ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР
SOLID STATE 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 («стримерные»), возбуждаемые наносекундными (10-10с) 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)]. Такие лазеры содержат генератор высоковольтных импульсов, один электрод которого подсоединен к полупроводниковой пластине, помещенной в жидкий диэлектрик. Особенностью всех лазеров такого типа является то, что второй электрод удален на значительное расстояние для предотвращения пробоя полупроводниковой пластины. Существенным недостатком таких лазеров является возникновение генерации лазерного излучения вдоль определенных кристаллографических направлений и малый диаметр генерирующей области (до десятка микрон), что связано с распределением электрических полей в кристалле и ограничивает мощность, увеличивает расходимость излучения и не позволяет управлять числом и местом положения генерирующих областей.
-10
-9
4
5
-1
4
5
-10
Перечисленные недостатки в значительной мере могут быть устранены изменением конструкции ПЭЛ и применением пикосекундных импульсов высокого напряжения. Применение пикосекундных импульсов позволяет увеличить пробивную прочность, сблизить электроды, между которыми расположена полупроводниковая пластина, и обеспечить условия, в которых разряд распространяется по направлению силовых линий электрического поля. При этом отпадает необходимость помещать кристалл и электрод в жидкую диэлектрическую среду и появляются дополнительные возможности ионизации полупроводника излучением разряда и электронным пучком, образующимися в разрядном промежутке при приложении высоковольтных пикосекундных импульсов. Такой лазер является наиболее близким по технической сущности к данному изобретению [Г.А.Месяц и др. Квантовая электроника, 38, (3), 213 (2008)]. Лазер содержит высоковольтный генератор пикосекундных (10-10c) импульсов, катодный электрод; полупроводниковую пластину из селенида цинка, кольцевой анодный электрод, выполненный в виде металлического цилиндра, через отверстие в котором выводится излучение. Устройство работает следующим образом. При достижении в полупроводнике напряженности электрического поля 10-10 В см в результате ударной ионизации, туннельного и фотоэффекта образуется плотная электронно-дырочная плазма, в которой возникают условия для усиления и генерации лазерного излучения. При импульсном напряжении 10-10В длительностью (1-5)10 c лазер излучает световые импульсы мощностью от сотен ватт до единиц киловатт с длиной волны, определяемой шириной запрещенной зоны полупроводниковой пластины. Недостатком такого лазера является нестабильность положения генерирующей области, возможность распространения разряда вдоль поверхности полупроводника, достаточно быстрая деградация области, к которой прилегает отрицательный электрод, невозможность управления числом и положением генерирующих лазерное излучение областей. Основная причина заключается в устройстве активного элемента - катод плотно прижат к полупроводниковой пластине, между анодом и полупроводниковой пластиной существует воздушный зазор, отсутствует защита от поверхностного разряда по пластине к аноду.
Задачей, решаемой изобретением, является обеспечение стабилизации положения генерирующей области, устранение возможности распространения разряда вдоль поверхности полупроводника, обеспечение возможности генерации одновременно в нескольких активных областях полупроводниковой пластины и управления мощностью излучения.
