ФОКОННЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР
PHOCON SEMICONDUCTOR ELECTRIC-DISCHARGE LASER

Изобретение относится к устройствам квантовой электроники и электрофизики, а более конкретно, к полупроводниковым электроразрядным лазерам (ПЭЛ), возбуждаемым импульсами высокого напряжения, и может быть использовано в устройствах оптоэлектроники, оптической связи, при исследовании быстропротекающих процессов в биологических тканях и регистрирующих приборах.
-7
-8
Известны полупроводниковые лазеры, возбуждаемые электронным пучком [О.В. Богданкевич «Полупроводниковые лазеры», Из-во «Наука», (1976). Н.Г. Басов и др. Авт. свид. №270100, бюл. изобретений, 1970 г., №16, стр.57), и стримерные, возбуждаемые наносекундными (10-10 с) импульсами высокого напряжения [А.С. Насибов и др. Авт. Свид. №807962, от 12.02. 1980. Н.Г. Басов др. Письма в ЖЭТФ, 19, 650, (1974)].
Принцип работы таких лазеров состоит в следующем. В результате ударной ионизации под действием электронного пучка или электрического поля в полупроводнике образуется плотная электронно-дырочная плазма, в которой возникают условия для усиления и генерации лазерного излучения. Существенным недостатком таких лазеров при возбуждении генерации электронным пучком является малый объем активной области, ограниченный глубиной проникновения электронного пучка (единицы - десятки микрон), а в случае стримерных лазеров - возникновение генерации лазерного излучения вдоль определенных кристаллографических направлений и малый диаметр генерирующей области (до десятка микрон), что связанно с распределением электрических полей в кристалле, ограничивает мощность и увеличивает расходимость излучения. Перечисленные недостатки в значительной мере устраняются изменением конструкции ПЭЛ и применением пикосекундных импульсов высокого напряжения [Г.А. Месяц и др., ЖЭТФ 133(6), 1162, (2008)]. Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является ПЭЛ, описание которого приведено в патенте на изобретение [Бережной К.В. и др. Патент РФ на изобретение №2393602 (2010)]. Устройство такого ПЭЛ показано на фиг 1.
Устройство содержит генератор высоковольтных импульсов (на фиг.1 не показан), передающую линию 1, камеру 2, катодный электрод 3 напротив полупроводниковой пластины 6 лазерной мишени (ЛМ) и электрод 4 напротив подложки 5. ЛМ состоит из плоскопараллельной полупроводниковой пластины 6 и подложки 5, соединенных между собой тонкой диэлектрической прослойкой 7. Полупроводниковая пластина изготавливается из двойного или тройного прямозонного полупроводникового соединения А2В6 (ZnS, ZnSe. CdS, CdSe, ZnSSe, ZnCdS, CdSSe) или А3В5 (GaAs. GaN, GaAlN, GaAlAs, A1N, InN и т.п.). Подложка 5 изготавливается из диэлектрического материала с высокой электрической прочностью и диэлектрической проницаемостью, меньшей или равной величине диэлектрической проницаемости полупроводниковой мишени (оргстекло, тефлон, и т.п.). На подложке с целью концентрации электрического поля в заданном месте сделано одно или несколько отверстий заданной конфигурации (щель, овал, окружность и т.п.). Принцип работы ЛМ в этом случае заключается в следующем. Наибольшая напряженность электрического поля возникает в воздушном промежутке отверстия диэлектрической подложки 5 между полупроводниковой пластиной 6 и краями отверстия в заземленном электроде 4. После достижения пробивного напряжения происходит закорачивание воздушного промежутка и соответственно все напряжение прикладывается к полупроводниковой пластине, что приводит в свою очередь к возникновению каналов разряда в полупроводниковой пластине по периметру отверстия и при превышении пороговой напряженности электрического поля к генерации лазерного излучения. Меняя расстояние от плоскости заземленного экрана 4 до плоскости подложки 5 можно менять параметры (интенсивность, мощность) излучения.
