CC BY
126
4.3. МНОГОСЛОЙНЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗЕРКАЛА ДЛЯ МОЩНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ
Притоцкий Егор Михайлович, аспирант, Владимирский Государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, инженер, ФКП «Государственный лазерный полигон «Радуга», Владимир, Россия. E-mail: pritotsky@bk.ru
Притоцкая Анастасия Павловна, аспирант, Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, инженер, ФКП «Государственный лазерный полигон «Радуга», Владимир, Россия. E-mail: pritotskaya@bk.ru
Панков Михаил Александрович, доцент, Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, начальник лаборатории, ФКП «Государственный лазерный полигон «Радуга», Владимир, Россия. E-mail: mpa.off@gmail.com
Аннотация: Представлены расчеты спектральных характеристик многослойных интерференционных покрытий на подложке из кварцевого стекла с использованием методов компьютерного моделирования взаимодействия света с наноразмерными структурами. Используемые многослойные диэлектрические покрытия обладают большой оптической стойкостью и применяются для формирования зеркал резонатора мощных полупроводниковых лазеров.
Ключевые слова: мощные полупроводниковые лазеры, многослойные интерференционные покрытия.
MULTILAYER DIELECTRIC MIRRORS FOR HIGH-POWER SEMICONDUCTOR LASERS
Pritotskiy Egor Michailovich, graduate student, Vladimir State University named after Alexander and Nilolay Stoletovs, engineer, State Laser Proving Groung «Raduga», Vladimir, Russia. E-mail: pritotsky@bk.ru
Pritotskaya Anastasia Pavlovna, graduate student, Vladimir State University named after Alexander and Nilolay Stoletovs, engineer, State Laser Proving Groung «Raduga», Vladimir, Russia. E-mail: pritotskaya@bk.ru
Pankov Mikhail Aleksandrovich, associate professor, Vladimir State University named after Alexander and Nilolay Stoletovs, head of laboratory, State Laser Proving Groung «Raduga», Vladimir, Russia. E-mail: mpa.off@gmail.com
Abstract: Presented researches of the spectral characteristics of multilayer interference coatings on a quartz glass substrate are performed using computer simulation methods for the interaction of light with nanoscale structures. Used multilayer dielectric coatings have great optical stability and are used to form resonator mirrors of high-power semiconductor lasers.
Index terms: high-power semiconductor lasers, multilayer interference coatings.
Полупроводниковые лазеры нашли широкое применение во многих отраслях науки и техники, в частности используются в качестве источника оптического излучения для накачки волоконных и твердотельных лазеров. Для полупроводниковых лазеров требуются высокие выходные плотности мощности излучения, это ведет к снижению надежности работы и срока службы лазерного диода. Одной из причин, ограничивающей максимально достижимые мощности оптического излучения, является оптическая стойкость диэлектрических зеркал на торцах линеек лазерных диодов. [1] Диэлектрические зеркала не шунтируют p-n-переход полупроводниковой структуры, не разрушаются в процессе пайки диода к теплообменникам и позволяют изготавливать мощные полупроводниковые лазеры.
Применение вычислительных методов проектирования диэлектрических зеркал с учетом физических свойств тонких диэлектрических пленок и современных технологических методов их напыления значительно упрощают процессы изготовления оптически стойких
зеркал, позволяют увеличить надежность работы и срок службы лазерного диода в целом.
При раскалывании полупроводниковой пластины на лазерные диоды образуется резонатор, имеющий два скола со значениями коэффициента отражения, равными примерно 30%. На выходном торце обычно формируют покрытие, уменьшающее отражение до 5%, т.е. вся излучающая мощность выходит через просветляющее покрытие, а на противоположном торце - многослойное покрытие, увеличивающее отражение до 99% и более. [2] Такое высокое отражение достигается использованием многослойных отражающих покрытий, состоящих из прозрачных пленок материалов с низкими и высокими показателями преломления.
