АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА С ПОПЕРЕЧНОЙ НАКАЧКОЙ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ
ACTIVE ELEMENT OF SOLID STATE LASER WITH CROSSWISE ELECTRON-BEAM PUMP

Изобретение относится к области квантовой электроники, а более конкретно к активным элементам полупроводниковых лазеров с поперечной накачкой, которые могут быть использованы при создании систем посадки самолетов и проводки судов, в интерферометрии, дальнометрии, в системах отображения информации, для мониторинга окружающей среды, в медицине и т.д.
Известны активные элементы полупроводниковых лазеров с поперечной накачкой электронным пучком представляющие собой прямоугольный параллелепипед из полупроводникового материала, две плоскопараллельные грани которого образуют зеркала, ограничивающие оптический резонатор [1]. Одна из двух других плоскопараллельных граней параллелепипеда, перпендикулярных зеркалам, облучается электронным пучком - источником накачки лазера, противоположной гранью параллелепипед укреплен (например, припаян, приклеен) на хладопроводе. Оптическое излучение выводится из оптического резонатора через зеркала. Недостатком такого лазера является невысокая эффективность генерации, особенно при относительно низких (10-20 кэВ) значениях энергии Е электронного пучка, обусловленная в первую очередь большой величиной пороговой плотности тока пучка.
2
6
Для снижения пороговой плотности тока электронного пучка возможно использование полупроводниковых гетероструктур, что экспериментально продемонстрировано в целом ряде работ. Например, известен полупроводниковый лазер с поперечной накачкой электронным пучком на основе гетероструктур, выбранный в качестве прототипа [2]. Активный элемент такого полупроводникового лазера представляет собой выращенную на подложке и закрепленную на хладопроводе полупроводниковую гетероструктуру на основе селенида цинка (ZnSe) из полупроводниковой группы АВ, образующую симметричный оптический волновод, ограниченный с противоположных торцов зеркалами. Гетероструктура состоит из чередующихся слоев полупроводниковых материалов с разными значениями ширины запрещенной зоны и соответственно с разными значениями коэффициента преломления. Она содержит верхний и расположенный со стороны хладопровода нижний ограничивающие полупроводниковые слои
0,9
0,1
0,15
0,85
0,14
0,86
ZnMgSSe толщиной, равной 0,1-0,2 мкм и 0.7 мкм соответственно. Между верхним и нижним ограничивающими полупроводниковыми слоями расположена активная полупроводниковая структура в виде сверхрешетки (СР), которая содержит периодически чередующиеся полупроводниковые слои с разными значениями коэффициента преломления, а именно, чередующиеся слои ZnSSe толщиной 15 Å и слои ZnSe толщиной 18 Å (общая толщина этих полупроводниковых слоев составляет 0,2 мкм), и размещенный между двумя из этих чередующихся полупроводниковых слоев активный слой в виде одиночной ZnCdSe-квантовой ямы (структура 1-го типа) или ZnSe-квантовой ямы (КЯ) с плоскостью квантовых точек (КТ) из CdSe в центре (структура 2-го типа), причем номинальная толщина слоя CdSe составляет 2,5 монослоя. При этом верхний и нижний ограничивающие полупроводниковые слои имеют меньшие значения коэффициента преломления, чем чередующиеся полупроводниковые слои, входящие в состав активной полупроводниковой структуры. Для обеспечения эффективной накачки активного полупроводникового слоя толщина h верхнего ограничивающего полупроводникового слоя должна удовлетворять условию h<х, где х - глубина проникновения электронного пучка накачки в активную полупроводниковую структуру.
2
2
Использование такой гетероструктуры позволило получить генерацию при накачке электронным пучком с энергией электронов 8-30 кэВ в сине-зеленом диапазоне спектра при комнатной температуре. Минимальная пороговая плотность тока электронного пучка (0,6-0,8 А/см) наблюдалась для гетероструктуры с дробно-многослойной вставкой из CdSe при энергии электронного пучка 15-18 кэВ и плотности мощности накачки около 10 кВт/см. При этом максимальная импульсная мощность генерации составила 9 Вт. При увеличении мощности накачки после достижения максимальной мощности генерации наблюдалось уменьшение последней, связанное с повреждением полупроводниковой гетероструктуры.
