ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИСКОВЫЙ ЛАЗЕР
SEMICONDUCTOR DISC LASER

Изобретение относится к квантовой электронике и электронной технике и может быть использовано в приборах с мощным коллимированным световым лучом, в частности в телепроекторах, лазерных локаторах, медицине, фотолитографии.
Известен полупроводниковый дисковый лазер, содержащий электронную пушку, формирующую электронный пучок, полупроводниковую пластину с высокоотражающим зеркальным покрытием и внешнее полупрозрачное зеркало обратной связи (О.В.Богданкевич, С.А.Дарзнек, П.Г.Елисеев. Полупроводниковые лазеры. М.: Наука, 1976, с.256).
В данном устройстве электронный пучок проникает в полупроводниковую пластину, выполненную из монокристалла, через высокоотражающее покрытие и возбуждает монокристаллическую пластину, в ней возникает люминесценция и оптическое усиление. Высокоотражающее зеркальное покрытие и внешнее зеркало обратной связи формируют оптический резонатор. Генерируемое лазерное излучение выходит из резонатора через внешнее полупрозрачное зеркало. Глубина возбуждения пластины значительно меньше, чем диаметр электронного пучка. Поэтому активная область представляет собой диск. 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 и лазер работает только в импульсном режиме.
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 монокристаллической пластины, с двумя зеркальными покрытиями: высокоотражающим со стороны падения электронного пучка и полупрозрачным со стороны крепления пластины на хладопроводящей подложке (В.И.Козловский, А.С.Насибов, Ю.М.Попов, П.В.Резников. Непрерывный лазер с электронной накачкой. Письма в ЖТФ. 1980, Т.7, N.8, с.463).
Пластина выполнена из монокристаллов GaAs, InP или GaSb, имеющих высокий коэффициент теплопроводности. Длина резонатора равна толщине пластины и не превышала 100 мкм. Лазер может работать в непрерывном режиме при неподвижном электронном пучке.
Недостатком данного устройства является то, что непрерывный режим достигается только при криогенных температурах. Генерация достигается лишь на отдельных длинах волн в инфракрасном диапазоне, определяемых используемым материалом. Мощность ограничена несколькими десятками милливатт. Кроме того, расходимость лазерного луча недостаточно высокая и составляет несколько угловых 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).
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 мощностью 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. Кроме того, при комнатной температуре лазер работает только в импульсном или сканирующем режиме.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является полупроводниковый дисковый лазер, содержащий активную пластину с зеркальным покрытием, закрепленную на хладопроводящей подложке, внешнее зеркало обратной связи и лазер накачки, причем активная пластина находится между зеркальным покрытием и внешним зеркалом обратной связи, которые являются элементами оптического резонатора дискового лазера, а длина волны излучения лазера накачки короче длины волны излучения дискового лазера (Caprara Andrea, Chilla Juan L., Spinelli Luis A., High-power external-cavity optically-pumped semiconductor laser, US Patent 6,285,702 September 4, 2001; J. Chilla, St. Butterworth, A. Zeitschel, J. Charles, A. Carpara, M. Reed, L, Spinelli High power optically pumped semiconductor lasers, Proc / of SPIE, Vol.5332, P143-150 (2004).)
Внешнее зеркало обратной связи выполнено вогнутым. Через него излучение выводится из резонатора. В качестве лазера накачки используются лазерные диоды, излучение которых с помощью дополнительных оптических элементов направляется и фокусируется на поверхности активной пластины. Пластина выполнена из гетероструктуры с многими квантовыми ямами. Поглощение излучения накачки в основном осуществляется толстыми барьерными слоями, разделяющими квантовые ямы. Генерируемые при поглощении неравновесные носители за время жизни собираются в квантовых ямах, где происходит излучательная рекомбинация. Квантовые ямы помещены в пучности моды резонатора, что обеспечивает примерно в два раза больший коэффициент оптического усиления в направлении оптической оси резонатора, чем в поперечном направлении. Гетероструктуры выполнены из соединений А3В5, излучающих в инфракрасной области спектра. Расходимость излучения близка к дифракционному пределу. Лазер работает в непрерывном режиме. Мощность излучения достигает нескольких ватт. При размещении нелинейного кристалла внутри резонатора может быть достигнута генерация второй гармоники с длиной волны излучения в видимом диапазоне. В одном из вариантов выше описанного устройства была использована гетероструктура GaInP/AlGaInP, излучающая на длине волны 676 нм (Jennifer E.Hastie,_ Lynne G.Morton, Alan J.Kemp, Martin D.Dawson, Andrey B.Krysa, John S.Roberts. Tunable ultraviolet output from an intracavity frequency-doubled red vertical-external-cavity surface-emitting laser. Appl. Phys. Letters 2006, Vol.89, P.061114). В качестве лазера накачки был использован неодимовый лазер, работавший на второй гармонике с длиной волны излучения 532 нм. При использовании нелинейного кристалла внутри резонатора лазера на гетероструктуре GaInP/AlGaInP была достигнута генерация на длине волны 338 нм с мощностью до 0.12 Вт.
Недостатком устройства является то, что на основной частоте генерация достигается только в инфракрасной и красной областях спектра. Продвижение в зеленую и синюю области с использованием второй гармоники связано с потерей эффективности лазера в целом. Продвинуться в ультрафиолетовую область спектра короче 300 нм путем использования более высоких гармоник пока не удается. Еще одним недостатком является сильная зависимость мощности генерации от эффективности теплоотвода. Эффективность теплоотвода фактически определяет выходную мощность лазера.
Задачей, решаемой изобретением, является увеличение мощности полупроводникового дискового лазера за счет уменьшения нагрева активной гетероструктуры. Другой задачей является расширение спектрального диапазона полупроводниковых дисковых лазеров.
Поставленная задача решается в полупроводниковом дисковом лазере, содержащем активную пластину с зеркальным покрытием на первой поверхности, закрепленную на хладопроводящей подложке; внешнее зеркало обратной связи и лазер накачки, который имеет устойчивый оптический резонатор, и длина волны его излучения короче длины волны излучения дискового лазера; причем активная пластина находится между зеркальным покрытием и внешним зеркалом обратной связи - элементами оптического резонатора дискового лазера и одновременно является одним из отражающих элементов устойчивого оптического резонатора лазера накачки, в котором при отражении генерируемого излучения от активной пластины часть излучения частично поглощается в активной пластине, тем самым возбуждая дисковый лазер.
Сущность изобретения заключается в том, что использование активной пластины дискового лазера в качестве одного из элементов оптического резонатора лазера накачки существенно расширяет диапазоны изменения основных параметров дискового лазера. В частности, можно уменьшить нагрев активной пластины и увеличить мощность генерации путем использования излучения накачки с длиной волны лишь незначительно короче длины волны генерируемого излучения в дисковом лазере. Действительно, в известных технических решениях активная пластина выполнена из полупроводниковой гетероструктуры с квантовыми ямами, имеющими меньшую ширину запрещенной зоны, чем ширина запрещенной зоны барьерных слоев, разделяющих слои квантовых ям. Излучение накачки поглощается в толстых барьерных слоях. Для достижения низкого порога генерации при комнатной температуре ширина запрещенной зоны барьерных слоев должна превышать ширину запрещенной зоны квантовых ям примерно на 300 мэВ. Каждая пара неравновесных носителей, попадая в квантовые ямы, отдает большую часть из этих 300 мэВ в кристаллическую решетку, разогревая ее. Использование излучения накачки, которое поглощалось бы только в квантовых ямах невозможно в известных технических решениях из-за слишком слабого поглощения на толщине гетероструктуры. Требуется организовать множество проходов излучения накачки через активную пластину. Это и достигается в заявляемом техническом решении. В этом случае нагрев можно уменьшить в десять раз. Для этого энергия кванта излучения накачки должна быть лишь на 30 мэВ больше энергии кванта генерируемого в дисковом лазере излучения.
