CC BY
24
УДК 537.5:535.376
ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР НА СОЕДИНЕНИЯХ А2В6 С ФОКОННОЙ ВСТАВКОЙ
A.C. Насибов, В. Г. Баграмов, К. В. Бережной, П. В. Шапкин
Рассмотрено устройство электроразрядного полупроводникового лазера с фоконной вставкой. В качестве активной среды применены, пластины из соединений CdS, CdxZni-xSe и CdSxSel-x. В случае CdS наблюдалась генерация лазерного излучения (X = 525 нм). Мощность излучения, достигала, 3 кВт при длительности импульса 3 не. Рассмотрены условия получения генерации в стри-мерном режиме. Исследовамы спектральные характеристики излучения канала разряда в пластинах GdxZnl-xSe
x i-x
ны,х линий, которые возникают по мере распространения, разряда и соответствуют изменению состава тройного соединения, полученного в процессе роста монокристалла. Предполагается, что применение тройных тверды,х растворов A2B6 позволит получить последовательную генерацию импульсов лазерного излучения в диапазоне 480-700 нм.
Ключевые слова: электроразрядный полупроводниковый лазер, твердые растворы А2В6, стримерньтй разряд.
Работа посвящена дальнейшему развитию электроразрядных полупроводниковых лазеров (ЭПЛ). в которых в качестве активной среды используются прямозонньте соединения А2В6. Исследования лазерного излучения полупроводников при развитии в них стримерного разряда начались в 80-е годы прошлого века [1 5]. Несмотря на то. что уже первые исследования продемонстрировали такие уникальные возможности стримерного разряда как генерация мощных ультракоротких импульсов лазерного излучения и определение по характеристикам разряда (направление ДВИЖ6НИЯ5 ДЛИН2Ц спектр) кристаллографических направлений, проводимости и однородности, дальней-
ФИАН, Ленинский пр-т, 53, Москва, 119991 Россия; e-mail: [email protected].
шие исследования прекратились из-за ряда существенных технических и технологических причин. Развитие современных методов формирования ультракоротких импульсов высокого напряжения [6, 7], волоконно-оптических систем регистрации и скоростной регистрирующей аппаратуры [8-10] создали предпосылки для дальнейшего развития этого направления [11-13]. В результате за последние годы был создан новый тип электроразрядного лазера [14] и значительно расширились возможности исследования его характеристик. Из результатов, полученных в последнее время, следует отметить эффект генерации на трех спектральных линиях 509, 480 и 469 нм при использовании в качестве активной среды Сс1^п 1-х8 [15]. Нами проведено дальнейшее усовершенствование ЭПЛ путем применения световода переменного сечения (фокон). Применение фокона позволило: развязать от высокого напряжения вход световода, увеличить изображение ближней зоны излучения и обеспечить ввод излучения в волоконные кабели. В настоящей работе приведена схема устройства ЭПЛ с фоконом (ЭПЛ-Ф) и рассмотрены результаты экспериментов с активными элементами из монокристаллов Сс18, Сс18х8е1-х и Сс1^п 1-х8е. Основной целью экспериментов являлось подтверждение возможности получения эффекта генерации на нескольких спектральных линиях тройных соединений А2В6 и дальнейшее освоение диапазона Л = 480-600 нм.
Рис. 1: Схема устройства электроразрядного полупроводникового лазера с фоконной вставкой (ЭПЛ-Ф) (пояснения в тексте).