кр
кp
кр
7
2
В известных полупроводниковых лазерах с поперечной накачкой, выполненных на основе гетероструктур (в том числе таких, как в прототипе), нельзя получить большие значения импульсной мощности из-за ограничения выходной мощности, связанного с оптической прочностью материала зеркал активного элемента. Действительно, при плотности мощности оптического излучения порядка Р=10 Вт/см (эта величина в незначительной степени зависит от материала активного элемента, от длительности импульса) зеркала активного элемента разрушаются. Таким образом, для увеличения выходной мощности необходимо увеличивать площадь зеркала, с которого выходит оптическое излучение. В лазерах с поперечной накачкой эта площадь составляет S=bd, где d - поперечный размер накачиваемой области и b - линейный размер симметричного оптического волновода, из которого выходит излучение лазера. Глубина проникновения электронов накачки в лазерах на основе гетероструктур немного превосходит линейный размер b оптического волновода и, как правило, составляет не более ~1 мкм. Использование больших значений b возможно, но в этом случае нужно увеличивать энергию электронов накачки, что для практических применений таких лазеров нежелательно. Ограничения на величину d связаны с возрастанием влияния суперлюминесценции (усиления спонтанного излучения в активном элементе в направлениях, не совпадающих с осью оптического резонатора) на выходную мощность и эффективность лазера [1]. Типичное значение величины d равно 0,2-0,5 мм. Таким образом, выходная мощность с одного лазера ограничена величиной Р=bdP. Для приведенных выше численных значений величин d, b и Р значение предельной мощности Р составляет 20-50 Вт.
Для получения больших значений импульсной мощности необходимо использовать многоэлементный лазер, представляющий собой набор ступенеобразно размещенных на общем хладопроводе прямоугольных параллелепипедов из полупроводникового материала (сборка из большого числа отдельных активных элементов лазеров, расположенных в виде «лестницы»). Однако импульсная световая мощность, превышающая сотни киловатт, практически недостижима, так как в этом случае необходимо использовать большое количество отдельных активных элементов и размеры такой конструкции становятся слишком большими.
2
2
Известны лазеры с продольной накачкой, в которых направление оптического излучения лазера совпадает с направлением падающего на активный элемент электронного потока [1]. Активный элемент такого лазера состоит из одной или нескольких монокристаллических полированных пластин полупроводникового материала, закрепленных на прозрачной для генерируемого излучения подложке. Площадь выходного зеркала лазера определяется либо сечением используемого пучка электронов (с диаметром 20-30 мкм), либо геометрическими размерами накачиваемой области лазера. При накачке электронным пучком лазера большой площади (1-10 см) на облучаемой поверхности активного элемента лазера нарезаются канавки (шаг 100-200 мкм) для создания матрицы излучателей, оптически не связанных друг с другом. Это позволяет избежать, так же как и в лазерах с поперечной накачкой, влияния суперлюминесценции, то есть усиления спонтанного излучения в активном элементе в направлениях, не совпадающих с осью оптического резонатора. В этом случае d=b≈100-200 мкм. Площадь зеркала лазера S=d при продольной геометрии накачки почти на два порядка превышает аналогичную величину для лазера с поперечной накачкой на гетероструктурах. Соответственно, в лазерах с продольной накачкой можно достичь большего уровня выходной мощности. Однако при продольной геометрии накачки существуют трудности в использовании для накачки низкоэнергетичных электронных пучков. Действительно, при продольной геометрии накачка электронным пучком осуществляется сквозь зеркало, причем, как правило, облучается пучком сторона кристалла (активного элемента) с «глухим» зеркалом. В лазерах с продольной накачкой электронным пучком усиление света происходит на расстоянии, не превышающем глубину х проникновения электронного пучка в кристалл (величина х зависит от энергии пучка; при Е=15 кэВ х~1 мкм, при Е=50 кэВ х~5 мкм). При столь малой глубине усиливающей среды для достижения порога генерации необходимо использовать зеркала резонатора с коэффициентом отражения, близким к 1. Такие зеркала - многослойные, они состоят обычно из нескольких (5-15) слоев диэлектриков толщиной в четверть длины волны. Толщина таких зеркал, как правило, превышает несколько мкм, и при накачке лазера сквозь такое зеркало электронами с энергией Е<15-20 кэВ практически вся энергия электронного пучка поглощается не в активном элементе лазера, а в зеркале. В связи с этим для лазеров с продольной накачкой используются пучки с энергией Е>30 кэВ (обычно - 50-70 кэВ).