Данное изобретение позволяет также упростить оптическую схему некогерентного суммирования излучения многоэлементных лазеров накачки. Примером такого лазера может служить матрица лазерных диодов с внешним резонатором. Это может быть матрица лазерных диодов с боковым выводом излучения или матрица лазерных поверхностно-излучающих чипов с продольной инжекцией (так называемые лазеры с вертикальным резонатором в англоязычной литературе).
Другим примером многоэлементного лазера является лазерная электронно-лучевая трубка с внешним резонатором (В.И.Козловский, Б.М.Лаврушин, Я.К.Скасырский, М.Д.Тибери. Лазер с внешним резонатором, работающий на длине волны 625 нм при оптической накачке наноструктуры InGaP/AlGaInP с брэгговским зеркалом. Квантовая электроника, 2009, 39(8), с.731-734). В данном изобретении представлены различные варианты использования лазерной электронно-лучевой трубки в качестве лазера накачки полупроводникового дискового лазера. Использование лазерной электронно-лучевой трубки в качестве лазера накачки позволяют существенно расширить спектральный диапазон полупроводниковых дисковых лазеров. Действительно, к эффективным лазерам накачки в настоящее время можно отнести лазерные диоды, которые излучают в области 750-980 нм. Этими диодами можно накачать дисковые лазеры, работающие лишь в инфракрасной области спектра. Другим известным лазером накачки, эффективность которого достаточно велика, является неодимовый лазер с диодной накачкой, работающий на второй гармонике. Этим лазером можно накачать дисковый лазер, работающий в красной области спектра. Однако в настоящее время нет эффективных источников накачки для дисковых лазеров, работающих на основной частоте в сине-зеленой области спектра. В перспективе такими лазерами могут стать лазерные диоды на гетероструктурах на основе GaN и их твердых растворов. Тем не менее, лазеры с электронной накачкой более перспективны для получения любой длины волны генерации в видимой и ближней ультрафиолетовой области спектра. Кроме того они могут быть значительно дешевле при достижении мощностей ваттного уровня.
Возможны различные оптические схемы возбуждения активной пластины дискового лазера. В одной из схем лазер накачки и внешнее зеркало обратной связи дискового лазера находятся с одной стороны от активной пластины. Тогда активная пластина обращена к первой хладопроводящей подложке своей первой стороной с зеркальным покрытием, которое выполнено высокоотражающим на длине волны излучения дискового лазера и длине волны излучения лазера накачки, а на вторую поверхность активной пластины нанесено дополнительное покрытие, высокопропускающее на длине волны излучения дискового лазера и пропускающее, по меньшей мере, частично на длине волны излучения лазера накачки.
В этом варианте первая 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 повреждение пластины, необходимо согласовывать коэффициенты температурного расширения подложки и пластины. Закрепления 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.
Зеркальное покрытие на первой стороне активной пластины может быть выполнено 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 одновременно на длинах волн генерации дискового лазера и лазера накачки желательно использовать комбинацию интерференционного диэлектрического покрытия и металлического слоя из Аl или Ag. Коэффициент отражения на длине волны генерации дискового лазера желательно делать выше 0.99. Если он будет ниже этого значения, то потери на этом зеркале будут заметны по сравнению с другими потерями в резонаторе, что приведет к увеличению порога генерации и к ухудшению других параметров дискового лазера. По этой же причине дополнительное покрытие на второй стороне активной пластины должно иметь пропускание на длине волны излучения дискового лазера выше 0.99. Оно может быть выполнено также из окислов известным способом.
Активная пластина дискового лазера может быть выполнена из монокристалла полупроводникового соединения А2В6 или А3В5 с шириной запрещенной зоны, требуемой для достижения заданной длины волны генерации. Однако порог генерации такого лазера при комнатной температуре слишком высок. Поэтому целесообразно активную пластину выполнять в виде многослойной квантово-размерной гетероструктуры, выполненной из соединений А2В6 или А3В5 с различной шириной запрещенной зоны. Квантово-размерная гетероструктура может представлять собой периодическую структуру с тонкими активными слоями квантовых ям, квантовых проволок или квантовых точек, разделенными толстыми барьерными слоями с более широкой запрещенной зоной. Гетероструктура и зеркальное покрытие изготавливаются таким образом, чтобы тонкие активные слои находились в пучностях моды оптического резонатора дискового лазера, находящейся в максимуме линии оптического усиления. Гетероструктура выращивается известными методами современной эпитаксии, она имеет толщину от 0.5 до 5 мкм, и может быть отделена от ростовой подложки и перенесена на первую хладопроводящую подложку. В одном из вариантов исполнения зеркальное покрытие является эпитаксиальным брэгговским зеркалом, выращенным в едином технологическом цикле с другими слоями гетероструктуры.
Коэффициент отражения зеркального покрытия на первой стороне активной пластины на длине волны излучения лазера накачки может изменяться в более широких пределах. В варианте с активной пластиной в виде многослойной гетероструктуры с квантовыми ямами, когда излучение лазера накачки поглощается только в квантовых ямах, то есть, длина волны излучения лазера накачки лишь незначительно короче длины волны генерации дискового лазера, этот коэффициент отражения должен также быть выше 0.99, чтобы потери на этом зеркале были незначительны по сравнению с другими потерями в устойчивом оптическом резонаторе лазера накачки. В этом случае коэффициент пропускания дополнительного покрытия на длине волны излучения лазера накачки желательно делать достаточно высоким, не менее 0.9. Если этот коэффициент будет меньше 0.9, то эффективность накачки активного элемента будет недостаточно высокой.
В варианте, в котором активная пластина в виде многослойной гетероструктуры с квантовыми ямами накачивается излучением, поглощающимся толстыми барьерными слоями, дополнительное покрытие на второй стороне активной пластины должно иметь малый коэффициент пропускания, в пределах 0.01-0.1 и соответственно высокий коэффициент отражения (потери в этом покрытии должны быть менее 0.01). Если этот коэффициент пропускания будет слишком мал, то эффективность накачки дискового лазера будет меньше необходимой для достижения порога генерации, а если он будет больше 0.1, то будет увеличиваться порог генерации в лазере накачки из-за слишком высоких потерь устойчивого резонатора на поглощение в активной пластине дискового лазера. Коэффициент отражения зеркального покрытия на первой стороне активной пластины в этом случае может варьироваться в широких пределах в зависимости от полной толщины гетероструктуры, но желательно его делать больше 0.9. Если этот коэффициент отражения будет меньше 0.9, то накачка активной пластины будет неоднородна, что в конечном итоге приведет к ухудшению характеристик дискового лазера.
В другой оптической схеме лазер накачки и внешнее зеркало обратной связи дискового лазера находятся по разные стороны от активной пластины. Тогда активная пластина обращена к первой хладопроводящей подложке своей второй стороной, на которую нанесено дополнительное дихроическое зеркальное покрытие, высокопропускающее излучение дискового лазера и высокоотражающее излучение лазера накачки, а зеркальное покрытие на первой стороне активной области выполнено высокоотражающим на длине волны излучения дискового лазера и пропускающим, по меньшей мере, частично на длине волны излучения лазера накачки.
В этом варианте первая хладопроводящая подложка должна быть прозрачной и выполненной из материала с высокой теплопроводностью. Она может быть изготовлена из сапфира, окиси бериллия, нитрида алюминия, алмаза или другого прозрачного материала. Желательно выбирать материал с согласованным коэффициентом температурного расширения. Закрепление пластины может осуществляться путем использования прозрачных оптических клеев (например, ЕРОТЕК-301).
Зеркальное покрытие на первой стороне активной пластины может быть выполнено из окислов с малым и большим коэффициентами преломления SiO2-TiO2, SiO2-ZrO2, Аl2O3-Та2O5, SiO2-HfO2 и другие. Коэффициент отражения на длине волны генерации дискового лазера желательно делать выше 0.99. Если он будет ниже этого значения, то потери на этом зеркале будут заметны по сравнению с другими потерями в резонаторе, что приведет к увеличению порога генерации и к ухудшению других параметров дискового лазера. По этой же причине дополнительное покрытие на второй стороне активной пластины должно иметь пропускание на длине волны излучения дискового лазера выше 0.99. Оно может быть выполнено также из окислов известным способом.