Для исследования характеристик ЭПЛ был создан испытательный стенд, оборудованный аппаратурой для регистрации бьтстропротекаютцих процессов с волоконно-оптической системой передачи оптических сигналов [8]. Схема устройства ЭПЛ-Ф дана на рис. 1. В качестве генератора высоковольтных импульсов использовался высоко-ВОЛ ьтныи блок малогабаритного импульсного радиационного аппарата МИРА-2М. Импульс генератора амплитудой 100 кВ через водородный разрядник поступал на высоковольтный электрод 1 коаксиальной камеры ЭПЛ. После пробоя разрядного промежутка 2 максимальная напряженность электрического поля возникала по кромке отверстия 3 в верхней изоляционной тттайбе 4. Для плотного контакта плоскость изоляционнои тпаибы 4 смазывалась жидким диэлектриком. Меняя диаметр и положение кольцевого электрода 5, можно было менять направление развития разряда (стримера) вдоль или поперек плоскости полупроводниковой пластины 6. Изображение стримерного разряда, увеличенное в 2.2 раза, наблюдалось на выходной плоскости фокона 7. Все элементы ЭПЛ-Ф размещены в металлическом цилиндре с крышкой 11. Регистрация световых сигналов и синхронизация стрик-камерьт осуществлялись с помощью волоконно-оптических кабелей (ВОК) 8-10. ВОК с диаметром волокна 100 200 мкм устанавливались на выходной поверхности фокона в исследуемых точках трека стримера. Оветовые сигналы поступали на малогабаритный спектрометр ФСД-9 и стрик-камеру UVSC-25 с волоконным входом, разработки ИОФРАН [10]. Необходимая задержка ~5 не между импульсом синхронизации стрик-камерьт и импульсом излучения осуществлялась путем подбора длины ВОК. по которому сигналы поступали на вход камеры. Для регистрации световых сигналов применялись также приемник излучения ФЭК-22М. цифровая фотокамера DSC-H9 и осциллограф Tektronix TDS-320. Активные элементы в виде пластин изготавливались из монокристаллов соединений А2В6, выращенных на ориентированных подложках методом пересублимации из газовой фазы [16]. Пластины вырезались в двух направлениях перпендикулярном или параллельном оси роста кристалла, отжигались при 850 °С в парах серы и затем полировались механическим или химико-механическим способами. Характерная толщина пластин 1-5 мм, площадь 10х10 мм2.
На рис. 2 дана фотография свечения стримерного разряда в пластине CdS толщиной 1 мм, вырезанной перпендикулярно главной оси симметрии кристалла. Основные направления движения разрядов образуют шестиугольную звезду с характерным уг-° основных разрядов отходят отросткиJ образующие между собой угол в
°
JP b£i
ниях связанно с анизотропиеи в распределении внутренних полей кристалла Ei = —-,
el
Рис. 2: Фотография свечения стримерного разряда через фильтр НС-9 (4 х 4 см) в пластине СДО толщиной 1 мм.
где Ь = 0.3 - коэффпцент, определенный численными расчетами, е^ - энергия ионизации, е - заряд электрона, I - длина свободного пробега электрона. В случае Сс18 ЕI ж 106 В/см [1]. Соответственно, коэффициент и частота ударной ионизации имеют анизотропное распределение и максимальны в направлениях распространения стримеров. Длина и интенсивность свечения отростков уменьшаются от начала к концу треков основных разрядов, что связано с параметрами импульса напряжения и проводимости кристалла [1, 17].
Спектр люминесценции треков разряда и осциллограмма импульса люминесценции приведены на рис. 3 и рис. 4. Сравнение формы и длительности импульса люминесценции с импульсом высокого напряжения показало, что стример возникал при напряжениях 10-20 кВ. Возникновение генерации лазерного излучения в данном случае маловероятно из-за большой длины трека стримера см) и механической полировки поверхности пластины, что приводит к значительным потерям излучения поперек и вдоль направления движения стримера. Для создания условий генерации лазерного излучения были изготовлены плоскопараллельные пластины толщиной 0.3-0.5 мм, отполированные химико-механическим способом.
Плоскости пластин были ортогональны одному из основных направлений движения стримера. В этом случае разряд распространялся от одной плоскости к другой и от него отходили три боковых отростка с углом между ними 120° (рис. 5(а)). С увеличением напряженности электрического поля боковые отростки исчезали и возникали все признаки лазерного излучения - резко возрастала яркость свечения (рис. 5(а), (б)), на-
Рис. 3: Спектр люминесценции стримерного разряда.
Рис. 4: Осциллограмма импульса стримерной люминесценции пластины Сс13. Цена крупного деления 10 не.
N
ч \
5 мм
Рис. 5: Свечение пластин сульфида кадмия при разных напряженностях электрического поля в промежутке катод-анод, (а) толщина пластины 0.55 мм, расстояние анод-пластина 2 мм, катод-пластина 10 мм, напряжение 100 кВ; (б) толщина пла-0.48 1 1
150 кВ.