Задачей изобретения является создание активного элемента полупроводникового лазера с поперечной накачкой, обеспечивающего получение высокой выходной импульсной мощности при использовании для его накачки низкоэнергетичных электронных пучков.
В предлагаемом изобретении для эффективного увеличения излучаемой мощности полупроводникового лазера увеличивают общую площадь излучающей поверхности активного элемента за счет создания на облучаемой электронным пучком поверхности активного элемента гофрированного рельефа с заданным периодом и заданной глубиной гофр.
2
6
3
5
Предлагается активный элемент полупроводникового лазера с поперечной накачкой электронным пучком, включающий закрепленную на хладопроводе непосредственно или через подложку полупроводниковую гетероструктуру, выполненную на основе полупроводниковых соединений, выбранных из одной из полупроводниковых групп АВ или АВ, содержащую активную полупроводниковую структуру, размещенную между верхним и расположенным со стороны хладопровода нижним ограничивающими полупроводниковыми слоями, образующими в совокупности с активной полупроводниковой структурой оптический волновод, при этом активная полупроводниковая структура содержит, по крайней мере, два периодически чередующихся сверхтонких полупроводниковых слоя с разными значениями коэффициента преломления, которые выполнены из твердых растворов выбранных полупроводниковых соединений, и размещенный между чередующимися сверхтонкими полупроводниковыми слоями, по крайней мере, один активный слой, выполненный из твердого раствора выбранных полупроводниковых соединений и имеющий большее значение коэффициента преломления, чем окружающие его чередующиеся сверхтонкие полупроводниковые слои, при этом верхний и нижний ограничивающие полупроводниковые слои, также выполненные из твердых растворов выбранных полупроводниковых соединений, имеют меньшие значения коэффициента преломления, чем полупроводниковые слои, входящие в состав активной полупроводниковой структуры, причем толщина h верхнего ограничивающего полупроводникового слоя удовлетворяет условию h<х, где х - глубина проникновения электронного пучка накачки в активную полупроводниковую структуру, при этом на внешней поверхности верхнего ограничивающего полупроводникового слоя выполнен гофрированный рельеф с направлением гофр, перпендикулярным оптической оси активного элемента полупроводникового лазера, при этом период гофрированного рельефа равен целому числу полуволн лазерного излучения в материале активного слоя, глубина гофр не превышает толщины h верхнего ограничивающего полупроводникового слоя.
В одном из вариантов выполнения предлагаемого изобретения полупроводниковая гетероструктура разделена на отдельные элементы канавками, параллельными оптической оси активного элемента полупроводникового лазера.
В другом варианте выполнения предлагаемого изобретения активный элемент содержит несколько полупроводниковых гетероструктур, размещенных ступенькообразно на общем хладопроводе.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 приведено схематическое изображение предлагаемого активного элемента.
На фиг.2 показан общий вид предлагаемого активного элемента.
На фиг.3 показан общий вид предлагаемого активного элемента, гетероструктура которого разделена на отдельные элементы канавками.
На фиг.4 показан общий вид предлагаемого активного элемента, содержащего несколько гетероструктур, размещенных ступенькообразно.