К основным недостаткам данного устройства ПЭЛ можно отнести:
1. Наличие высокого напряжения 100-200 кВ в промежутке катод 3 - полупроводниковая пластина 6, что создает технические трудности при выводе излучения непосредственно с плоскости полупроводниковой пластины ЛМ.
2. Необходимость перемещения анодного кольцевого электрода вдоль оси анод - катод для регулировки интенсивности и мощности излучения.
3. Нарушение стабильности положения генерирующей области с уменьшением напряжения до нескольких десятков кВ.
Задачей, решаемой изобретением, является улучшение излучательных характеристик (КПД и направленность излучения), устранение технических трудностей при выводе излучения и перемещения анодного кольцевого электрода вдоль оси анод - катод, улучшение стабильности положения генерирующей области.
Устройство предлагаемого изобретения (фиг.2) содержит генератор наносекундных импульсов высокого напряжения (не показан), передающую линию 1, газонаполненную камеру 2 со штуцером для откачки и заполнения камеры газом, фланец с отверстием для выхода излучения 5. В камере размещены: диэлектрическая перегородка с отверстием по центру 3, катодный электрод с наконечником 7, фоконная лазерная мишень (ФЛМ), состоящая из конического волоконного световода с изменяющимся диаметром (фокона) 4 и полупроводниковой пластины 6, закрепленной на вершине конуса фокона.
Приведенное устройство обеспечивает получение следующих технических результатов:
- стабилизирует положение канала разряда, увеличивает объем активной области лазера, снижает порог генерации и соответственно увеличивает мощность и эффективность работы лазера;
- развязывает от высокого напряжения выходную оптику; увеличивает изображение ближней зоны излучения; облегчает ввод излучения в волоконные кабели и улучшает диаграмму направленности лазерного излучения.
Технический результат достигается тем, что:
2
- камера с электродами и лазерной мишенью состоит из двух отсеков, разделенных перегородкой из диэлектрического материала с отверстием в центре, и заполнена газом (воздух, Не, Ne, Ar, N), давление которого можно менять в пределах от 0,1 Торр до атмосферного;
- наконечник катодного электрода, на который подается импульс отрицательной полярности, установлен напротив отверстия в перегородке из диэлектрического материала и изготовлен в виде конуса из материала, обычно используемого в катодах со взрывной эмиссией ЭП (сталь, графит, вольфрам и др.);
- лазерная мишень состоит из конусообразного волоконного световода с усеченной вершиной (фокона) и плоскопараллельной полупроводниковой пластины, закрепленной на вершине конуса;
8
- плоскопараллельная полупроводниковая пластина лазерной мишени изготовлена из высокоомного ≥10 Ом·см соединения А2В6, причем плоскости пластины сориентированы под углом 90° к одному из направлений распространения стримерного разряда;
in
ou
- диаметр отдельного конусообразного волокна фокона со стороны вершины выбирается с учетом диаметра канала разряда и обычно не превышает d~100-300 мкм, а диаметр выходной плоскости d и длина фокона выбираются с учетом требований к углу расходимости излучения на выходе из фокона, электрической прочности и оптических потерь;
1
2
- на плоскость полупроводниковой пластины лазерной мишени со стороны катодного электрода нанесено отражающее покрытие с коэффициентом отражения R=100%, а на противоположную покрытие с коэффициентом отражения R, определенным экспериментально и соответствующим максимальному значению функции выхода излучения;
- отражающее покрытие, нанесенное на плоскость полупроводниковой пластины со стороны катодного электрода, является металлическим и выполняет функцию электрода, через который происходит возбуждение лазерной мишени электронным пучком и разрядом.
Рассмотрим подробнее требования к элементам конструкции, обеспечивающим достижение качественно нового эффекта.
