. При подаче изменяющегося во времени сигнала на отклоняющую систему 10 электронный пучок сканирует по поверхности активной пластины 6. При этом режим накачки активной пластины 14 остается постоянным во времени, тем самым достигается режим непрерывной генерации лазера в целом. При этом выходящий лазерный луч не сканирует.
Один из вариантов устройства лазерной электронно-лучевой трубки согласно заявляемому техническому решению, представленный схематично на фиг.2, содержит вакуумируемую колбу 21 с выходным оптическим окном 22, имеющую электронно-оптическую ось 3, вдоль которой последовательно расположены источник электронов 4, система электродов для формирования электронного пучка 5 и активная пластина 6 с высокоотражающим покрытием 7 и отражающим покрытием 28, частично пропускающим излучение активной пластины 6, закрепленная со стороны покрытия 7 на хладопроводящей подложке 29, а также системы фокусировки 9 и отклонения 10 электронного пучка, размещенные вне трубки, у которой в колбе 21 размещены дополнительные отражающие элементы в виде вогнутого отражателя 32 с оптической осью 33, высокоотражающего покрытия 34 и отражательного покрытия 35 на поверхности оптического окна 22, формирующие плоский оптический отражатель; оптическая ось 33 вогнутого отражателя 32 пересекает оптическое окно 22 в области отражательного покрытия 35, частично пропускающего излучение электронно-лучевой трубки; высокоотражающее покрытие 34 нанесено, по меньшей мере, на область оптического окна 22, осесимметричную поверхности активной пластины 6; причем хладопроводящая подложка 29 и оптическое окно 22 размещены таким образом, что поверхность активной пластины 6 с высокоотражающим покрытием 7, высокоотражающее покрытие 34 и отражательное покрытие 35 размещены вблизи фокальной плоскости вогнутого отражателя 32. Высокоотражающее покрытие 7, отражающее покрытие 28, высокоотражающее покрытие вогнутого отражателя 32, отражательное частично-пропускающее покрытие 35 и высокоотражающее покрытие 34 образуют оптический резонатор для лазерной электронно-лучевой трубки.
Устройство работает следующим образом. При подаче электрического напряжения на источник электронов 4 и систему электродов 5 формируется электронный пучок 17, который при подаче сигналов на системы фокусировки 9 и отклонения 10 фокусируется в область 37 на активной пластине 6. В этой области электронный пучок поглощается, в ней возникает люминесценция и оптическое усиление, что при наличии обратной связи приводит к генерации лазерного излучения. При этом генерируется М-образная мода 38, симметричная относительно оптической оси 33. Генерируемое излучение выходит из резонатора через покрытие 35 в области пересечения оптической оси 33 с оптическим окном 22. Далее излучение выходит через оптическое окно наружу в виде двух лучей 39 симметричных относительно оптической оси 33. Направление распространения каждого луча составляет некоторый угол с оптической осью 33. При подаче изменяющегося во времени сигнала на отклоняющую систему 10 электронный пучок сканирует по поверхности активной пластины 6. При перемещении электронного пучка в область 40 генерируется М-образная мода 41, которая также проходит через область пересечения оптической оси 33 с оптическим окном 22. Из этой области выходят два луча 42. Они распространяются уже под другим углом к оптической оси 33. Таким образом, осуществляется режим сканирования лазерного луча по углу.
Другой вариант устройства лазерной электронно-лучевой трубки согласно заявляемому техническому решению, представленный схематично на фиг.3, содержит вакуумируемую колбу 21 с выходным оптическим окном 22, имеющую электронно-оптическую ось 3, вдоль которой последовательно расположены источник электронов 4, система электродов для формирования электронного пучка 5 и активная пластина 6 с высокоотражающим покрытием 7 и отражающим покрытием 28, частично пропускающим излучение активной пластины 6, закрепленная со стороны покрытия 7 на хладопроводящей подложке 29, а также системы фокусировки 9 и отклонения 10 электронного пучка, размещенные вне трубки, у которой в колбе 21 размещены дополнительные отражающие элементы в виде вогнутого отражателя 32 с оптической осью 33, высокоотражающего покрытия 54 и отражательного покрытия 55 на поверхности оптического окна 22, формирующие плоский оптический отражатель; оптическая ось 33 вогнутого отражателя пересекает оптическое окно 22 в области высокоотражающего покрытия 54; отражающее частично пропускающее покрытие 55 нанесено, по меньшей мере, на область оптического окна 22, осесимметричную поверхности активной пластины 6; причем хладопроводящая подложка 29 и оптическое окно 22 размещены таким образом, что поверхность активной пластины 6 с высокоотражающим покрытием 7, высокоотражающее покрытие 54 и отражательное покрытие 55 размещены вблизи фокальной плоскости вогнутого отражателя 32. Высокоотражающее покрытие 7, отражающее покрытие 28, высокоотражательное покрытия вогнутого отражателя 32, высокоотражательное покрытие 54 и отражательное частично-пропускающее покрытие 55 образуют оптический резонатор для лазерной электроннолучевой трубки.