2
6
3
5
2
6
3
5
2
6
3
5
2
6
3
5
Активный элемент, схематично изображенный на фиг.1, представляет собой выращенную на полупроводниковой подложке 1 полупроводниковую гетероструктуру 2, формирующую оптический волновод, ограниченный с противоположных торцов зеркалами, которые образованы торцевыми гранями 3, 4 активного элемента, расположенными перпендикулярно оптической оси активного элемента (оптической оси полупроводникового лазера). С противоположной стороны подложка 1 закреплена на хладопроводе 5. Полупроводниковая гетероструктура 2 выполнена из полупроводниковых соединений, выбранных (в зависимости от требуемой длины волны оптического излучения лазера) из одной из полупроводниковых групп АВ или АВ. Полупроводниковая гетероструктура 2 содержит активную полупроводниковую структуру 6, то есть полупроводниковую сверхрешетку (СР), состоящую из имеющих разные значения коэффициента преломления чередующихся с заданным периодом сверхтонких полупроводниковых слоев 7, 8, выполненных из твердых растворов полупроводниковых соединений, выбранных из одной из групп АВ или АВ, и расположенные между слоями 7, 8 активные слои 9, выполненные из твердых растворов полупроводниковых соединений, выбранных из одной из групп АВ или АВ, и имеющие большее значение коэффициента преломления, чем окружающие их сверхтонкие полупроводниковые слои 7 и 8. При том активные слои 9 должны быть согласованы по периоду кристаллической решетки с окружающими слоями 7 и 8. Толщины и значения коэффициентов преломления чередующихся сверхтонких полупроводниковых слоев 7, 8 подбираются для обеспечения эффективного сбора и ограничения количества неравновесных носителей в активных слоях. Каждый активный слой 9, размещенный внутри активной полупроводниковой структуры 6 между двумя слоями 7, 8, представляет собой одну или несколько квантовых ям-слоев толщиной порядка волны де-Бройля электронов в полупроводниковом материале активного слоя 9 (возможно также использование двумерных массивов квантовых точек). Активная полупроводниковая структура 6 размещена между верхним 10 и расположенным на подложке 1 нижним 11 ограничивающими полупроводниковыми слоями, выполненными также из твердых растворов полупроводниковых соединений, выбранных из одной из групп АВ или АВ. Ограничивающие слои 10, 11 должны быть взаимно согласованы по периоду кристаллической решетки как с активной полупроводниковой структурой 6, так и с подложкой 1. Верхний 10 и нижний 11 ограничивающие полупроводниковые слои имеют меньшие значения коэффициента преломления, чем полупроводниковые слои, входящие в состав активной полупроводниковой структуры 6 (для локализации поля оптического излучения в пределах оптического волновода и для эффективности ограничения неравновесных носителей в активной полупроводниковой структуре 6 активного элемента лазера). Толщина h верхнего ограничивающего слоя 10 удовлетворяет условию h<х, где х - глубина проникновения электронного пучка накачки в активную полупроводниковую структуру 6, что обеспечивает эффективную накачку активной полупроводниковой структуры 6.
В отличие от ранее известных конструкций на внешней поверхности облучаемого электронным пучком верхнего ограничивающего полупроводникового слоя 10 выполнен гофрированный рельеф 12 с направлением гофр, перпендикулярным оптической оси активного элемента (оптической оси лазера). Глубина t гофр рельефа 12 не превышает толщины h верхнего ограничивающего слоя 10, чтобы не нарушать структуру активной полупроводниковой структуры 6. В активном элементе используется поперечная геометрия накачки, когда направление оптического излучения (квантов света hν) перпендикулярно направлению возбуждающего пучка электронов . Гофрированный рельеф 12 имеет двойное назначение: с одной стороны, он является элементом, обеспечивающим распределенную обратную связь в активном элементе за счет интерференции световых волн, отраженных от различных участков гофрированной поверхности верхнего ограничивающего слоя 10 полупроводниковой гетероструктуры 2. С другой стороны, по мере распространения световой волны по полупроводниковой гетероструктуре 2 часть оптического излучения выводится из активного элемента наружу за счет дифракции света на гофрированной поверхности слоя 10. При этом в зависимости от конфигурации гофр эта часть оптического излучения будет направлена под разным углом относительно оптической оси лазера. Для обеспечения распределенного по длине оптического резонатора усиления мощности оптического излучения в каждом активном слое 9 и выхода его через гофрированную поверхность активного элемента должно обеспечиваться условие, при котором период Т гофрированного рельефа 12 должен быть равен целому числу полуволн лазерного излучения в материале активного слоя 9.