13
Генератор импульсов высокого напряжения (ГИН). Параметры ГИН - амплитуда А=50-100 кВ, длительность τ=1-3 нс и крутизна нарастания напряжения импульса dU/dt≥*10 B/c, выбираются из соображений достижения высокой степени ударной ионизации и энергии ЭП, при которой не возникают радиационные дефекты и разрушение образца при переходе из стадии стримерного разряда в стадию пробоя.
Передающая линия 1. Волновое сопротивление коаксиальной передающей линии согласованно с волновым сопротивлением ГИН и обычно не превышает ρ=50-100 Ом.
2
Газонаполненная камера (камера) 2 предназначена для размещения в ней основных элементов ПЭЛ. Для выхода излучения во фланце камеры 5 имеется отверстие, диаметр которого согласован с диаметром основания конуса фокона 4. Основным отличием камеры является то, что она заполнена газом (воздух, Не, Ne, Ar, N), в котором в сильном электрическом поле на первой стадии разряда образуются ускоренные электроны, которые принято называть убегающими [Месяц и др. Письма в ЖТФ, 32, №1,35 (2006), Тарасенко В.Ф., Яковленко С.И. УФН, 176 (7), 793 (2006)]. Откачка и заполнение камеры газом выполняется через штуцер.
-11
-9
6
8
2
При изменении давления газа длительность, энергия и ток ЭП могут меняться в широких приделах от десятков до сотен пс. В работе [А.С. Насибов и др., Краткие сообщения по физике ФИАН, №4, стр.17-22, (2011)] показано, что плотность тока УЭ при изменении давления от 0.1 Торр до атмосферного может быть достаточна для возбуждения в широкозонном полупроводнике суперлюминесценциии и генерации лазерного излучения длительностью в десятки-сотни пикосекунд. Данное явление использовано в предлагаемом изобретении для последовательной накачки ПЭЛ электронным пучком и затем разрядом. Меняя давление газа от атмосферного (760 Торр) до 0,1-0,5 Торр можно менять длительность и интенсивность лазерного излучения в широком диапазоне (10-10 с, 10-10 Вт/см).
Катодный электрод (КЭ) 7 предназначен для формирования ЭП и последующего газового разряда в промежутке между КЭ и плоскостью полупроводниковой пластины 6. Наконечник КЭ в виде конуса с радиусом закругления вершины 0,5-1 мм выполнен из материала, обычно используемого в катодах со взрывной эмиссией ЭП (сталь, графит, вольфрам и др.). Вершина конуса установлена напротив отверстия в перегородке 3. Зазор между вершиной конуса и плоскостью лазерной мишени выбирается в процессе настройки устройства и обычно составляет 0.1-1 мм. На катод по передающей линии 1 от ГИН подается импульс высокого напряжения отрицательной полярности.
Диэлектрическая перегородка с отверстием 3 изготовлена из диэлектрика с высокой электрической прочностью (полистирол, оргстекло, тефлон др.) и выполняет функции подложки ФЛМ и концентратора электрического поля. Диаметр отверстия обычно равен нескольким мм.
Фоконная лазерная мишень (ФЛМ) состоит из пассивной части - фокона 4, представляющего собой объединенные конусообразные стеклянные волокона, диаметр которых расширяется по ходу светового луча и активной части - плоскопараллельной полупроводниковой пластины 6, которая закреплена на усеченной вершине фоконного конуса.
Применение фокона позволило: развязать от высокого напряжения выходную оптику, увеличить изображение ближней зоны излучения, обеспечить ввод излучения в волоконные кабели и улучшить диаграмму направленности лазерного излучения. В случае отсутствия фокона возникает опасность высоковольтного пробоя на оптические элементы, которые обычно размещаются в газовой камере, в непосредственной близости от полупроводниковой пластины (линзы, зеркала, волоконные кабели). Применение фокона исключает эти трудности, перенося изображение ближней зоны генерации, возникающей в полупроводниковой пластине, на уровень фланца камеры ПЭЛ (Фиг.2).
