Научная статья на тему 'Оптимизация предельных режимов стримерного полупроводникового лазера'

Оптимизация предельных режимов стримерного полупроводникового лазера Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
186
55
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Паращук В. В., Русаков К. И., Джаббаров Р. Б.

Исследовано влияние интенсивных электрического и оптического полей, создаваемых стримерным разрядом в широкозонных полупроводниках, на их спектроскопические свойства. Данный эффект проявляется в возникновении обратимой перестройки люминесцентных характеристик активной среды. Предложены методы существенного повышения срока службы и эффективности стримерного лазера при предельных режимах, основанные на использовании полупроводниковых защитных слоев определенной кристаллографической ориентации и кристаллического микрорельефа с размером элементов порядка длины волны света. Обнаружено и изучено стримерное свечение в новых перспективных соединениях CaGa2S4:Eu, Ca4Ga2S7:Eu.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Оптимизация предельных режимов стримерного полупроводникового лазера»

Случайные величины ^ отображают ошибки в

вычислении производной по сглаживающему

сплайну Если погрешности ^ измерения ЦЦ)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Самойлович В.И., Гибалов К.В., Козлов В.К. Физическая химия барьерного разряда. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 360 с.

2. Исаев Ю.Н., Колчанова В.А. Алгоритм определения параметров электротехнической схемы замещения озонатора при воздействии импульсного напряжения // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. - № 1. -С. 59-65.

3. Исаев Ю.Н., Колчанова В.А., Хохлова Т.Е. Определение параметров двухполюсника при воздействии импульсного напряжения // Электричество. - 2003. - № 11. - С. 64-67.

4. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. - М.: Наука, 1986. - 285 с.

5. Воскобойников Ю.Е., Преображенский Н.Г., Седельников А.И. Математическая обработка эксперимента в молекулярной газодинамике. - Новосибирск: Наука, 1984. - 238 с.

имеют одинаковую дисперсию, то случайные ошибки дифференцирования также имеют дисперсию

6. Воскобойников Ю.Е., Литасов В.А. Регуляризирующий алгоритм непараметрической идентификации при неточных исходных данных // Научный вестник НГТУ. - 2005. - № 2(20).

- С. 33-45.

7. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Гардарики, 1999. - 638 с.

8. Завьялов Ю.С., Квасов Б.И., Мирошниченко В.Л. Методы сплайн-функций. - М.: Наука, 1980. - 321 с.

9. Воскобойников Ю.Е. Частотный подход к оценке точности сглаживания и дифференцирования экспериментальных данных на основе сглаживающих сплайнов // Автометрия. - 1986.

- № 1. - С. 38-43.

Поступила 18.07.2006 г.

УДК 621.315.592

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ СТРИМЕРНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА

В.В. Паращук, К.И. Русаков*, Р.Б. Джаббаров**

Институт физики им. Б.И. Степанова НАНБ, г. Минск *Брестский государственный технический университет "Институт физики НАНА, г. Баку E-mail: v_shchuka@rambler.ru

Исследовано влияние интенсивных электрического и оптического полей, создаваемых стримерным разрядом в широкозонных полупроводниках, на их спектроскопические свойства. Данный эффект проявляется в возникновении обратимой перестройки люминесцентных характеристик активной среды. Предложены методы существенного повышения срока службы и эффективности стримерного лазера при предельных режимах, основанные на использовании полупроводниковых защитных слоев определенной кристаллографической ориентации и кристаллического микрорельефа с размером элементов порядка длины волны света. Обнаружено и изучено стримерное свечение в новых перспективных соединениях CaGa2S4:Eu, Ca4Ga2S7:Eu.

Введение

Стримерный разряд в полупроводниках является высокоэффективным методом получения лазерного действия в однородных средах при возбуждении короткими импульсами электрического поля [1]. Исследование свойств стримерных разрядов открывает новые возможности для изучения нелинейных оптических, электрических, акустических и других явлений в твердых телах [1, 2]. Длительное время развитие исследований по физике и технике полупроводниковых стримерных лазеров (ПСЛ) тормозилось отсутствием однозначного понимания роли излучательных процессов в формировании стримера, в том числе воздействия сильных оптических и электрических полей, сопровождающих разряд, на активную среду. Кроме того, практическое использование стримерных технологий сдерживалось рядом других причин, среди которых следует отметить деградацию приэлектродной области, су-

щественную в случае предельных режимов работы и обуславливающую относительно невысокие ресурс и эффективность реальных ПСЛ.