Коэффициент пропускания зеркального покрытия на первой стороне активной пластины на длине волны излучения лазера накачки может изменяться в более широких пределах. В варианте с активной пластиной в виде многослойной гетероструктуры с квантовыми ямами, когда излучение лазера накачки поглощается только в квантовых ямах, этот коэффициент пропускания должен быть выше 0.9. Если этот коэффициент будет меньше 0.9, то эффективность накачки активного элемента будет недостаточно высокой. При этом коэффициент отражения дополнительного покрытия на длине волны лазера накачки должен быть выше 0.99, иначе растут потери в устойчивом оптическом резонаторе лазера накачки.
В варианте, в котором активная пластина в виде многослойной гетероструктуры с квантовыми ямами накачивается излучением, поглощающимся толстыми барьерными слоями, зеркальное покрытие на первой стороне активной пластины должно иметь малый коэффициент пропускания на длине волны излучения лазера накачки, в пределах 0.01-0.1 и соответственно высокий коэффициент отражения (потери в этом покрытии должны быть менее 0.01). Если этот коэффициент пропускания будет слишком мал, то эффективность накачки дискового лазера будет меньше необходимой для достижения порога генерации, а если он будет больше 0.1, то будет увеличиваться порог генерации в лазере накачки из-за слишком высоких потерь устойчивого резонатора на поглощение в активной пластине дискового лазера. Коэффициент отражения дополнительного покрытия на длине волны излучения лазера накачки в этом случае может варьироваться в широких пределах в зависимости от полной толщины гетероструктуры, но желательно его делать больше 0.9. Если этот коэффициент отражения будет меньше 0.9, то накачка активной пластины будет неоднородна, что в конечном итоге приведет к ухудшению характеристик дискового лазера.
В варианте исполнения, в котором лазер накачки содержит матрицу активных элементов, устойчивый оптический резонатор имеет оптическую ось, вдоль которой последовательно расположены первое зеркало обратной связи, матрица активных элементов, первая линза с просветляющими покрытиями, активная пластина дискового лазера, вторая линза с просветляющими покрытиями и второе общее зеркало обратной связи, причем точка пересечения оптической оси с первой поверхностью активной пластины, преломляющей оптическую ось, находится вблизи задней фокальной плоскости первой линзы и вблизи передней фокальной плоскости второй линзы.
Коэффициент отражения первого и второго зеркал обратной связи должен быть выше 0.99, чтобы исключить дополнительные потери в устойчивом резонаторе. В выше описанном варианте эти зеркала могут быть плоскими. Выполнены они из известных материалов известными способами. Линзы имеют также известные просветляющие покрытия. Коэффициент пропускания этих покрытий на длине волны излучения лазера накачки должен быть выше 0.99. В противном случае возрастают потери устойчивого резонатора. Линзы могут иметь сферические поверхности, если размеры линзы велики по сравнению с поперечными размерами матрицы активных элементов. В этом случае сферическая аберрация линз достаточно низкая и они не вносят дополнительные потери в устойчивый резонатор. Если поперечные размеры матрицы активных элементов сравнимы с размерами линзы, то поверхности линзы необходимо делать в виде параболоида вращения, что уменьшает их сферическую аберрацию. Обе линзы в данном варианте исполнения образуют телескоп, то есть, задняя (если излучение распространяется со стороны матрицы активных элементов) фокальная плоскость первой линзы совпадает с передней фокальной плоскостью второй линзы. Линзы расположены симметрично относительно оптической оси оптического резонатора дискового лазера. В этом случае оптическая ось устойчивого оптического резонатора лазера накачки преломляется на поверхности активной пластины, и точка преломления находится на оптической оси оптического резонатора дискового лазера. Точность расположения активной пластины относительно линз находится в пределах нескольких микрон. Основное требование на точность размещения остальных элементов таково, чтобы оптический резонатор лазера накачки был устойчивым. (Поэтому он так и обозначен.) Понятие устойчивости оптического резонатора в оптике общеизвестно.
В качестве матрицы активных элементов могут быть использованы известные матрицы инжекционных лазеров с выходом излучения через сколотые поверхности. В этом случае сколотые поверхности просветляются, и каждый элемент работает как отдельный независимый лазер с внешним резонатором. Особенностью предлагаемой схемы является то, что формируемые пространственные моды излучения каждого отдельного независимого лазера пересекаются на поверхности активной пластины дискового лазера, возбуждая его. Матрицей активных элементов может быть матрица поверхностно-излучающих инжекционных микролазеров. Каждый микролазер работает с внешним резонатором.
В другом варианте исполнения лазер накачки вместо матрицы активных элементов и первого зеркала обратной связи содержит лазерную электронно-лучевую трубку с электронно-оптической осью, содержащую в вакуумированной колбе с выходным оптическим окном последовательно расположенные вдоль электронно-оптической оси источник электронов, систему электродов для формирования электронного пучка, вторую активную пластину с высокоотражающим зеркальным покрытием на первой ее поверхности, закрепленную на второй хладопроводящей подложке, а также системы фокусировки и отклонения электронного пучка, размещенные вне вакуумированной колбы.
Вместо второго зеркала обратной связи можно использовать вторую такую же лазерную электронно-лучевую трубку. Тогда оптическая схема будет симметрична относительно оптической оси оптического резонатора дискового лазера. Но в этом случае необходимо обеспечивают оптическое сопряжение области возбуждения второй активной пластины первой лазерной электронно-лучевой трубки с областью возбуждения второй активной пластины второй лазерной электронно-лучевой трубки. Это делается известными электротехническими методами управления положением электронного пучка на поверхности второй активной пластины в каждой лазерной электронно-лучевой трубке.
Для упрощения устройства первую и вторую лазерные электронно-лучевые трубки можно поместить в единую вакуумируемую колбу с единым выходным окном. При этом вторая активная пластина первой лазерной электронно-лучевой трубки и вторая активная пластина второй лазерной электронно-лучевой трубки будут единой второй активной пластиной, закрепленной на единой второй хладопроводящей подложке, а первая и вторая линзы будут совмещены в единой линзе с просветляющими покрытиями.
В другом варианте можно оставить только одну лазерную электронно-лучевую трубку, как в уже описанном выше варианте, то второе зеркало обратной связи поместить в вакуумируемую колбу рядом со второй активной пластиной на одну вторую хладопроводящую подложку и оставить одну линзу. Выполнить это можно следующим образом. Вторая активная пластина с высокоотражающим зеркальным покрытием на первой поверхности закрепляется на первой половине второй хладопроводящей подложки, у которой вторая половина имеет аналогичное высокоотражающее зеркальное покрытие. Устойчивый оптический резонатор имеет оптическую ось, вдоль которой последовательно размещены вторая хладопроводящая подложка со второй активной пластиной и высокоотражающим зеркальным покрытием на первой поверхности второй активной пластины и вне ее, линза с просветляющими покрытиями и активная пластина дискового лазера, первая поверхность которой находится вблизи задней фокальной плоскостью линзы. Область напыления высокоотражающего зеркального покрытия на первой поверхности второй активной пластины имеет зеркально симметричную область напыления высокоотражающего зеркального покрытия на второй половине хладопроводящей подложки относительно оптической оси устойчивого оптического резонатора. Система отклонения электронного пучка обеспечивает расположение области возбуждения второй активной пластины в пределах области с высокоотражающим зеркальным покрытием на первой ее поверхности.