Параметры фокона выбираются из следующих соображений:
1. Материал из которого изготовлены волокна фокона должен обеспечить максимальную прозрачность в области лазерного излучения и высокую электрическую прочность.
f
ou
in
ou
in
in
ou
f
2. Коэффициент увеличения фокона K=D/D (где D/D - отношение выходного диаметра фокона к входному) должен обеспечить нужный для ввода в оптическое волокно диаметр излучения на выходной плоскости фокона. Диаметр отдельного волокна на входной плоскости фокона обычно не превышает d≈300 мкм, а на выходной d≈600 мкм при длине фокона L=2-2.5 см. Применение фокона позволяет также улучшить направленность лазерного излучения. Оценить уменьшение угла расходимости Θ лазерного излучения ФЛМ можно пользуясь формулой:
ou
in
f
SinΘ=SinΘ/K,
ou
in
in
Θ и Θ - углы расходимости излучения на входе и выходе фокона. При малых углах Θ≤15°, угол расходимости излучения на выходе из фокона можно оценить по упрощенной формуле:
ou
in
f
Θ≈Θ/K.
8
1
2
L
L
0
0
Плоскопараллельная полупроводниковая пластина 6 ФЛМ выполняется из прямозонных соединений А2В6 (ZnS, ZnSe. CdS, CdSe, ZnSSe, ZnCdS, CdSSe) или А3В5 (GaAs. GaN, GaAIN, GaAlAs, AlN, InN и т.п.). Перечисленные соединения позволяют получить генерацию лазерного излучения в диапазоне от УФ до ИК области спектра. Существенным требованием к материалу пластины является то, что он должен быть высокоомным ≥10 Ом·см. В случае низкоомного материала уменьшается длина стримера в полупроводнике и падает эффективность излучения. Вторым требованием, выполнение которого увеличивает эффективность работы лазера, является выполнение условия ортогональности направления развития стримера к плоскостям пластины. Для определения этого направления к монокристаллу, из которого вырезается пластина, прикладывается импульс высокого напряжения и фиксируется направление распространения стримера. Толщина пластины h выбирается из условия h≤1/2L, где L - полная длина стримера, соответствующая рабочему напряжению ГИН. Обычно при амплитуде ГИН 50-100 кВ толщина пластины выбирается в пределах от 0,1 до 0,5 см. С целью уменьшения порога генерации и увеличения эффективности ПЭЛ на части плоскости пластины напротив отверстия в диэлектрической перегородке 3 наносятся металлические или диэлектрические отражающие покрытия с коэффициентом отражения R≈100% со стороны катодного электрода и R≈50-60% с противоположной. Металлическое отражающее покрытие, нанесенное на плоскость пластины со стороны катодного электрода, выполняет функцию электрода, через который происходит возбуждение лазерной мишени электронным пучком и разрядом. Диаметр металлических покрытий d должен удовлетворять условию d≤D, где D - диаметр отверстия в перегородке камеры. Выполнение этого условия необходимо для исключения пробоя по поверхности пластины на стенки камеры.
Для закрепления пластины и предотвращения пробоя по поверхности могут быть использованы: оптический клей, трансформаторное масло, вакуумная замазка или другой вид вязкого диэлектрика.
Рассмотрим в качестве примера условия возникновения генерации в ФЛМ с полупроводниковой пластиной из монокристалла сульфида кадмия. Для возникновения генерации необходимо, чтобы усиление G компенсировало потери в оптическом резонаторе, образованном плоскостями пластины:
0
a
0
P
0
R
D
Gz=αz+α(h-z)+Δ+Δ,
a
P
где α, α - потери на поглощение в активной и пассивной областях резонатора;
R
D
Δ, Δ - потери на зеркалах и дифракционные;
0
z, - длина возбужденной области;
h - расстояние между плоскостями пластины.