Цель настоящей работы - установление закономерностей воздействия стримерного разряда на активную среду как сложного явления - в условиях интенсивного излучения и сильного электрического поля, разработка методов существенного повышения ресурса и мощности (КПД) лазера при предельных режимах, включая пакетно-импульсный [3], а также поиск новых перспективных активных сред.

Разработка методов улучшения характеристик

лазера при предельных режимах эксплуатации

Повышение ресурса, стабильности и некоторых других базовых характеристик стримерного излучения является одной из проблем, которая полностью не решена до настоящего времени и требует учета взаимодействия разряда со средой (обратная

связь) и комплексного характера воздействия вследствие сильных электрических и оптических полей, а также других интенсивных факторов, сопровождающих разряд.

Опыт показывает, что максимальная эффективность стримерного возбуждения достигается при использовании дополнительного разрядного промежутка непосредственно в окружающей среде (диэлектрической жидкости), обостряющего фронт прикладываемого импульса напряжения [1-3]. Методика возбуждения и исследования разрядов приведена в этих же работах: длительность используемого генератора импульсов напряжения составляла ~100 нс, эффективная частота следования варьировалась до 10 МГц (пакетно-импульсный режим), амплитуда - до 250 кВ. В этом случае для увеличения срока службы излучающего элемента требуется применение специальных мер его защиты от непосредственного воздействия искрового разряда в жидкости. В качестве одной из таких мер является использование предохраняющего (буферного) материала от воздействия на рабочий кристалл сильного электрического поля и искрового разряда. Одновременно буферный слой не должен препятствовать интенсивной генерации излучения стримеров. Поиск материалов, пригодных для создания предохраняющего слоя осуществлялся среди различных твердых тел - диэлектриков, полупроводников и металлов при различных условиях, среди которых важнейшими являются условия перехода (передачи энергии) разрядов между слоями. В итоге было установлено, что наибольшей эффективностью в указанном смысле характеризуется система, состоящая из рабочего кристалла - пластинки CdS толщиной ~0,5 мм, ориентированной в плоскости типа {0001}, и защитного слоя из этого же кристалла толщиной ~1 мм, вырезанного в плоскости {1210}, рис. 1.

В плоскости {0001} проекции стримерных треков образуют шестилучевую звезду, что облегчает наблюдения, а во втором (буферном) образце разряды распространяются под некоторыми углами к нормали. Наибольшая длина стримерных треков и интенсивность их свечения наблюдаются при такой геометрии перехода (оптимальные условия), когда пространственная ориентация стримеров в защитном (буферном а) и рабочем (б) кристаллах практически одинакова. Это соответствует наименьшим потерям энергии при переходе и обеспечивает минимальные разрушения п-оверхности рабочего тела. Так как плоскости (1010) кристаллов, в которых распространяются стримеры, параллельны, то этим достигается незначительное отклонение стримеров типа е2 и е3 в рабочем кристалле от первоначальных в защитном слое. В отличие от стримеров указанного типа переход е1 затруднен из-за необходимости существенного изменения направления движения на ~90°. Такой переход разрядов из одного кристалла в другой возможен вследствие близости углов ориентации стримеров к значению ±45° относительно оси С.

электрод

е\А \е.1 (1010)

\ б

ч

К' ! \ к- : \ ж 1 (1010) Д. |

с®

Рис. 1. Схема возбуждения разрядов и взаимная ориентация защитного (буферного) (а) и рабочего (б) кристаллов CdS в импульсно-периодическом режиме

В описанной геометрии возбуждения одиночными импульсами с частотой следования до 50 Гц и амплитудой не более 50 кВ в рабочем кристалле на протяжении, как минимум, 2 ч наблюдалась устойчивая картина стримерных треков без заметного снижения интенсивности свечения, что при прочих равных условиях на 1-2 порядка превышает литературные данные и соответствует #~106 импульсов. Влияние защитного слоя на интенсивность стри-мерного излучателя и его ресурс показано на рис. 2.