2
Так как в предлагаемой конструкции активного элемента используется поперечная геометрия накачки, то в ней сохраняется возможность использования для накачки низкоэнергетичных пучков электронов с малой глубиной проникновения в активную полупроводниковую структуру 6. При этом вывод оптического излучения осуществляется не только вдоль оптической оси лазера (т.е. с торцевых граней 3, 4 активного элемента, образующих зеркала лазера), как в известных лазерах с поперечной накачкой, но и с внешней гофрированной поверхности активного элемента. В результате этого в предлагаемой конструкции предельная выходная мощность (то есть мощность, при которой начинается разрушение материала зеркал активного элемента лазерным оптическим излучением) будет определяться не только площадью зеркал, но и площадью внешней гофрированной поверхности активного элемента, которая может на порядки превышать площадь зеркал. За счет этого в данной конструкции обеспечивается возможность получения большой импульсной мощности (более 1 МВт/см с излучающей поверхности) при использовании для накачки электронных пучков с низкой энергией (порядка 10-20 кэВ).
Для устранения влияния суперлюминесценции на выходную мощность и повышения эффективности излучения в предлагаемой конструкции активного элемента можно либо использовать для накачки (как показано на фиг.2) ленточные электронные пучки  ориентированные вдоль оптической оси лазера в пределах границ 13 накачиваемой области активного элемента, либо, при наличии электронных пучков большого сечения, можно использовать (как показано на фиг.3) лазерные сборки, состоящие из отделенных друг от друга параллельными оптической оси полупроводникового лазера канавками 14 элементов 15 полупроводниковой гетероструктуры 2, при этом продольный размер элементов 15, то есть размер вдоль оптической оси активного элемента полупроводникового лазера, превышает их поперечный размер (на фиг.2 и фиг.3 хладопровод 5 не изображен).
Возможен также вариант выполнения активного элемента полупроводникового лазера, в котором активный элемент содержит несколько полупроводниковых гетероструктур 2, размещенных ступенькообразно, то есть в виде лестницы, на общем хладопроводе 5 (как показано на фиг.4), что позволяет значительно повысить суммарную мощность оптического излучения при использовании небольшого количества отдельных полупроводниковых гетероструктур, то есть без существенного увеличения общих габаритов такой конструкции.
Активный элемент, показанный на фиг.1 и фиг.2, работает следующим образом.
Пучок электронов  накачки с заданной энергией попадает на гофрированную поверхность верхнего ограничивающего слоя 10 и проникает в следующие слои полупроводниковой гетероструктуры 2, приводя к возникновению в них неравновесных носителей. В результате диффузии неравновесные носители концентрируются в активном слое 9 активной полупроводниковой структуры 6 активного элемента и происходит процесс их рекомбинации, что приводит к люминесценции гетероструктуры 2. При достаточно большой концентрации носителей достигается состоянии инверсии населенности, и в активной полупроводниковой структуре 6 происходит усиление оптического излучения как в направлении зеркал, так и в направлении гофрированной поверхности активного элемента. Часть излучения возвращается в активную полупроводниковую структуру 6 гетероструктуры 2 за счет отражения от зеркал на торцах 3, 4 активного элемента лазера, а часть излучения возвращается в активную полупроводниковую структуру 6 за счет отражения от распределенного брэгговского зеркала, образованного гофрированной поверхностью (поверхностью с рельефом 12) активного элемента, обеспечивая, таким образом, распределенную обратную связь в активной полупроводниковой структуре 6. При этом гофрированная поверхность активного элемента обеспечивает распределенное по длине оптического резонатора, то есть вдоль его оптической оси, усиление мощности оптического излучения в активной полупроводниковой структуре 6 только при условии создания гофрированного рельефа 12 с периодом Т, равным целому числу полуволн лазерного излучения в материале активного слоя 9. Когда усиление в активной полупроводниковой структуре 6 превысит потери в этой структуре, произойдет генерация когерентного оптического излучения и вывод его во внешнюю среду как с зеркал активного элемента, так и с гофрированной внешней поверхности активного элемента.