блюдалось резкое уменьшение длительности и увеличение мощности до 3 кВт (рис. 4, 6), сужение спектра (рис. 3, 7), и появление направленности излучения (рис. 8).
Рис. 6: Форма импульса лазерного излучения пластины С<18, зарегистрированная
3
Рис. 7: Спектр лазерного излучения пластины Сйв.
Рис. 8: Фото ближней зоны (а) лазерного излучения пластины Сйв через фильтр НС-9 и дальней зоны ((б), (в), (г)) на диффузном экране при увеличении напряженности электрического поля. Расстояние от выходной плоскости фокона до экрана 20 мм, длина метки 10 мм, размер пластины фильтра 40х40 мм.
На рис. 8 даны снимки ближней (а) и дальней зоны ((б), (в), (г)) излучения ЭПЛ в режиме генерации лазерного излучения при уменьшении внутреннего диаметра кольцевого электрода. Максимальная пиковая мощность излучения достигала 3 кВт. Из сравнения импульса лазерного излучения (рис. 6) с люминесцентным (рис. 4) видно, что длительность генерации лазерного излучения сократилась и отсутствует второй пик, что объясняется порговым характером начала генерации. Для возникновения генерации необходимо, чтобы усиление С^о компенсировало потери в оптическом резонаторе,
образованном плоскостями пластины:
Сг0 = аа,го + ар(1 - + Ад + Ад,
где аа, ар - потери на поглощение в активной и пассивной областях резонатора; Ад, Ад - потери на зеркалах и дифракционные; г0, Ь - длина возбужденной области и расстояние между плоскостями пластины.
При электронном возбуждении обычно: аа = 2-3 см-1; ар = 20-30 см-1; Ад = 0.5| 1п(Д1Д2)|, Л2 - коэффициенты отражения зеркал; Ад = 0.207 • N-1Л, где N = С2 • п/4 • Л • Ь - число Френеля, С - диаметр возбужденной области, п - коэффициент преломления полупроводника, Л - длина волны излучения. В нашем случае при скорости движения фронта ионизации ь0 = 108 — 109 см/с, время прохождения фронтом длины резонатора т = Ь/у0 = 10-10-5 • 10-11 с, что значительно меньше времени жизни 1 3 не неравновесных носителей в Сс1Э при комнатной температуре и изменении их концентрации от 5 • 1018 до 1019 см-3 [18]. В этом случае можно пренебречь потерями ар и считать г0 = Ь. Для пластины из сульфида кадмия Л1 = Я2 = 0.18 и Ад = 1.7. Легко видеть, что дифракционные потерн при п = 2.5, С = 2 • 10-2 см, Л = 5.25 • 10-5 см и Ь = 5 • 10-2 см пренебрежимо малы, и пороговый коэффициент усиления ^ь ~ аа + Ад/Ь & 4^м-1. В этом случае, для генерации лазерного излучения при комнатной температуре, достаточно достичь концентрации неравновесных носителей 1018 — 1019 см-3 [1, 12].
На рис. 9 показано изменение спектра излучения при движении стримера по поверхности пластины Сс1^п 1-х8е со стороны ЪпБе (х = 0). Пластина вырезана из монокристалла СйхЪп 1-хЭе в направлении роста. Длина стримера 1.5 мм. Длина волны излучения при перемещении оптического зонда вдоль траектории стримера менялась от 480 нм (синий) до 515 нм (зеленый). На рис. 10 приведены спектры излучения пластины С(18х8е 1-х. Длина стримера 5 мм. Длина волны излучения, в этом случае, изменялась от 587 нм (желтый) до 520 нм (зеленый). На рис. 11 дана фотохронограмма двух импульсов излучения, зарегистрированных оптическими зондами одинаковой длины, в начале и конце стримера. Скорость стримера, определенная с учетом длины и времени задержки ~5 • 108 см/с. Следует заметить, что длительность стримерной люминесценции (рис. 4) значительно превышала время прохождения фронтом разряда длины стримера. Спектры стримерной люминесценции пластин, изготовленных из твердых
х 1-х х 1-х х
положение [15], что при движении стримера в сторону с увеличивающейся шириной запрещенной зоны возможно получение генерации лазерного излучения на нескольких
Рис. 9: Изменение спектра излучения пластины Сс1^П1-хЗе вдоль трека стримера, при перемещении оптического зонда от С<1^П1-х8е, х = 0.15 (X = 515 нм) в сторону ZnSe (X = 485 нм). Длина трека 1.5 мм.