Следует отметить, что при предельных режимах в защитном материале возникают разрушения в виде глубокого, почти сквозного кратера, тогда как в рабочем кристалле они имеют незначительную глубину проникновения (практически на уровне начальной стадии разрушений). С увеличением количества возбуждающих импульсов до ~105 размеры кратера возрастают и для восстановления начальной энергии излучения необходимо сдвигать игловой электрод от исходного положения на расстояние ~1,0...1,5 мм.

Влияние кристаллического микрорельефа на эффективность излучателя при стримерном возбуждении

С целью повышения мощности и КПД ПСЛ изучены условия перехода разрядов между кристаллами для случая, когда в роли рабочего кристалла использовался образец в виде пластины толщиной не более 100 мкм, имеющий одну полированную поверхность с напыленным зеркальным покрытием или без него, а другую - травленную с микрорельефом, элементы которого сравнимы с длиной волны света [4]. При этом поверхностью перехода стримеров служила поверхность микрорельефа, а буферным кристаллом - образец с двумя полированными поверхностями толщиной 1... 2 мм, ориентированный указанным выше образом (рис. 3). Резонатор лазера образован поверхностью микрорельефа и противоположной ей поверхностью рабочего кристалла. Опыты проводились также в отсутствие буферного кристалла.

I / I-

N10

Рис. 2. Сравнительная интенсивность свечения стримерных разрядов в зависимости от экспозиции в отсутствие (1) и при наличии буферного слоя (2)

ние) неаксиальных мод (10), но и рассеяние соответствующих лучей на гранях элементов микроструктуры. Увеличение мощности выходного излучения обусловлено также повышением степени однородности светового пучка в активной области из-за его рассеяния на рельефе. Разрушения, возникающие на естественных поверхностях фигур травления микрорельефа, прогрессируют медленнее, чем в случае гладкой поверхности. При этом возрастает лучевая прочность такого излучателя и его эффективность в целом. Механизм указанного явления детально исследован на примере полупроводникового лазера с оптической двухфотоной накачкой [4]. Результаты этих исследований были положены в основу разработки мощных полупроводниковых лазеров типа излучающее зеркало, накачиваемых электронным пучком [5], и оказались полезными, как следует из вышесказанного, для увеличения мощности (КПД) и ресурса стримерного лазера.

3/ 4\

/бУ \ЛА

/7 | § \ 10 'Ч

4

Рис. 3. Схема возбуждения генерации света в лазерной системе при наличии микрорельефа: 1) электрод, 2, 5) буферный и рабочий кристаллы, 6) микрорельеф, 3, 4) разряды в защитном слое, 7, 9) стримеры в рабочем кристалле, 8,10) отраженные и преломленные лучи на гранях элементов микрорельефа, 11) генерируемый пучок света

На систему подавались пакеты импульсов амплитудой до 200 кВ. Выяснилось, что в случае наличия микрорельефа на поверхности излучателя контакт между кристаллами хуже, чем между полированными поверхностями, что несколько затрудняет переход стримера. Однако указанный недостаток компенсируется значительным усилением стример-ного свечения (в 2...3 раза). В отсутствие буферного кристалла интенсивность излучателя дополнительно повышается. О достижении режима генерации света в исследуемой системе свидетельствовало резкое сужение спектра (близкий к одномодовому режим) и возникновение характерной диаграммы направленности излучения с угловой расходимостью ~30°, типичной для поперечной геометрии стримерного возбуждения в образцах с нанесенными зеркалами (без микрорельефа) [1]. На основании данных [4] можно полагать, что микроструктура на поверхности излучателя приводит к значительному увеличению потерь для неаксиальных мод и повышению эффективности отражения (возврата) излучения (рис. 3, лучи 8) в активную среду, вследствие чего возрастает КПД генерации. При этом положительную роль играет не только вывод (преломле-