Во всех схемах с использованием лазерных электронно-лучевых трубок возможны несколько вариантов выполнения второй активной пластины с зеркальным покрытием и ее закрепления на второй хладопроводящей подложке, связанных с различным выводом излучения из вакуумируемой колбы. В одном из этих вариантов вторая хладопроводящая подложка выполнена прозрачной, вторая активная пластина закреплена на второй хладопроводящей подложке своей второй стороной, выходное оптической окно расположено между второй активной пластиной и первой линзой, причем возбуждение второй активной пластины осуществляется через высокоотражающее зеркальное покрытие, нанесенное на первую ее поверхность. Обе поверхности выходного окна просветляются.
В этом случае первая хладопроводящая подложка может быть изготовлена из сапфира, окиси бериллия, нитрида алюминия, алмаза или другого прозрачного материала. Желательно выбирать материал с согласованным коэффициентом температурного расширения относительно второй активной пластины. Закрепление пластины может осуществляться путем использования прозрачных оптических клеев (например, ЕРОТЕК-301). Вторая поверхность второй хладопроводящей поверхности просветляется на длину волны излучения лазера накачки.
Высокоотражающее зеркальное покрытие на первой стороне активной пластины может быть выполнено из окислов с малым и большим коэффициентами преломления SiO2-TiO2, SiO2-ZrO2, Al2O3-Ta2O5, SiO2-HfO2 и другие. Для повышения коэффициента отражения и снятия избыточного заряда с поверхности второй активной пластины, вносимого электронным пучком, поверх окислов желательно нанести слой Al, Ag или другого металла толщиной 0.02-1 мкм. Коэффициент отражения зеркала на длине излучения лазера накачки должен быть выше 0.99, чтобы потери на этом зекале были значительно меньше других потерь в устойчивом резонаторе дискового лазера. Состав зеркала и толщины слоев оптимизируется известными способами с целью уменьшения потерь энергии электронного пучка при проникновении во вторую активную пластину через высокоотражающее зеркало.
Обе поверхности выходного окна просветляются. Но в одном из вариантов вторая хладопроводящая подложка является одновременно выходным оптическим окном вакуумируемой колбы. Возможен также вариант, что вторая хладопроводящая подложка имеет плоскую и выпуклую поверхности и является одновременно выходным окном вакуумируемой колбы и первой линзой.
Вывод излучения из второй активной пластины может осуществляться и через поверхность, возбуждаемую электронным пучком. В этом случае вторая активная пластина закреплена на второй хладопроводящей подложке своей первой стороной, выходное оптической окно расположено между второй активной пластиной и активной пластиной дискового лазера и имеет просветляющие покрытия, причем возбуждение второй активной пластины осуществляется через вторую ее поверхность.
В этом варианте можно достигнуть более эффективный теплоотвод от второй активной пластины за счет того, что вторая 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 второй хладопроводящей подложке происходит при повышенной температуре и для того, чтобы избежать повреждение 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.
Высокоотражающее покрытие может быть такое же, как в случае вывода излучения через вторую хладопроводящую подложку, а коэффициент пропускания просветляющего покрытия должен превышать 0.99, чтобы избежать дополнительных потерь в устойчивом резонаторе.
Вторая активная пластина может быть выполнена из монокристалла полупроводникового соединения А2В6 или А3В5 с шириной запрещенной зоны, требуемой для достижения заданной длины волны генерации. Однако порог генерации такого лазера при комнатной температуре слишком высок. Поэтому целесообразно активную пластину выполнять в виде многослойной квантово-размерной гетероструктуры, выполненной из соединений А2В6 или А3В5 с различной шириной запрещенной зоны. Как и в случае активной пластины дискового лазера, квантово-размерная гетероструктура может представлять собой периодическую структуру с тонкими активными слоями квантовых ям, квантовых проволок или квантовых точек, разделенными толстыми барьерными слоями с более широкой запрещенной зоной. Гетероструктура и зеркальное покрытие изготавливаются таким образом, чтобы тонкие активные слои находились в пучностях моды устойчивого оптического резонатора лазера накачки, находящейся в максимуме линии оптического усиления. Гетероструктура выращивается известными методами современной эпитаксии, она имеет толщину от 0.5 до 10 мкм, и может быть отделена от ростовой подложки и перенесена на вторую хладопроводящую подложку. В одном из вариантов исполнения зеркальное покрытие является эпитаксиальным брэгговским зеркалом, выращенным в едином технологическом цикле с другими слоями гетероструктуры.
В одном из вариантов исполнения выходное оптической окно вакуумируемой колбы является одновременно первой линзой.
Описанные выше варианты имеют относительно большую длину устойчивого резонатора лазера накачки. Поэтому они будут эффективно работать, если каждый элемент матрицы активных элементов или отдельный пиксель лазерной электронно-лучевой трубки будет работать в непрерывном режиме либо в импульсном с длительностью импульса, заметно превышающей время обхода устойчивого оптического резонатора. С уменьшением времени накачки отдельно пикселя в лазерной электронно-лучевой трубке, что желательно для улучшения теплоотвода, необходимо уменьшать длину устойчивого резонатора. С этой точки зрения наиболее перспективным вариантом исполнения дискового лазера является лазер, который содержит лазерную электронно-лучевую трубку, выполненную в виде вакуумируемой колбы с выходным оптическим окном и имеющую электронно-оптическую ось, вдоль которой последовательно расположены источник электронов, система электродов для формирования электронного пучка и вторая активная пластина с высокоотражающим покрытием на первой своей поверхности, закрепленная на первой хладопроводящей подложке, а также системы фокусировки и отклонения электронного пучка, размещенные вне трубки; причем активная пластина дискового лазера закреплена в центральной части первой хладопроводящей подложки своей первой поверхностью с зеркальным покрытием, которое выполнено высокоотражающим для длины волны излучения лазера накачки и длины волны излучения дискового лазера; с одной стороны от этой пластины закреплена вторая активная пластина своей первой поверхностью с высокоотражающим зеркальным покрытием на длине волны излучения лазера накачки, а с другой стороны напылено высокоотражающее покрытие, аналогичное покрытию, нанесенному на первую поверхность второй активной пластины; на вторую поверхность второй активной пластины нанесено просветляющее покрытие, через которое электронный пучок возбуждает вторую активную пластину; на вторую поверхность активной пластины дискового лазера нанесено покрытие, высокопропускающее на длине волны излучения дискового лазера и пропускающее, по меньшей мере, частично на длине волны излучения лазера накачки, через которое осуществляется оптическая накачка дискового лазера; внешнее зеркало обратной связи дискового лазера выполнено в виде выходного окна вакуумируемой колбы, у которого поверхность, обращенная ко второй поверхности активной пластины дискового лазера, выполнена вогнутой и, на нее напылено зеркальное покрытие, высокоотражающее для длины волны излучения лазера накачки и частично пропускающее на длине волны излучения дискового лазера, по меньшей мере, в центральной части выходного окна; первые поверхности активной пластины дискового лазера и второй активной пластины, а также внешняя поверхность высокоотражающего зеркального покрытия, нанесенного на часть поверхности первой хладопроводящей подложки находятся вблизи фокальной плоскости внешнего зеркала; оптический резонатор дискового лазера и устойчивый оптический резонатор лазера накачки имеют единую оптическую ось, которая проходит через центральную часть первой хладопроводящей подложки, совпадая с ее нормалью; поверхность второй активной пластины имеет осесимметричную область с высокоотражающим зеркальным покрытием на поверхности первой хладопроводящей подложки вне этой пластины; форма вогнутой поверхности близка к параболоиду вращения вокруг оптической оси.
В этом варианте первая хладопроводящая подложка заменяет функции второй хладопроводящей подложки. Излучение, генерируемое в устойчивом оптическом резонаторе лазера накачки, при любом положении электронного пучка на второй активной пластине выходит из этой пластины перпендикулярно ее поверхности, отражается от внешнего вогнутого зеркала, отражается затем от активной пластины дискового лазера, частично полощаясь в ней, второй раз отражается от внешнего зеркала, направляясь в сторону высокоотражающего зеркального покрытия, расположенного на поверхности первой хладопроводящей подложки осесимметрично второй активной пластине, отражается от этого покрытия и возвращается на вторую пластину вдоль обратного пути.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими фигурами.