i
i
f
i
f
p
p
f
8
-1
-9
Поставленная задача решается следующим образом. В ПЭЛ (Фиг.1), содержащем генератор высоковольтных импульсов (на фиг.1 не показан), передающую линию 1, камеру 2, электрод 3 напротив полупроводниковой пластины 5 лазерной мишени (ЛМ) и электрод 4 напротив подложки 6. ЛМ состоит из плоскопараллельной полупроводниковой пластины 5 и подложки 6, 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, AlN, InN и т.п.). Подложка 6 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.). Число, размер и форма отверстий определяется необходимостью получения одного или нескольких источников лазерного излучения. Параметры диэлектрической подложки (толщина, число и форма отверстий) определяются экспериментально и зависят от поставленной задачи. Прослойка 7 изготавливается из диэлектрического материала с диэлектрической постоянной, близкой или равной диэлектрической постоянной подложки, и необходима для исключения воздушного зазора и закрепления полупроводниковой пластины на подложке. В качестве диэлектрической прослойки может быть использован, например, эпоксидный клей или трансформаторное масло. Параметры генератора высоковольтных импульсов выбраны из следующих условий: амплитуда импульса (А=50-100кВ) превышает порог генерации, длительность импульса t<d/v, где d - толщина полупроводника, v - скорость распространения разряда. С учетом v~10 см·с, d=0.5-1 мм имеем t~(0,5-1)10 с; длительность фронта выбирается из условия t≤0.1 t, т.е. не должна превышать 100 пкс. Для достижения минимальных искажений формы импульса камера 2 выполнена в виде отрезка коаксиальной линии с волновым сопротивлением R, согласованным с передающей линией 1. Электрод 3 выполнен в виде усеченного конуса. Расстояние от вершины конуса 3 до полупроводниковой пластины 6 выбирается из условия: L<Vp*t, где L - расстояние между вершиной конуса и плоскостью полупроводниковой пластины, V - скорость распространения разряда в промежутке между электродом 3 и полупроводниковой пластиной. Обычно L<1 см. Второй подвижной заземленный плоский электрод 4 расположен за ЛМ. На электроде 4 сделано одно или несколько отверстий, соосных отверстиям в диэлектрической подложке. Для создания более равномерного электрического поля отверстие на заземленном электроде может быть затянуто металлической сеткой. Зазор между электродом 4 и подложкой 5 можно менять от 0 до нескольких сантиметров, что приводит к изменению емкости С между поверхностью полупроводниковой пластины и заземленным плоским электродом. При увеличении зазора величина емкости С и напряженность электрического поля в полупроводниковой пластине уменьшаются, что приводит к уменьшению мощности излучения. Для уменьшения порога начала генерации и увеличения эффективности излучения на плоскости полупроводниковой пластины наносятся отражающие диэлектрические покрытия или формируется микрорельеф, выполняющий роль селективного зеркала [Gurskii et al. Abstr. VI Inter. Conf. on II-VI Comp., Newport, USA, p.112 (1993)]. Применение электрода 4 в виде усеченного конуса, расположенного на расстоянии L<V*t от полупроводниковой пластины, позволяет исключить деградацию полупроводниковой пластины, которая происходит в результате возникновения ударной волны в местах соприкосновения с полупроводниковой пластиной. При выполнении электрода в форме усеченного конуса, расположенного на расстоянии L от полупроводниковой пластины, в промежутке электрод-полупроводниковая пластина возникает диффузный разряд, который равномерно заряжает многослойную емкость С. Разряд по поверхности полупроводниковой пластины исключается диэлектрической подложкой с высокой электрической прочностью и диэлектрической постоянной примерно в 4-5 раз меньше, чем диэлектрическая постоянная полупроводниковой пластины. При этом напряженность электрического поля в подложке будет значительно превышать напряженность поля в полупроводниковой пластине. Для исключения возможности пробоя в воздушном зазоре между поверхностями полупроводниковой пластины 6 и подложки 5 и с целью скрепления их друг с другом зазор между полупроводниковой пластиной и подложкой заполняется клеем или другим видом вязкого диэлектрика с диэлектрической постоянной, большей или равной диэлектрической постоянной подложки. Для разряда в заданном месте полупроводниковой пластины и получения генерации на диэлектрической подложке сделано отверстие заданной формы. Форма и размеры отверстия определяют число и расположение генерирующих лазерное излучение областей на полупроводниковой пластине. 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 величину емкости С и соответственно параметры (интенсивность, мощность) излучения. На фиг. 2 показано свечение ЛМ на пороге генерации с отверстием круглой формы. Полупроводниковая пластина толщиной 0.5 мм изготовлена из селенида цинка. Подложка толщиной 2 мм изготовлена из оргстекла. Диаметр отверстия - 3 мм. Видно, что генерация лазерного излучения возникает на краях отверстий (наиболее яркие точки) в местах наибольшей напряженности электрического поля.