a
P
R
1
2
1
2
D
*
*
*
*
0
0
0
P
D
*
1
2
R
th
а
R
-1
-1
-1,4
2
8
9
-9
18
19
-3
-2
-5
-1
При электронном возбуждении обычно: α=2-3 см; α=20-30 см; Δ=0.5 In/RR/, R, R - коэффициенты отражения зеркал; Δ=0.207N, где N=d n/4λh - число Френеля, d - диаметр возбужденной области, n - коэффициент преломления полупроводника, λ - длина волны излучения. При h=0,1-0,5 см и скорости движения фронта ионизации v=5*10-10 см/с время прохождения фронтом разряда длины резонатора τ=h/v≤10 c, что не превышает время жизни 1-3 нс неравновесных носителей в CdS при комнатной температуре и изменении их концентрации от 5*10 до 10 см [В.И. Козловский и др. Квантовая электроника, 33,1, 48 (2003)]. В этом случае можно считать z=h и пренебречь потерями α. Дифракционные потери Δ при n=2.5, d=210см, λ=5.25*10 см, h=0.5 см пренебрежимо малы. Для пластины из сульфида кадмия при R=R=0.18 Δ=1.7 и пороговый коэффициент усиления G≈α+Δ/h≈6 см.
P
0
1
2
R
D
*
D
th
а
R
D
-2
-5
-1
18-
19
-3
В этом случае можно пренебречь потерями α и считать z=h. Для пластины из сульфида кадмия R=R=0.18 и Δ=1.7. Дифракционные потери Δ при n=2.5, d=210 см, λ=5.25 10 см и h=0.5 см, Δ≈5 и пороговый коэффициент усиления G≈α+(Δ+Δ)/h≈15 см. В этом случае для генерации лазерного излучения при комнатной температуре достаточно достичь концентрации неравновесных носителей 1010 см. Таким образом, для возникновения лазерного излучения в ФЛМ необходимо выполнить два условия:
1. Число суммарных потерь в резонаторе не должно превышать величину усиления.
0
ж
2. Время прохождения разрядом длины резонатора должно быть меньше времени жизни неравновесных носителей τ=h/v<τ.
f
р
max
0
e
p
e
*
14
-9
14
-9
4
Особенностью предлагаемого изобретения является режим работы, при котором ФЛМ последовательно возбуждается пучком УЭ, а затем электрическим разрядом. Рассмотрим пример обеспечения работы такого режима, когда выполнены вышеприведенные условия генерации для пластины из CdS толщиной 0.5 см. Параметры импульса ГИН: амплитуда U=100 кВ, длительность фронта τ=0.5 нс, длительность по основанию t=1.2 нс и крутизна нарастания напряжения импульса А=dU/dt=2*10 B/c. Камера заполнена воздухом, давление которого можно менять в пределах р=0.1-5 Торр. На фиг.3 и 4 даны экспериментально полученные зависимости амплитуды и длительности импульса тока электронного пучка от давления в камере. Видно, что в пределах от 0.5 до 1 Topp амплитуда тока ЭП меняется незначительно, а длительность уменьшается на ~30%. При дальнейшем увеличении давления до 5 Торр длительность тока ЭП сокращается до 100 пс, а амплитуда тока уменьшается до 40% от I. Длительность импульса, за которую фронт разряда распространится от одной плоскости ЛМ до противоположной, τ=h/v=10 c, в этом случае длительность действия ЭП t=t-τ=1.2-1=0.2 нс. Этому значению длительности на фиг.4 соответствует давление в камере ~3 Торр и напряжение U=A*t=2*10*0.210=4*10 B. Таким образом на пластину CdS в течение 200 пс будет действовать ЭП с максимальной энергией 40 кэВ, а затем происходит замыкание (пробой) промежутка катод-пластина и в течение 1 нс движение стримера от одной плоскости пластины к другой, что приводит к возникновению генерации лазерного излучения.
Максимальная импульсная мощность лазерного излучения, полученная в фоконном ПЭЛ, достигала 10 кВт при длительности импульса 200-500 пс. На фиг.5 и 6 даны внешний вид камеры лазера с фоконным выходом и ближняя и дальняя зоны генерации ФЛМ.