Фиг.1. Полупроводниковый дисковый лазер, являющийся наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству.
Фиг.2. Полупроводниковый дисковый лазер согласно заявляемому техническому решению.
Фиг.3. Другие варианты исполнения активной пластины полупроводникового дискового лазера согласно заявляемому техническому решению.
Фиг.4. Полупроводниковый дисковый лазер, у которого лазер накачки содержит матрицу активных элементов.
Фиг.5. Полупроводниковый дисковый лазер, у которого лазер накачки содержит лазерную электронно-лучевую трубку.
Фиг.6. Полупроводниковый дисковый лазер, у которого лазер накачки содержит лазерную электронно-лучевую трубку, выполненную в другом варианте.
Фиг.7. Полупроводниковый дисковый лазер, у которого лазер накачки содержит две лазерные электронно-лучевые трубки в единой вакуумной колбе.
Фиг.8. Полупроводниковый дисковый лазер с двумя внешними зеркалами обратной связи, у которого лазер накачки содержит лазерную электронно-лучевую трубку.
Фиг.9. Полупроводниковый дисковый лазер с активной пластиной внутри вакуумируемой колбы.
Известное устройство полупроводникового дискового лазера, представленного схематично на фиг.1, содержит активную пластину 1 с зеркальным покрытием 2 на первой своей поверхности 3, закрепленную на первой хладопроводящей подложке 4, внешнее зеркало обратной связи 5 и лазер накачки 6. Зеркальное покрытие 2 и внешнее зеркало обратной связи 5 образуют оптический резонатор с оптической осью 7.
Полупроводниковый дисковый лазер работает следующим образом. Луч 8 излучения лазера накачки 6 направляется на вторую поверхность 9 активной пластины 1 вблизи оптической оси 7. Луч 8 поглощается активной пластиной 1. В области поглощения возникает вынужденное излучение, которое при наличии обратной связи формирует направленное излучение 10, выходящее из оптического резонатора через внешнее зеркало 5.
На фиг.2 представлено устройство полупроводникового дискового лазера, содержащего активную пластину 11 с зеркальным покрытием 12 на первой своей поверхности 13 и дополнительным покрытием 14 на второй своей поверхности 15, закрепленную на первой хладопроводящей подложке 16, внешнее зеркало обратной связи 17 и лазер накачки 18. Зеркальное покрытие 12 и внешнее зеркало обратной связи 17 образуют оптический резонатор дискового лазера с оптической осью 18. Лазер накачки содержит активную среду 19, первое зеркало обратной связи 20, первую линзу 21, вторую линзу 22 и второе зеркало обратной, связи 23. Зеркала 20 и 23, линзы 21 и 22 и активная пластина 13 со своими покрытиями 12 и 14 образуют устойчивый оптический резонатор лазера накачки. В данном варианте исполнения дополнительное покрытие 14 имеет высокий коэффициент пропускания на длине волны излучения дискового лазера и частично пропускает на длине волны излучения лазера накачки, а зеркальное покрытие 12 является высокоотражающим на длинах волн излучения лазера накачки и дискового лазера. При этом активная пластина 11 выполнена из многослойной гетероструктуры с квантовыми ямами, разделенными толстыми барьерными слоями, имеющими ширину запрещенной зоны меньше энергии кванта излучения накачки.
Полупроводниковый дисковый лазер работает следующим образом. Излучение 24, генерируемое в устойчивом оптическом резонаторе лазера накачки фокусируется линзами 21 и 22 в вблизи точки пересечения второй поверхности 15 активной пластины 11 с оптической осью 18. Это излучение частично пропускается дополнительным покрытием 14 внутрь активной пластины 11. Прошедшее излучение в основном поглощается активной пластиной 11 за один проход. Не поглощенное за один проход излучение отражается от зеркального покрытия 12 и поглощается в активной пластине за второй проход. В результате поглощения в активной пластине генерируются неравновесные носители тока, большая их часть образуется в толстых барьерных слоях. За время своей жизни неравновесные носители успевают диффундировать к квантовым ямам, где термализуются и рекомбинируют излучательно. При высоком уровне возбуждения возникает оптическое усиление, что в присутствии обратной связи позволяет генерировать лазерное излучение 25, выходящее из резонатора через зеркало 17.
На фиг.3а схематически представлено другое устройство узла активной пластины с покрытиями и хладопроводящей подложки. Здесь активная пластина из многослойной гетероструктуры 26 с зеркальным покрытием 27 на первой ее поверхности 28 и дополнительным покрытием 29 на второй ее поверхности 30 закреплена на первой хладопроводящей подложке 31, через которую по нормали к пластине 26 проходит оптическая ось 32 резонатора дискового лазера. Причем в отличие от устройства на фиг.2. ширина запрещенной зоны барьерных слоев многослойной гетероструктуры больше кванта излучения лазера накачки, а дополнительное покрытие выполнено высокопропускающим как для излучения дискового лазера, так и для излучения лазера накачки.
Устройство работает следующим образом. Генерируемое излучение 33 направляется в область вблизи точки пересечения оптической оси 32 со второй поверхностью 30, проходит через дополнительное покрытие 29 и проникает вглубь активной пластины 26, частично поглощаясь квантовыми ямами. Затем оно отражается от зеркального покрытия 27, снова проходит активную пластину, частично поглощаясь в квантовых ямах, и выходит через дополнительное покрытие 29. В этом случае поглощение в квантовых ямах значительно сильнее влияет на режим генерации лазера накачки, поскольку вносит основной вклад в потери устойчивого оптического резонатора лазера накачки. С другой стороны интенсивность излучения внутри резонатора существенно выше, что обеспечивает эффективное поглощение в квантовых ямах, суммарная толщина которых порядка 0.1 мкм. В результате поглощения возникает люминесценция и оптическое усиление, что в присутствии обратной связи приводит к генерации излучения 34 дискового лазера вдоль оптической оси 32. Как и в случае, представленном на фиг.2, первая хладопроводящая подложка может быть непрозрачной.
На фиг.3б представлен другой вариант исполнения узла активной пластины с напылениями и первой хладопроводящей подложки. Активная пластина 35 с зеркальным покрытием 36 на первой своей поверхности 37 и дополнительным покрытием 38 на своей второй поверхности 39 закреплена на первой хладопроводящей подложке 40 с просветляющим покрытием 41. Нормаль к активной пластине является оптической осью 42 устойчивого оптического резонатора дискового лазера. Подложка в том случае прозрачна для излучения дискового лазера, зеркальное покрытие 36 выполнено высокоотражающим на длине волны излучения дискового лазера и частично пропускающим на длине излучения лазера накачки, дополнительное покрытие 38 выполнено высокопропускающим излучение дискового лазера и высокоотражающим на длине волны излучения лазера накачки, а активная пластина 35 выполнена из многослойной гетероструктуры с квантовыми ямами, разделенными толстыми барьерными слоями, имеющими ширину запрещенной зоны больше энергии кванта излучения накачки.
Устройство работает следующим образом. Излучение 43, генерируемое в устойчивом оптическом резонаторе лазера накачки, направляется на активную пластину 35 вблизи точки пересечения первой поверхности 37 активной пластины 35 с оптической осью 42. Это излучение частично пропускается зеркальным покрытием 36 внутрь активной пластины 35. Прошедшее излучение в основном поглощается активной пластиной 35 за один проход. Не поглощенное за один проход излучение отражается от дополнительного покрытия 38 и поглощается в активной пластине за второй проход. В результате поглощения в активной пластине генерируются неравновесные носители тока, которые за время жизни скапливаются в квантовых ямах, где термализуются и рекомбинируют излучательно. При высоком уровне возбуждения возникает оптическое усиление, что в присутствии обратной связи позволяет генерировать лазерное излучение 44 вдоль оптической оси 42.
