Генератор пикосекундных лазерных импульсов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 537.533.9

ГЕНЕРАТОР ПИКОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ

ИМПУЛЬСОВ

К. В. Бережной, A.C. Насибов, А. Г. Реутова*, П. В. Шапкин, С. А. Шунайлов*, М. И. Яландин*

Приводятся устройство генератора пикосекундных лазерных импульсов и полученные результаты при возбуждении полупроводниковых мишеней (ZnSe, CdS и др.) импульсами электрического поля, и электронного пучка. Максимальная мощность лазерного излучения достигала, 10 кВт при длительности импульсов 100-200 пс.

Ключевые слова: пикосекундные электронные пучки, полупроводниковый лазер.

Развитие сильноточной электроники определило новые возможности генерации пикосекундных импульсов лазерного излучения [1,2]. Генератор состоит из блока питания, формирующего импульсы высокого напряжения (50 150 кВ) и лазерной головки (ЛГ). При воздействии на рабочее тело полупроводниковой митттени электронным пучком или электрическим полем происходит лавинообразный процесс ионизации атомов решетки, в результате которого образуются электронно-дырочные (e-h) пары. При рекомбинации (e-h) пар возникает излучение, длина волны которого близка к ширине запрещенной зоны. При выполнении определенных требований относительно параметров импульса накачки и исследуемого образца возможны усиление и генерация лазерного излучения. Длительность импульсов регулируется срезающим разрядником (слайсером). ЛГ (рис. 1) изготовлена в виде коаксиальной камеры с волновым сопротивлением р = 75, которая соединяется с помощью переходного фланца с генератором высоковольтных импульсов. При работе с электронным пучком предусмотрены герметизация камеры, откачка объема и вывод электронного пучка через А1Ве фольгу Н£1 ВОЗДуХ. При полевой накачке полупроводников, для вывода излучения и замера характеристик во фланце имеется отверстие. Расположение точек, генерирующих излучение на плоскости кристалла, в этом случае обычно носит хаотический характер (рис. 2(a)). По-видимому,

Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Россия 119991, Москва, Ленинский пр. 53, e-mail: nasibov@sci.lebedev.ru.

* Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург, Россия.

И

это связано с неоднородностью кристалла, а именно наличием различных точечных дефектов (дислокаций, кластеров, микрополостей и др.), что приводит к неоднородному распределению электрического поля. Управлять положением излучающих точек можно, создавая условия для увеличения напряженности электрического поля в заданных местах. Один из способов приведен на рис. 3.

Рис. 1: Устройство лазерной головки: 1 - переходной фланец; 2 - камера; 3 - стержень держателя с катодным электродом; 4 ~ подвижной анодный электрод - фланец; 5 -подложка; 6 - полупроводниковая пластина; 7 - диэлектрическая прослойка.

о

Рис. 2: Генерация лазерного излучения пластинами селенида цинка без (а) и с устройством концентрации (б) электрического поля. Диаметр отверстия в подложке в случае (б) 3 мм.

Полупроводниковая пластина закреплена на диэлектрической подложке с отверстием заданной величины и формы. По кромке отверстия между диэлектриком и кристаллом выполняется небольшой воздушный зазор. После пробоя микрозазора напряженность электрического поля по кромке отверстия резко возрастает. В результате в полупроводнике образуются каналы разряда, в которых, вследствие ударной ионизации, возникают условия для усиления и генерации лазерного излучения.

Рис. 3: Схема устройства концентрации излучающих точек (каналы разряда) по периметру отверстия в диэлектрической подложке.

Рис. 4: Импульс мощностью 2 кВт (а) и спектр (б) лазерного излучения пластины селенида цинка при полевой накачке.

В экспериментах с мишенями, изготовленными из соединений ZnSSe (Л = 462 нм), ZnSe (Л = 480 нм), ZnCdS (Л = 515 нм), CdS (Л = 525 нм), получена генерация лазерного излучения как при накачке электронным пучком, так и электрическим полем. Максимальная мощность излучения в случае полевой и электронной накачки достигала 104 Вт. Длительность импульса была измерена при помощи цифрового осциллографа Tektronix TDS6154C с полосой пропускания 15 ГГц (переходная характеристика 28 пс), полупроводникового датчика на базе PIN-диода и составляла 100-300 пс при накачке импульсами электрического поля и 150-500 пс при накачке электронным пучком. На рис. 4 показаны импульс (а) и спектр (б) лазерного излучения пластины селенида цинка, возбуждаемой импульсом электрического поля.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, гранты № 07-02-12026-офи и № 09-0800371.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Г. А. Месяц, М. И. Яландин, УФН 175(3), 225 (2005).

[2] Г. А Месяц, А. С. Насибов, В. Г. Шпак и др., ЖЭТФ 133(6), 1162 (2008).

По материалам 3 Всероссийской молодежной школы-семинара "Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики", Москва, ФИАН, октябрь 2009 г.

Поступила в редакцию 9 февраля 2011 г.