Меняя форму гофрированного рельефа на внешней поверхности активного элемента, можно изменять диаграмму направленности излучения лазера. Например, для синусоидальной формы гофра излучение с гофрированной поверхности будет выходить с одинаковыми интенсивностями в две стороны и перпендикулярно направлениям гофр. Можно также использовать рельефы гофр, которые применяются при изготовлении дифракционных решеток для концентрации света в определенном порядке решетки. Например, используя треугольную форму гофра с сильно несимметричными сторонами треугольника, можно добиться преимущественного излучения в одном направлении.
Пример.
Проведены испытания полупроводникового лазера зеленого диапазона (с длиной волны оптического излучения 535 нм) с поперечной накачкой электронным пучком гетероструктуры ZnMgSSe/ZnSSe/ZnCdSe, выращенной методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке GaAs (001) при температуре роста 270-280°С. Гетероструктура содержит нижний и верхний ограничивающие слои
0,9
0,1
0,15
0,85
0,14
0,856
ZnMgSSe толщиной 1,5 мкм и 20 нм соответственно, выполненные с плоскими внешними поверхностями, и размещенную между ними активную полупроводниковую структуру в виде СР 1,5 нм - ZnSSe/1,8 нм - ZnSe общей толщиной 0,6 мкм, в которой равноудаленно расположены десять активных слоев, состоящих из 4 нм - ZnSe КЯ с плоскостью CdSe KT в центре. Номинальная толщина CdSe-слоя, трансформирующегося в массив самоорганизующихся CdSe - обогащенных KT, составляет 2,5 моноатомных слоя. Использование переменно-напряженной короткопериодной сверхрешетки позволило повысить стойкость всей гетероструктуры к механическим напряжениям, а также защитить активный слой от проникновения и развития протяженных и точечных дефектов. При длине оптического резонатора 0,46 мм, поперечном размере накачиваемой области 0,2 мм и энергии электронного пучка 20 кэВ была получена выходная мощность 12 Вт с каждой грани оптического резонатора. Эффективность преобразования энергии электронного пучка в свет такого лазера составила 8,5%. При таком уровне мощности значение интенсивности оптического излучения в гетероструктуре приближается к порогу разрушения материала зеркал, поэтому в такой конструкции оптического резонатора нельзя получить дальнейшего увеличения выходной мощности за счет увеличения мощности накачки. В то же время использование такой гетероструктуры, выполненной (как предложено в изобретении) с гофрированным рельефом на внешней поверхности ее верхнего ограничивающего слоя (например, в случае использования гофрированного рельефа с t=20 нм, Т=100 нм при длине волны лазерного излучения в материале активного слоя, равной 200 нм), делает возможным увеличение мощности лазерного излучения на 1-2 порядка при той же энергии электронного пучка и неизменных остальных размерах оптического резонатора.
Источники информации
1. Богданкевич О.В., Дарзнек С.А., Елисеев П.Г. Полупроводниковые лазеры. М.: Наука, 1976.
2. М.М.Зверев, С.В.Иванов, Д.В.Перегудов, И.В.Седова, С.В.Сорокин, П.С.Копьев. Низкопороговые полупроводниковые лазеры зеленого диапазона с накачкой электронным пучком на основе квантоворазмерных гетероструктур. Квантовая электроника, т.34, №10, 2004, 909-911.