Взаимодействие стримерного разряда

с активной средой лазера

В связи с комплексным воздействием стример-ных разрядов представляло интерес выяснить их влияние на спектроскопические (люминесцентные) характеристики активной среды при различных условиях. Использовались образцы в виде плоскопараллельных пластинок толщиной 0,5...1,1 мм, ориентированных в плоскостях (1010) так, чтобы полярная ось была направлена вдоль длинной стороны пластины. Спектры фотолюминесценции (ФЛ) регистрировались с грани образца, через которую выходило излучение стримерных разрядов, возбуждаемых импульсами напряжения амплитудой ~50 кВ с частотой следования до 5 Гц. При этом влияние искры, воздействующей на противоположную грань кристалла, устранялось. Люминесценция возбуждалась излучением непрерывного гелий-кадмиевого лазера при Т«300 К (точнее комнатной температуре) и при температуре жидкого азота (Т«80 К).

Установлено, что в условиях использовавшегося в качестве диэлектрической среды авиационного керосина при 300 К воздействие на кристалл (экспозиция) А~5.103 разрядов приводит к снижению интенсивности ФЛ примерно в 2 раза по сравнению с начальной интенсивностью - аналогично данным работ [6]. Предпринимались меры по устранению непосредственного влияния излучения лазера. Дальнейшая экспозиция при А~5.103 также сопровождалась уменьшением интенсивности ФЛ. Затем опыты были повторены при 80 К с целью контроля поведения экситонных линий. Особенность поведения этих линий состоит в зависимости их интенсивности от экспозиции, в частности в постепенном ее увеличении в ~10 раз при N=1,5.104 и резком уменьшении после Ж=2,5.104. Данный эффект усиления-тушения ФЛ носит обратимый характер, так как воспроизводится после выдержки в течение времени т~24 ч при 300 К. Соответствующая перестройка спектра ФЛ с ростом экспозиции до Ж=3.104 показана на рис. 4.

2

5

1фл,

480 500 520 540

X, НМ

Рис. 4. Спектры ФЛ монокристаллов CdS в зоне воздействия стримерного разряда при экспозиции N=2,5-104(1) и 3104 (2); Т=80 К; возбуждение излучением непрерывного лазера ЛГН-409, Х=325 нм, Р=3 мВт

Интенсивность «зеленой полосы» уменьшается приблизительно в два раза по сравнению со случаем Ж=2,5-104, полуширина ее увеличивается, а экси-тонные линии исчезают, что свидетельствует о сильном изменении состояния поверхности кристалла. Наблюдаемую трансформацию спектра с учетом данных [6] можно объяснить интенсивным разложением приповерхностного слоя с образованием безызлучательных дефектов и комплексов. Вследствие совместного действия сильного электрического поля и мощного излучения разрядов в приповерхностном слое, вероятно, происходит разрушение кристаллической решетки, начинающееся на различного рода дефектах, образованию которых способствуют механические деформации и остаточные напряжения. При этом оказавшиеся на поверхности решетки ионизированные (вследствие высоких уровней возбуждения) атомы исходных компонентов кристалла и примесей могут вступать в химические реакции с окружающей кристалл диэлектрической жидкостью и создавать различные комплексы, приводящие к изменению спектра ФЛ.

При использовании в качестве диэлектрической среды авиационного керосина воздействие искрового разряда и сильного электрического поля приводят к разложению больших органических молекул на мелкие части и образованию различных ассоци-атов с дефектами на поверхности кристаллической решетки. Разложение монокристаллов CdS не стимулируется гексаном, этилацетатом и этанолом [7]. Опыты по стримерной накачке в гексане и серном эфире указали на отсутствие перестройки спектра даже при экспозиции N=3.104, что свидетельствует о меньшей интенсивности процессов разложения поверхности сульфида кадмия в этих жидкостях по сравнению с керосином в рассматриваемых условиях. Таким образом, путем выбора окружающей диэлектрической среды представляется возможным

минимизировать влияние указанных факторов с целью улучшения характеристик стримерного лазера.