При работе в импульсном режиме для лазерных диодов с покрытиями, нанесенными на необработанные грани резонатора, полученные сколом в атмосфере кислорода, максимальная выходная оптическая мощность достигала 67 Вт и ограничивалась разрушением зеркал.
МНОГОСЛОЙНЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗЕРКАЛА ДЛЯ МОЩНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ
Притоцкий Е. М., Притоцкая А. П., Панков М. А.
Обработка граней резонатора путем травления в плазме аргона и формирование покрытия с пассивирующими и блокирующими кислород слоями GaN и Si3N4 позволили увеличить максимальную выходную оптическую мощность до 120 Вт без разрушения зеркал. [3]
В качестве просветляющих диэлектрических слоев применяют SiO2, Al2O3, Si3N4, TiO2, ZnSe. В работе [4] представлены исследования тонких пленок ZrO2, HfO2, А1203 и 5Ю2для использования материалов в просветляющих покрытиях. В работе [5] сообщалось об успешном функционировании мощных лазерных структур, в которых использовались выходные зеркала на основе a-Si.
Надежность мощных полупроводниковых лазеров зависит и от многослойного интерференционного зеркала, формируемого на обратном торце лазерного диода, т.к. высокоотражающие покрытия на излучающих гранях играют важную роль в уменьшении величины порогового тока накачки. В связи с этим к материалам, используемым в таких оптических покрытиях, предъявляются требования, обеспечивающие высокую стойкость к излучению вплоть до 1 МВт/см2. В качестве технологий нанесения тонкопленочных покрытий применяются: термическое, магнетронное, электроннолучевое или ионно-плазменное напыление. Интерференционные зеркала изготавливают на основе комплексов пленок Si-Al203, Si-Si02, ZnS-MgF2, но перечисленные конструкции также не свободны от недостатков. Пленки Si обладают поглощением на длинах волн меньше 1 мкм, а их оптические свойства сильно зависят от условий напыления. Зеркала же на основе ZnS-MgF2 подвержены растрескиванию из-за высоких растягивающих напряжений в пленках MgF2. [6] В последние годы наибольшее распространение получили зеркала на основе Ti02-Si02 и Zr02-Si02, причем предпочтение отдается обычно первой системе из-за более высокого показателя преломления ТЮ2. Это позволяет формировать покрытия, состоящие из меньшего числа слоев. Однако с точки зрения устойчивости к лазерному излучению, более эффективными являются зеркальные системы Zr02 - Si02. [7]
В ходе собственных исследований были рассчитаны спектральные энергетические характеристики многослойных тонкопленочных покрытий матричным методом с учетом поглощения при нормальном падении
излучения. Результаты расчетов позволили обеспечить прямой контроль физических свойств отдельных слоев при изготовлении просветляющих и высокоотражающих покрытий с заданными оптическими свойствами на ва-куумно-технологическом оборудовании ионно-плазменным методом.
SF-56
Mirrors
-1-г~
400 500 600 700 800 000 1000 1100
Wavelength, nm
а)
Рисунок 1. Сравнение графиков зависимостей коэффициента отражения К (а) и коэффициента пропускания Т (б) от длины волны расчетного и полученного многослойного покрытия ZrO2-SiO2 на стекле К8.
а)
Рисунок 2. Сравнение графиков зависимостей коэффициента отражения К пропускания Т от длины волны многослойных покрытий А1203^ и на ZrO2-SiO2 на стекле К8
При анализе спектральных характеристик была выбрана пара слоев ZrO2-SiO2 из-за более высокого показателя отражения на требуемой длине волны и минимального поглощения во всем оптическом диапазоне. При испытании зеркал ZrO2-SiO2 на лучевую прочность в импульсном режиме видимых дефектов не обнаружено при мощности излучения не менее 0,5 МВт/см2.