Устройство работает следующим образом. При подаче электрического напряжения на источник электронов 4 и систему электродов 5 формируется электронный пучок 17, который при подаче сигналов на системы фокусировки 9 и отклонения 10 фокусируется в область 37 на активной пластине 6. В этой области электронный пучок поглощается, в ней возникает люминесценция и оптическое усиление, что при наличии обратной связи приводит к генерации лазерного излучения. При этом генерируется М-образная мода 38, симметричная относительно оптической оси 33. Генерируемое излучение выходит из резонатора через покрытие 55 и оптическое окно 22 наружу в виде луча 56. При подаче изменяющегося во времени сигнала на отклоняющую систему 10 электронный пучок сканирует по поверхности активной пластины 6. При перемещении электронного пучка в область 40 генерируется М-образная мода 41. Лазерный луч 57 выходит из области, осесимметричной области 40. Луч 57 параллелен лучу 56 и нормален к поверхности оптического окна 22 с напылением 55. Таким образом, осуществляется режим двумерного координатного сканирования лазерного луча.
Заявляемое устройство иллюстрируется следующим примером. Лазерная электронно-лучевая трубка выполнена в виде отпаянного прибора (см. фиг.2). Прибор имеет камеру цилиндрической формы с внутренним диаметром 30 мм, выполненную из стекла, к которому сверху-сбоку приварена стеклянная трубка длиной 80 мм с запаянным концом. В трубке содержатся катод и система электродов для формирования электронного пучка. На трубку с внешней стороны надеты электромагнитные катушки фокусировки и отклонения. К верхней части цилиндра приварена плоская крышка, на которой с внутренней стороны размещен вогнутый параболический электропроводящий отражатель с высокоотражающим покрытием из окислов Ta2O5-SiO2 с коэффициентом отражения 0.999 в спектральной области 630-650 нм. Радиус кривизны отражателя вблизи его оси равен 40 мм. Нижняя часть цилиндра имеет стеклянное дно, в которое вварены оптическое окно диаметром 15 мм и через коваровый переходник медная хладопроводящая подложка диаметром 10 мм. К хладопроводящей подложке через металлический припой присоединена гетероструктура с квантовыми ямами GaInP/AlGaInP и встроенным брэгговским зеркалом AlGaAs/AlAs с коэффициентом отражения 0.995 в спектральной области 630-650 нм, выращенная на подложке GaAs толщиной 350 мкм. Гетероструктура содержит 10 КЯ толщиной 8 нм каждая. На свободную поверхность гетероструктуры с поперечными размерами 6x6 мм напылено полупрозрачное зеркальное покрытие из окислов Ta2O5-SiO2 с коэффициентом пропускания 0.1 в спектральной области 630-650 нм. На внутреннюю поверхность оптического окна в области диаметром 1 мм вблизи пересечения оптической оси вогнутого отражателя с поверхностью оптического окна нанесено отражающее покрытие из окислов Ta2O5-SiO2 и проводящего слоя из In2O3-SnO2 с коэффициентом отражения 0.95, а на всю оставшуюся внутреннюю поверхность оптического окна - с коэффициентом отражения 0.999 в спектральной области 630-650 нм.
2
В электронно-лучевой трубке формируется электронный пучок с энергией электронов 25 кэВ и током 2 мА. Он фокусируется в пятно 100 мкм и сканирует по площади 6×6 мм. В оптическом резонаторе возбуждается М-образная мода. На выходе мощность излучения составляет 4 Вт. Полная потребляемая мощность лазера составляет 70 Вт.