Поиск новых перспективных активных сред. Стри-мерное свечение получено и исследовано с участием авторов в ряде бинарных, тройных и более сложных соединений, как хорошо изученных, так и новых (см. обзор [2]): ZnS (длина волны излучения А-345...355 нм), ZnO (~400 нм), ZnSe (447...470 нм), ZnTe, CdSe и CdSxSe1 х (610...630 нм), GaAs (~830 нм); AgGaS2 (~550 нм), С^а^, CuGaSe2 (820...960 нм), CuGaS2xSe2(1_X) (700...960 нм). Общий итог этих исследований - стримерные разряды как быстропроте-кающее явление носят характер кооперативных самоорганизованных процессов [8], в которых оптическим явлениям отводится важнейшая роль. При этом результаты исследования эффективности полупроводникового лазера с использованием микрорельефа при оптической накачке [4] оказались полезными, как отмечалось выше, для увеличения мощности (КПД) и ресурса стримерного лазера.

Ниже остановимся на результатах изучения условий возбуждения, пространственных и оптических свойств разрядов еще в двух интересных средах - кристаллах CaGa2S4 и Ca4Ga2S7, активированных ионами европия, - представителях широкозонных соединений типа А^'В^'С^ (т=п-3, «=4,5,6,...) [9]. Это монокристаллы орторомбиче-ской симметрии класса D2h24 и кубической синго-нии соответственно. Соединения CaGa2S4 характеризуются слоистой кристаллической структурой при толщине слоевого пакета ~30...100 мкм и являются модельным объектом для исследования закономерностей стримерных разрядов в квазидвухмерных средах. Использование неразрушающих разрядов расширяет возможности изучения реальной структуры кристалла, его электрических и оптических свойств. Кроме того, активированные редкоземельными ионами кристаллы данного класса перспективны для создания высокоэффективных источников дневного света, экранов рентгеновских устройств, цветных дисплеев и других систем отображения информации.

Использовались монокристаллы размером -5x3x1 мм с удельным сопротивлением ~109...10100м.см, выращенные диффузионным методом газотранспортной реакции и методом Бриджме-на. Рабочая поверхность образцов получена путем скалывания, разряды возбуждались импульсами напряжения амплитудой ~50 кВ длительностью -100 нс через разрядный промежуток в диэлектрической жидкости по стандартной методике и в пакетно-им-пульсном режиме. Определены оптимальные условия возникновения разрядов при комнатной температуре и температуре жидкого азота в зависимости от геометрии опыта, амплитуды и полярности возбуждающих импульсов. Наблюдались одиночные прямые разряды определенной кристаллографической ориентации; в случае CaGa2S4 стримеры локализованы в плоскости слоевого пакета, с выходом основной части светового потока вдоль канала. Переход от Т«300 к 80 К приводит к заметному увеличению ин-

тенсивности разряда. Образование одиночных разрядов, снижение общего числа стримеров и их типов наблюдалось нами ранее в стержневидных и пластинчатых кристаллах сульфида кадмия [10], а также независимо другими авторами в щелочно-галоидных кристаллах [11]. Данный факт интерпретируется в рамках представлений о взаимодействии электромагнитных волн микроволнового и видимого диапазонов, инициированных стримером [10], и о самоорганизованных процессах при разряде [8].

hv,3B

Рис. 5. Спектры: 1) фото- и2,3) стримернойлюминесценции кристаллов CaGa2S4:Eu при Т?300 (1, 2) и 80 К (3); возбуждение излучением азотного лазера (ЛГИ-21, 1=337,1 нм, т^10 нс)

Легирование кристаллов CaGa2S4 (Ca4Ga2S7) многозарядной глубокой примесью Eu приводит к резкому увеличению интенсивности стримерного излучения в желто-зеленой области спектра (рис. 5), что обусловлено вкладом собственных и примесных каналов рекомбинации (включая примесное краевое излучение). При этом наличие люминесценции в области края поглощения и прямо-зонность энергетической структуры кристалла являются необходимыми условиями возникновения

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Basov N.G., Molchanov A.G., Nasibov A.S., Obidin A.Z., Peche-nov A.N., Popov Yu.M. Laser Action in Semiconductor and Dielectrics Excited by the Electric Field // IEEE J. Quantum Electron. -1974. - V. QE-10. - № 9. - P. 794-796.