Экспериментально определены режимы очистки поверхности линеек лазерных диодов, параметры компенсационных слоев, просветляющих, высокоотражаю-щих и защитных покрытий, удовлетворяющих требованиям минимизации поглощения света и устойчивости сформированных зеркал резонатора при пайке лазерных диодов к теплообменникам и воздействии мощного лазерного излучения.
Результаты выполненной работы использованы на ФКП «ГЛП «Радуга» при проектировании оптических элементов с использованием многослойных покрытий с высокой лучевой прочностью для полупроводниковых и твердотельных лазеров.
Список литературы:
1. Тарасов И. С. Мощные полупроводниковые лазеры на основе гете-роструктур раздельного ограничения // Квантовая электроника, 2010, том 40, № 8, с. 661-681.
2. Алферов Ж.И., Иванов М.А., Ильин Ю.В., Лютецкий А.В., Пихтин Н.А., Тарасов И.С. О селекции поперечных мод в InGaAsP лазерах с диэлектрическими покрытиями зеркал // Письма в ЖТФ, 1995, том 21, вып. 5, с. 64 - 69.
3. Петрунов А.Н., Подоскин А.А., Шашкин И.С., Слипченко С.О., Пихтин Н.А., Налет Т.А., Фетисова Н.В., Вавилова Л.С., Лютецкий А.В., Алексеев П.А., Титков А.Н., Тарасов И.С. Импульсные полупроводниковые лазеры с повышенной оптической прочностью выходных зеркал резонатора // Физика и техника полупроводников, 2010, том 44, вып. 6, с. 817-821.
4. Логушкова Ю.С., Малышева Е.И., Некоркин С.М и др. АСМ-исследования и оптические свойства оксидных пленок для многослойных просветляющих покрытий // Структура и свойства твердых тел. Сборник научных трудов. - Н. Новгород: ННГУ, 2003, с. 128-133.
5. Zvonkov N.B., Akhlestina S.A., Ershov A.V., Zvonkov B.N., Maksimov G.A., Uskova E.A. Semiconductor lasers with broad tunnel-coupled waveguides, emitting at a wavelength of 980 nm // Quantum Electronics, 1999, V. 29, N 3, p. 217-218.
6. Ершов А.В., Машин А.И. Многослойные оптические покрытия. Проектирование, материалы, особенности технологии получения методом электроннолучевого испарения. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Новые материалы электроники и оптоэлектроники для информационно-телекомуникационных систем», Нижний Новгород, 2006, c. 87-90.
7. Колодный Г.Я., Левчук Е.А., Порядин ЮД., Яковлев П.П. Многослойные интерференционные покрытия в квантовой электронике // Электронная промышленность, 1981, № 5, 6, c. 93-101.
РЕЦЕНЗИЯ
Статья Притоцкого Е.М., Притоцкой А.П. и Панкова М.А. посвящена методов моделирования взаимодействия света с наноразмерными структурами такими как многослойные интерференционные однородные покрытия. Актуальность данной статьи обусловлена необходимостью разработки новых материалов и оптических элементов полупроводниковых лазеров с заданными свойствами с предварительно спроектированными покрытиями на них. Овладение методиками компьютерного моделирования физических свойств покрытий является одной из важных и трудных задач, стоящим перед молодым ученым в области оптоэлектроники и нанотехнологий. Авторами проведена серьезная работа по расчету оптических свойств тонких пленок матричным методом, проведены сравнительный анализ и испытания на лучевую прочность покрытий на кварцевом стекле.
Научная статья Притоцкого Е.М., Притоцкой А.П. и Панкова М.А. «Многослойные диэлектрические зеркала для мощных полупроводниковых лазеров» соответствует всем требованиям, предъявляемым к работам такого рода. Данная статья рекомендуется для публикации в открытой печати и ранее не публиковалась.
Доктор физико-математических наук,
профессор кафедры прикладной математики и физики
ВлГУ имени Александра Григорьевича
и Николая Григорьевича Столетовых
Бутковский Олег Александрович