На фиг.3в представлен близкий вариант исполнения узла активной пластины с покрытиями и первой хладопроводящей подложкой, но предназначенный для прямого поглощения квантовыми ямами излучения накачки. Здесь активная пластина 45 с зеркальным покрытием 46 на своей первой поверхности 47 и дополнительным покрытием 48 на своей второй поверхности 49 закреплена на первой хладопроводящей подложке 50 с просветляющим покрытием 51. Нормаль к активной пластине является оптической осью 52 устойчивого оптического резонатора дискового лазера.
Излучение 53, генерируемое в устойчивом оптическом резонаторе лазера накачки, направляется на активную пластину 45 вблизи точки пересечения первой поверхности 47 активной пластины 45 с оптической осью 52. Это излучение проходит через зеркальное покрытие 46 внутрь активной пластины 45, частично поглощается квантовыми ямами, отражается от дополнительного покрытия 48, снова проходит активную пластину, частично поглощаясь квантовыми ямами, и выходит через зеркальное покрытие 46. В результате поглощения возникает люминесценция и оптическое усиление, что в присутствии обратной связи приводит к генерации излучения 54 дискового лазера вдоль оптической оси 52.
На фиг.4 представлен полупроводниковый дисковый лазер, содержащий активную пластину 55 с зеркальным покрытием 56 на первой своей поверхности 57 и дополнительным покрытием 58 на второй своей поверхности 59, закрепленную на первой хладопроводящей подложке 60, внешнее зеркало обратной связи 61 и лазер накачки 62. Зеркальные покрытия 56 и 58 и внешнее зеркало обратной связи 61 образуют оптический резонатор дискового лазера с оптической осью 63. Лазер накачки содержит активную среду в виде матрицы активных элементов 64, первое зеркало обратной связи 65, первую линзу 66, вторую линзу 67 и второе зеркало обратной связи 68. Зеркала 65 и 68, линзы 66 и 67 и активная пластина 55 со своими покрытиями 56 и 58 образуют устойчивый оптический резонатор лазера накачки. В данном варианте исполнения дополнительное покрытие 58 имеет высокий коэффициент пропускания на длине волны излучения дискового лазера и частично пропускает на длине волны излучения лазера накачки, а зеркальное покрытие 56 является высокоотражающим на длинах волн излучения лазера накачки и дискового лазера. При этом активная пластина 55 выполнена из многослойной гетероструктуры с квантовыми ямами, разделенными толстыми барьерными слоями, имеющими ширину запрещенной зоны меньше энергии кванта излучения накачки.
Полупроводниковый дисковый лазер работает следующим образом. Рассмотрим один элемент 69 матрицы активных элементов 64. При его возбуждении генерируется излучение 70. Это излучение возбуждает область активной пластины, лежащую вблизи точки пересечения второй поверхности 59 с оптической осью 63. Возбуждение происходит следующим образом. Излучение 70 частично пропускается дополнительным покрытием 58 внутрь активной пластины 55. Прошедшего излучения в основном поглощается активной пластиной 55 за один проход. Не поглощенное на один проход излучение отражается от зеркального покрытия 56 и поглощается в активной пластине за второй проход. Одновременно или последовательно во времени возбуждается другой элемент 71, который генерирует излучение 72. Это излучение, так же как излучение 70, частично проходит внутрь активной пластины 55 и возбуждает ее. Аналогичным образом могут возбуждаться и генерировать свое излучение и другие элементы матрицы активных элементов. Излучения от всех элементов суммируется на поверхности активной пластины. В результате поглощения в активной пластине генерируются неравновесные носители тока, которые за время жизни скапливаются в квантовых ямах, где термализуются и рекомбинируют излучательно. При высоком уровне возбуждения возникает оптическое усиление, что в присутствии обратной связи позволяет генерировать лазерное излучение 73, выходящее из резонатора через зеркало 61. В качестве активных элементов могут быть лазерные диоды с боковым выходом (через сколы) или поверхностно излучающие лазерные диоды. Их возбуждение осуществляется током инжекции через электрические контакты.
На фиг.5. представлен полупроводниковый дисковый лазер, содержащий активную пластину 75 с зеркальным покрытием 76 на первой своей поверхности 77 и дополнительным покрытием 78 на второй своей поверхности 79, закрепленную на первой хладопроводящей подложке 80, внешнее зеркало обратной связи 11 и лазер накачки 82. Зеркальные покрытия 76 и 78 и внешнее зеркало обратной связи 81 образуют оптический резонатор дискового лазера с оптической осью 83. Лазер накачки 82 содержит лазерную электронно-лучевую трубку 84 с электронно-оптической осью 85, содержащую в вакуумируемой колбе 86 источник электронов (катод) 87, систему электродов 88, формирующих электронный пучок, и вторую активную пластину 89 с высокоотражающим покрытием 90 на своей первой поверхности 91, закрепленную на второй хладопроводящей пластине 92, а также системы фокусировки 93 и отклонения 94 электронного пучка, расположенные вне вакуумируемой колбы 86. Дополнительно лазер накачки содержит первую линзу 95, вторую линзу 96 и второе зеркало обратной связи 97. Зеркала 89 и 97, линзы 95 и 96 и активная пластина 75 со своими покрытиями 76 и 78 образуют устойчивый оптический резонатор лазера накачки с оптической осью, совпадающей с электронно-оптической осью 85. В данном варианте исполнения дополнительное покрытие 78 имеет высокий коэффициент пропускания на длине волны излучения дискового лазера и частично пропускает на длине волны излучения лазера накачки, а зеркальное покрытие 76 является высокоотражающим на длинах волн излучения лазера накачки и дискового лазера. При этом активная пластина 75 выполнена из многослойной гетероструктуры с квантовыми ямами, разделенными толстыми барьерными слоями, имеющими ширину запрещенной зоны меньше энергии кванта излучения накачки; и вторая хладопроводящая подложка 92 является одновременно выходным оптическим окном вакуумируемой колбы 86.
Полупроводниковый дисковый лазер работает следующим образом. При подаче электрического напряжения на источник электронов 87 и систему электродов 88 формируется электронный пучок 98, который при подаче определенных сигналов на систему фокусировки 93 и отклонения 94 фокусируется в определенную область 99 второй активной пластины 89. При возбуждении этой области электронным пучком генерируется излучение 100. Это излучение возбуждает область активной пластины, лежащую вблизи точки пересечения второй поверхности 79 с оптической осью 83. Возбуждение происходит следующим образом. Излучение 100 частично пропускается дополнительным покрытием 78 внутрь активной пластины 75. Прошедшее излучение в основном поглощается активной пластиной 75 за один проход. Не поглощенное за один проход излучение отражается от зеркального покрытия 76 и поглощается в активной пластине за второй проход. В результате поглощения в активной пластине генерируются неравновесные носители тока, которые за время жизни скапливаются в квантовых ямах, где термализуются и рекомбинируют излучательно. При высоком уровне возбуждения возникает оптическое усиление, что в присутствии обратной связи позволяет генерировать лазерное излучение 101, выходящее из резонатора через зеркало 81. Подавая изменяющийся во времени сигнал на отклоняющую систему 94, электронный пучок сканирует по поверхности второй активной пластины 89. При этом режим накачки активной пластины 75 остается постоянным во времени, тем самым достигается режим непрерывной генерации в полупроводниковом дисковом лазере.