Рис. 10: Изменение спектра излучения пластины СбБ^е\-х вдоль трека стримера при перемещении оптического зонда в сторону Сйв (X = 515 нм). Длина трека 5 мм.
линиях в диапазоне от 485 до 600 нм. Для достижения генерации, как показали эксперименты с Сс18, необходимо уменьшить толщину пластин до 300-500 мкм и улучшить качество поверхности применением химико-механической полировки.
Рис. 11: Фотохронограмма импульсов света, зарегистрированная двумя оптическими
1-х
5 мм. Время задержки импульса (2) относительно импульса (1)^1 не.
Эксперименты подтвердили, что ЭПЛ с фоконной вставкой прост в изготовлении и удобен в работе. В дальнейших экспериментах предполагается получить и исследовать лазерное излучение тройных соединений А2В6 в диапазоне 480-600 им.
В заключение авторы выражают благодарность сотруднику ФИАН Г. С. Гигиберия за помощь в проведении экспериментов и обработке результатов.
Работа выполнена при поддержке РФФИ грант № 12-08-00263-а.
ЛИТЕРАТУРА
[1] И. Г. Басов, А. Г. Молчанов, А. С. Насибов и др., Письма в ЖЭТФ 19(10), 650 (1974).
[2] Н. Г. Басов, А. Г. Молчанов, А. С. Насибов и др., ЖЭТФ 70(5), 1751 (1976).
[3] В. П. Грибковский, В. В. Паращук, Г. П. Яблонский, ФТП 11, 626 (1977).
[4] А. С. Насибов, А. 3. Обидин, А. Н. Печенов и др., Краткие сообщения по физике ФИАН, N 11, 39 (1978).
[5] А. С. Насибов, А. 3. Обидин, А. Н. Печенов и др., Письма в ЖТФ 5(1), 22 (1979).
[6] Г. А. Месяц, М. И. Яландин, УФП 175(3), 225 (2005).
[7] А. С. Насибов, К. В. Бережной, А. Г. Реутова и др., ПТЭ, N 1, 75 (2009).
[8] А. С. Насибов, К. В. Бережной, М. Б. Бочкарев и др., Сб. докладов 20 Международной конференции "Лазеры, Измерения, Информация" 1, 5 (2010) (Изд-во С-Пб. политехнич. Университета, С-Пб, 2010).
[9] А. Н. Андреев, А. С. Дубовик, В. П. Дегтярева и др., Высокоскоростная фотография и фотоника в исследовании быстропротекающих процессов (Москва, Из-во "Логос", 2002).
[10] В. А. Подвязников, В. К. Чевокин, Препринт ИОФРАН N 1 (Москва, ИОФРАН, 2011).
[И] Г. А. Месяц, А. С. Насибов, В. Г. Шпак и др., ЖЭТФ 133(6), 1162 (2008).
[12] Г.А. Месяц, А. С. Насибов, В. Г. Шпак и / гр.. Квантовая электроника 38(3), 213 (2008).
[13] К. В. Бережной; М. Б. Бочкарев, А. С. Насибов и др.. Сб. докладов 21 Международной конференции "Лазеры, Измерения, Информация" 1, 14 (2011) (Изд-во С-Пб. политехнич. Университета, С-Пб, 2011).
[14] К. В. Бережной, А. С. Насибов, А. Г. Реутова и > 1р., Патент на изобретение X 2393602 (2010).
[15] А. С. Насибов, Г. Д. Даниелян, В. Г. Баграмов и др.. Краткие сообщения по физике ФИАН 38(4), 17 (2011).
[16] К). В. Коростелин, В. Г. Тихонов, П. В. Шапкин, Труды ФИАН 202, 201 (1990).
[17] М. И. Дьяконов, В. К). Кочаровский, ЖЭТФ 94(5), 321 (1988).
[18] В. И. Козловский, К). М. Попов, Квантовая электроника 33(1). 48 (2003).
Поступила в редакцию 13 ноября 2012 г.