2. Грибковский В.П. Стримерное свечение в полупроводниках // Журнал прикладной спектроскопии. - 1984. - Т 40. - № 5. - С. 709-718.

3. Грибковский В.П., Паращук В.В., Яблонский Г.П. Стримерное возбуждение генерации в высокочастотном режиме // Квантовая электроника. - 1989. - Т. 16. - № 6. - C. 1145-1149.

4. Грибковский В.П., Паращук В.В., Яблонский ГП. Повышение КПД и мощности полупроводникового лазера с оптической двух-фотонной накачкой // Квантовая электроника / Ин-т полупроводников АН УССР. - Киев: Наукова думка, 1990. - № 38. - С. 1-7.

5. Гурский А.Л. Лазеры с возбуждением электронным пучком на основе соединений А2В6 (Обзор) // Журнал прикладной спектроскопии. - 1999. - Т. 66. - № 5. - С. 601-618.

6. Яблонский Г.П. Образование дефектов решетки в широкозонных полупроводниках A2B6 под воздействием излучения азотного лазера // Физика твердого тела. - 1984. - Т. 26. - № 4. - С. 995--01.

стримеров в полупроводниках - в согласии с существующими представлениями. Подобная энергетическая структура обеспечивает высокий квантовый выход излучения, принимающего (по данным [10]) непосредственное участие в формировании разряда. Следует отметить, что слоистым соединениям присущи особенности, обусловленные различием свойств среды в плоскости слоя (двухмерность, взаимодействие слоев и др.) и перпендикулярно ей, которые могут влиять на формирование стримеров.

Заключение

Разработан метод повышения более чем на порядок (до ~106 импульсов) ресурса стримерного лазера при предельных режимах работы, основанный на использовании защитного слоя из однотипного полупроводника с ориентацией, соответствующей минимальным изменениям направлений распространения стримеров на границе перехода защитный слой-излучатель. Установлено, что микрорельеф в виде фигур травления с размером порядка длины волны света на поверхности перехода между защитным кристаллом и активным элементом повышает эффективность излучателя в целом.

Обнаружено влияние стримерных разрядов на люминесцентные свойства полупроводника, проявляющееся в возникновении обратимой перестройки спектра его фотолюминесценции. Спектральные изменения свидетельствуют о возникновении в приповерхностной области комплексов, связанных с дефектами, наличии процессов химического разложения кристалла под действием разрядов. Определены условия минимизации данного явления с целью повышения ресурса и стабильности характеристик стримерного лазера. Обнаружено и изучено стри-мерное свечение в новых перспективных соединениях CaGa2S4:Eu, Ca4Ga2S7:Eu и показано, что закономерности разрядов в слоистых кристаллах аналогичны таковым для квазидвухмерных сред.

7. Яблонский Г.П., Беляева А.К. Фоторазложение полупроводников ZnS, ZnSe и Сёв под воздействием УФ-излучения Не-Сё-лазера // Физика и химия обработки материалов. - 1989. -№ 4. - С. 30-34.

8. Грибковский В.П. Стримеры в полупроводниках - кооперативные самоорганизованные процессы // Доклады АН БССР. - 1985. - Т. 29. - № 10. - С. 896-898.

9. Тагиев Б.Г., Абдуллаев А.Б., Тагиев О.Б. и др. Люминесцентные свойства соединений АЪ^С/1 // Журнал прикладной спектроскопии. - 1995. - Т. 62. - № 3. - С. 145-151.

10. Грибковский В.П., Паращук В.В., Русаков К.И. О кристаллографической ориентации стримерных разрядов // Журнал технической физики. - 1994. - Т. 64. - № 11. - С. 169-171.

11. Миронов А.Л., Зубарев А.И., Шпак В.Г., Быков В.В. Формирование длинных неветвящихся каналов пробоя в щелочно-гало-идных кристаллах // Журнал технической физики. - 1990. -Т.60. - № 11. - С. 203-206.

Поступила 29.05.2006 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.