На фиг.6. представлен полупроводниковый дисковый лазер с другим вариантом исполнения лазерной электронно-лучевой трубки. Он содержит активную пластину 105 с зеркальным покрытием 106 на первой своей поверхности 107 и дополнительным покрытием 108 на второй своей поверхности 109, закрепленную на первой хладопроводящей подложке 110, внешнее зеркало обратной связи 111 и лазер накачки 112. Зеркальные покрытия 106 и 108 и внешнее зеркало обратной связи 111 образуют оптический резонатор дискового лазера с оптической осью 113. Лазер накачки 112 содержит лазерную электронно-лучевую трубку 114 с электронно-оптической осью 115, содержащую в вакуумируемой колбе 116 источник электронов (катод) 117, систему электродов 118, формирующих электронный пучок, и вторую активную пластину 119 с высокоотражающим покрытием 120 на своей первой поверхности 121 и дополнительным покрытием 122 на своей второй поверхности 123, закрепленную на второй хладопроводящей пластине 124, а также системы фокусировки 125 и отклонения 126 электронного пучка, расположенные вне вакуумируемой колбы 116. Дополнительно лазер накачки 112 содержит первую линзу 127, вторую линзу 128 и второе зеркало обратной связи 129. Зеркала 120 и 129, линзы 127 и 128 и активная пластина 105 со своими покрытиями 106 и 108 образуют устойчивый оптический резонатор лазера накачки с оптической осью 130. В данном варианте исполнения дополнительное покрытие 108 имеет высокий коэффициент пропускания на длине волны излучения дискового лазера и частично пропускает на длине волны излучения лазера накачки, а зеркальное покрытие 106 является высокоотражающим на длинах волн излучения лазера накачки и дискового лазера. При этом активная пластина 105 выполнена из многослойной гетероструктуры с квантовыми ямами, разделенными толстыми барьерными слоями, имеющими ширину запрещенной зоны меньше энергии кванта излучения накачки; и первая линза 127 является одновременно выходным оптическим окном вакуумируемой колбы 116.
Полупроводниковый дисковый лазер работает следующим образом. При подаче электрического напряжения на источник электронов 117 и систему электродов 118 формируется электронный пучок 131, который при подаче определенных сигналов на систему фокусировки 125 и отклонения 126 фокусируется в определенную область 132 второй активной пластины 119. При возбуждении этой области электронным пучком генерируется излучение 133. Это излучение возбуждает область активной пластины, лежащую вблизи точки пересечения второй поверхности 109 с оптической осью 113. Возбуждение происходит следующим образом. Излучение 133 частично пропускается дополнительным покрытием 108 внутрь активной пластины 105. Прошедшее излучение в основном поглощается активной пластиной 105 за один проход. Не поглощенное за один проход излучение отражается от зеркального покрытия 106 и поглощается в активной пластине за второй проход. В результате поглощения в активной пластине генерируются неравновесные носители тока, которые за время жизни скапливаются в квантовых ямах, где термализуются и рекомбинируют излучательно. При высоком уровне возбуждения возникает оптическое усиление, что в присутствии обратной связи позволяет генерировать лазерное излучение 134, выходящее из резонатора через зеркало 111. Подавая изменяющийся во времени сигнал на отклоняющую систему 126, электронный пучок сканирует по поверхности второй активной пластины 119. При этом режим накачки активной пластины 105 остается постоянным во времени, тем самым достигается режим непрерывной генерации в полупроводниковом дисковом лазере.
На фиг.7. представлен полупроводниковый дисковый лазер, содержащий две лазерные электронно-лучевые трубки в единой вакуумной колбе. Полупроводниковый дисковый лазер содержит активную пластину 135 с зеркальным покрытием 136 на первой своей поверхности 137 и дополнительным покрытием 138 на второй своей поверхности 139, закрепленную на первой хладопроводящей подложке 140 с просветляющим покрытием 141, внешнее зеркало обратной связи 142 и лазер накачки 143. Зеркальные покрытия 136 и 138 и внешнее зеркало обратной связи 142 образуют оптический резонатор дискового лазера с оптической осью 144. Лазер накачки 143 содержит первую и вторую лазерные электронно-лучевые трубки 145 и 146 с электронно-оптическими осями 147 и 148, помещенные в единую вакуумируемую колбу 149. Каждая из трубок содержит источник электронов (катод) 150 и 151, систему электродов 152 и 153, а также системы фокусировки 154, 155 и отклонения 156, 157 электронного пучка, расположенные вне вакуумируемой колбы 149. Вакуумируемая колба 149 содержит также вторую активную пластину 158 с высокоотражающим покрытием 159 на своей первой поверхности 160, закрепленную на второй хладопроводящей пластине 161 с просветляющим покрытием. Дополнительно лазер накачки 143 содержит линзу 162 с просветляющими покрытиями. Зеркала 159, линза 160 и активная пластина 135 со своими покрытиями 136 и 138 образуют устойчивый оптический резонатор лазера накачки с оптической осью 163. В данном варианте исполнения дополнительное покрытие 138 имеет высокий коэффициент пропускания на длине волны излучения дискового лазера и высокий коэффициент отражения на длине волны излучения лазера накачки, а зеркальное покрытие 136 является высокоотражающим на длинах волн излучения дискового лазера и частично пропускающим на длине волны лазера накачки. При этом активная пластина 135 выполнена из многослойной гетероструктуры с квантовыми ямами, разделенными толстыми барьерными слоями, имеющими ширину запрещенной зоны меньше энергии кванта излучения накачки; и вторая хладопроводящая подложка 161 является одновременно выходным оптическим окном вакуумируемой колбы 149.
Полупроводниковый дисковый лазер работает следующим образом. При подаче электрического напряжения на источники электронов 150 и 151 и систему электродов 152 и 153 одновременно формируются два электронных пучка 164 и 165, которые при подаче определенных сигналов на системы фокусировки 154, 155 и отклонения 156, 157 фокусируются в определенные области 166 и 167 второй активной пластины 158. Эти области симметричны относительно оптической оси 163. При возбуждении электронными пучками областей 166 и 167 генерируется излучение 168. Это излучение возбуждает область активной пластины, лежащую вблизи точки пересечения первой поверхности 137 с оптической осью 163. Возбуждение происходит следующим образом. Излучение 168 частично пропускается зеркальным покрытием 136 внутрь активной пластины 135. Прошедшее излучение в основном поглощается активной пластиной 135 за один проход. Не поглощенное за один проход излучение отражается от зеркального покрытия 138 и поглощается в активной пластине за второй проход. В результате поглощения в активной пластине генерируются неравновесные носители тока, которые за время жизни скапливаются в квантовых ямах, где термализуются и рекомбинируют излучательно. При высоком уровне возбуждения возникает оптическое усиление, что в присутствии обратной связи позволяет генерировать лазерное излучение 169, выходящее из резонатора через зеркало 142. Подавая согласованные, изменяющиеся во времени сигналы на отклоняющие системы 156 и 157, электронные пучки сканируют по поверхности второй активной пластины 158 таким образом, что области возбуждения остаются всегда симметричными относительно оси 163. При этом режим накачки активной пластины 135 остается постоянным во времени, тем самым достигается режим непрерывной генерации в полупроводниковом дисковом лазере.
На фиг.8. представлен полупроводниковый дисковый лазер с двумя внешними зеркалами обратной связи, у которого лазер накачки содержит лазерную электроннолучевую трубку. Полупроводниковый дисковый лазер содержит активную пластину 170 с зеркальным покрытием 171 на первой своей поверхности 172 и дополнительным покрытием 173 на второй своей поверхности 174, закрепленную на первой хладопроводящей подложке 175, первое и второе зеркала обратной связи 176, 177 и лазер накачки 178. Зеркальные покрытия 171 и 173 и внешние зеркала обратной связи 176 и 177 образуют оптический резонатор дискового лазера с оптической осью 179. Лазер накачки 178 содержит лазерную электронно-лучевую трубку 180 с электронно-оптической осью 181, вдоль которой в вакуумируемой колбе 182 размещены источник электронов (катод) 183, система электродов 184, а также системы фокусировки 185 и отклонения 186 электронного пучка, расположенные вне вакуумируемой колбы. Вакуумируемая колба 182 содержит также вторую активную пластину 187 с высокоотражающим покрытием 188, закрепленную на первой половине второй хладопроводящей пластине 189 с аналогичным высокоотражающим покрытием 190 на второй половине и с просветляющим покрытием 191. Дополнительно лазер накачки 178 содержит линзу 192 с просветляющими покрытиями. Зеркальные покрытия 188 и 190, линза 192 и активная пластина 170 со своими покрытиями 171 и 173 образуют устойчивый оптический резонатор лазера накачки с оптической осью, совпадающей с электронно-оптической осью 181. В данном варианте исполнения дополнительное покрытие 173 имеет высокий коэффициент пропускания на длине волны излучения дискового лазера и частично пропускает на длине волны излучения лазера накачки, а зеркальное покрытие 171 является высокоотражающим на длинах волн излучения лазера накачки и дискового лазера. При этом активная пластина 170 выполнена из многослойной гетероструктуры с квантовыми ямами, разделенными толстыми барьерными слоями, имеющими ширину запрещенной зоны меньше энергии кванта излучения накачки; и вторая хладопроводящая подложка 189 является одновременно выходным оптическим окном вакуумируемой колбы 182.
Полупроводниковый дисковый лазер работает следующим образом. При подаче электрического напряжения на источник электронов 183 и систему электродов 184 формируется электронный пучок 193, который при подаче сигналов на системы фокусировки 185 и отклонения 186 фокусируется в область 194 второй активной пластины 187. При возбуждении электронным пучком области 194 генерируется излучение 195. Это излучение возбуждает область активной пластины, лежащую вблизи точки пересечения второй ее поверхности 174 с оптической осью 181. Возбуждение происходит следующим образом. Излучение 195 частично пропускается зеркальным покрытием 173 внутрь активной пластины 170. Но большая часть излучения, отражаясь от зеркального покрытия 173, направляется линзой 192 на высокоотражающее покрытие 190 в область 196. Область 196 симметрична области 194 относительно оси 181. Прошедшее в активную пластину 170 излучение поглощается в ней в основном за один проход. Не поглощенное за один проход излучение отражается от зеркального покрытия 171 и поглощается в активной пластине за второй проход. В результате поглощения в активной пластине генерируются неравновесные носители тока, которые за время жизни скапливаются в квантовых ямах, где термализуются и рекомбинируют излучательно. При высоком уровне возбуждения возникает оптическое усиление, что в присутствии обратной связи позволяет генерировать лазерное излучение 197, выходящее из резонатора через зеркало 177. При подаче изменяющегося во времени сигнала на отклоняющую систему 186 электронный пучок сканирует по поверхности второй активной пластины 187. При этом режим накачки активной пластины 170 остается постоянным во времени, тем самым достигается режим непрерывной генерации в полупроводниковом дисковом лазере.
На фиг.9 представлен полупроводниковый дисковый лазер с активной пластиной внутри вакуумируемой колбы. Он содержит в вакуумируемой колбе 200 с электронно-оптической осью 201 и выходным оптическим окном 202, имеющим вогнутую поверхность с зеркальным напылением 203, расположенные вдоль этой оси источник электронов 204, систему электродов 205 для формирования электронного пучка, активную пластину 206 с зеркальным покрытием 207 на первой своей поверхности 208 и дополнительное покрытие 209 на своей второй поверхности 210, закрепленную на первой хладопроводящей подложке 211, на которой с одной стороны от активной пластины 206 размещена вторая активная пластина 212 с высокоотражающим покрытием 213 и дополнительным покрытием 214, а с другой стороны от активной пластины 206 на первую хладопроводящую подложку 211 напылено высокоотражающее покрытие 215. Вне вакуумируемой колбы размещены системы фокусировки 216 и отклонения 217 электронного пучка. Зеркальные покрытия 207, 209 и 203 образуют оптический резонатор дискового лазера с оптической осью 218, а зеркальные покрытия 213, 203, 209, 207 и 215 образуют устойчивый оптический резонатор лазера накачки. Дополнительное покрытие 214 выполнено высокопропускающим излучение лазера накачки, покрытие 209 выполнено высокопропускающим для излучения лазера накачки и дискового лазера, зеркальное покрытие 207 выполнено высокоотражающим для излучения лазера накачки и дискового лазера, а активная пластина 206 выполнена из многослойной гетероструктуры с квантовыми ямами, разделенными барьерными слоями, ширина запрещенной зоны которых больше энергии кванта излучения лазера накачки.
Устройство работает следующим образом. При подаче электрического напряжения на источник электронов 204 и систему электродов 205 формируется электронный пучок 219, который при подачи сигналов на системы фокусировки 216 и отклонения 217 фокусируется в область 220 на второй активной пластине 212. 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 221, симметричная относительно оптической оси 218. Эта мода проникает внутрь активной пластины 206, где происходит частичное поглощение генерируемого излучения непосредственно квантовыми ямами. В результате этого поглощения в квантовых ямах возникают неравновесные носители, их излучательная рекомбинация и оптическое усиление. При наличии обратной связи возникает генерация в дисковом лазере вдоль оси 218. Через зеркальное покрытие 203 и окно 202 генерируемое излучение 222 выходит из вакуумируемой колбы. При подаче изменяющегося во времени сигнала на отклоняющую систему 217 электронный пучок сканирует по поверхности второй активной пластины 212. При этом режим накачки активной пластины 206 остается постоянным во времени, тем самым достигается режим непрерывной генерации в полупроводниковом дисковом лазере.
Заявляемое устройство иллюстрируется следующим примером. Полупроводниковый дисковый лазер выполнен в виде отпаянного прибора (см. фиг.9). Прибор имеет форму цилиндра диаметом 30 мм, к которому сверху-сбоку приварена электронно-лучевая трубка длиной 80 мм. В электронно-лучевой трубке содержатся катод и система электродов для формирования электронного пучка. На трубку с внешней стороны надеты электромагнитные катушки фокусировки и отклонения. В верхней части цилиндра вварено оптическое окно, имеющее внешнюю плоскую поверхность и внутреннюю вогнутую поверхность, близкую по форме к параболоиду вращения с радиусом кривизны в центральной части 30 мм. На эту поверхность напылено зеркальное покрытие. В дно цилиндра через сильфонное соединение вварена медная хладопроводящая подложка, к которой в ее центральной части припаяны активная гетероструктура GaInP/AlGaInP с поперечными размерами 3×3 мм и толщиной 1 мкм, излучающая на длине волны 640 нм. Она содержит 10 КЯ толщиной 8 нм каждая. Со стороны подложки на гетероструктуру напылено зеркальное покрытие из окислов Ta2O5-SiO2 и слоя Аl. Коэффициент отражения этого зеркала выше 0.999 в области 660-610 нм. На вторую поверхность гетероструктуры напылено просветляющее покрытие с остаточным коэффициентом отражения менее 0.001.
С одной стороны от этой гетероструктуры к хладопроводящей подложке приварена вторая гетероструктура GaInP/AlGaInP с поперечными размерами 10×10 мм и толщиной 3 мкм, излучающая на длине волны 625 нм. На поверхность со стороны подложки напылено зеркальное покрытие из окислов Ta2O5-SiO2 и слоя Аl. Коэффициент отражения этого зеркала выше 0.999 в области 640-610 нм. На вторую поверхность гетероструктуры напылено просветляющее покрытие с остаточным коэффициентом отражения менее 0.001. С другой стороны от первой гетероструктуры на хладопроводящую подложку напылено отражающее покрытие из окислов Ta2O5-SiO2 и слоя Аl. Коэффициент отражения этого зеркала выше 0.999 в области 640-610 нм. К внешней стороне медной подложке пристыкован элемент Пельтье для удаления выделяемого тепла. Подложка снабжена также механизмом плавного наклона подложки в двух направлениях для юстировки оптического резонатора. Расстояние между подложкой и внутренней поверхностью выходного окна вдоль оси резонатора составляет 15 мм.
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 10×10 мм. В оптическом резонаторе возбуждается М-образная мода. Основными потерями этой моды являются потери на поглощения в квантовых ямах первой гетероструктуры. В них поглощается мощность примерно 5 Вт. Эта мощность с коэффициентов более 0.8 преобразуется в коллимированное излучение дискового лазера. На выходе мощность излучения составляет 4 Вт. Полная потребляемая мощность лазера составляет 70 Вт.