ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР ДАЛЬНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА НА ГОРЯЧИХ НОСИТЕЛЯХ Российский патент 1994 года по МПК H01S3/85 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к полупроводниковым лазерам на горячих носителях заряда (дырках), и может быть использовано в технике дальнего ИК-диапазона, а также в спектроскопии твердого тела, плазмы газов и т.п.

До недавнего времени в технике дальнего ИК-диапазона в качестве генераторов могли использоваться только газовые лазеры, однако эти лазеры позволяют получать генерацию только на некоторых частотах, определяемых структурой энергетических уровней состояний рабочего вещества. Это предопределяет дискретный и неоднородный по плотности и мощности генерируемых линий характер излучения таких источников. Широкий спектральный диапазон излучения (75-200 мкм) - преимущество созданных в последнее время полупроводниковых лазеров на горячих носителях в германии.

Известны два основных механизма усиления в лазерах данного типа: на переходах между уровнями Ландау легких дырок Ge (ЦР) и на переходах между подзонами легких и тяжелых дырок Ge (l-h), в том числе и с участием примесных уровней. Первый механизм обеспечивает генерацию узкой линии (до 0,1 см^-1) на частоте ЦР, квазинепрерывно перестраиваемой магнитным полем в диапазоне λ = 110÷-300 мкм. Второй обеспечивает генерацию излучения в широкой полосе частот 15-20 мкм, перестраиваемой также магнитным полем в диапазоне λ= 75÷-125 мкм или в низких полях - в линии перехода между низшим возбужденным и основным примесными состояниями (G), перестраиваемой с помощью давления, приложенного к кристаллу, в диапазоне λ = 185÷-150 мкм. В качестве активного элемента в этих лазерах применяется образец из монокристалла германия р-типа проводимости с концентрацией носителей (дырок) ≈ 10¹²÷10¹⁴ см^-3, помещенный в сильное электрическое (Е 300÷3000 В/см) и магнитное (Н = 535 кЭ) (Е Н) поля и охлажденный до криогенных температур. Главными недостатками, препятствующими широкому использованию лазеров на переходах l-h типа как наиболее мощных и широкополосных, являются большая ширина линии излучения и отсутствие плавной перестройки частоты.

Известны два принципиально отличающихся типа селективных резонаторов для полупроводникового лазера дальнего ИК-диапазона на горячих носителях, обеспечивающих генерацию в одной сравнительно узкой линии излучения, частота которой определяется элементами конструкции резонатора и не может плавно перестраиваться вследствие фиксированности всех этих элементов.

Из первого типа лазеров, селектирующим элементом в которых является дифракционная профильная решетка, известна, например, конструкция [1]. Этот лазер содержит активный элемент из германия р-типа,выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, снабженного двумя омическими неинжектирующими контактами на двух боковых гранях активного элемента. На свободных от контактов боковых гранях выполнены чередующиеся зеркальные и поглощающие участки, которые совместно с торцевыми зеркалами обеспечивают формирование моды полного внутреннего отражения со строго определенным углом распространения θ внутри образца. Рабочая длина волны λ определяется периодом d дифракционной профильной решетки, нанесенной на одну из поверхностей пластин, прикладываемых к боковым полузеркальным поверхностям кристалла р-Ge: λ = 2nd^.sin( θ),n - показатель преломления р-Ge.

Недостатками данной конструкции являются большие потери, вносимые неотражающими частями резонатора; невысокая избирательность селектора (ширина линии излучения = 0,35 см^-1); необходимость специального выбора прикладываемых полей для устранения части излучения, не подвергающегося селекции λ > nd^.(1 + sin(θ); невозможность перестройки частоты излучения.

Значительными преимуществами по сравнению с описанной конструкцией лазера обладает конструкция второго типа, в которой селектирующим элементом служит тонкая пленка, являющаяся резонатором типа Фабри-Перо, связанным с основным резонатором лазера посредством дифракционной решетки [2]. Лазер содержит последовательно установленные сферическое металлическое полупрозрачное выходное зеркало, выполненное на оптически-прозрачной подложке, активный элемент в виде бруска из германия р-типа проводимости, плоскую дифракционную решетку, выполненную на оптически прозрачной подложке, тонкую пленку из тетрапентилхлорида и глухое металлическое зеркало. Плоская дифракционная решетка, отделенная от глухого металлического зеркала тонкой пленкой из тетрапентилхлорида толщиной l с показателем преломления n_трх по своей функции аналогична профильной дифракционной решетке глубиной l и выбирает длину волны излучения в соответствии с условием λ = =2ln_трх.

Недостатками данной конструкции лазера являются невозможность плавной перестройки частоты излучения; работа в многомодовом режиме генерации, что предопределяет недостаточно узкую ширину линии и нестрогий контроль центральной частоты в этой линии, а также слабую связь между различными частотами вследствие их пространственного разделения в активном элементе (последнее не позволяет подключать процессы частотной конкуренции и тем самым уменьшать потери интегральной мощности излучения от внесения внутрь резонатора селектирующего элемента); использование некристаллического (пленочного) материала внутри резонатора лазера, что приводит как к рассеянию излучения, так и к возможным отклонениям частей резонатора от единой оптической оси. Последнее существенно еще и потому, что приходится работать только с тонкими пленками, а это означает, что нельзя использовать высокие порядки резонатора Фабри-Перо для селекции и тем самым достичь более резких линий.

Целью изобретения является разработка непрерывно перестраиваемого полупроводникового лазера с узкой шириной линии генерации.

Для этого в полупроводниковом лазере дальнего ИК-диапазона, содержащем активный элемент в виде бруска из германия р-типа проводимости, установленный в резонаторе, образованном сферическим металлическим полупрозрачным выходным зеркалом на оптически прозрачной подложке и глухим металлическим зеркалом, а также плоскую дифракционную решетку, установленную между активным элементом и глухим зеркалом и выполненную на оптически прозрачной подложке, глухое зеркало установлено с возможностью перемещения вдоль оптической оси лазера на расстояние от дифракционной решетки, кратное половине генерируемой длины волны излучения, при этом боковые грани активного элемента и обеих оптически прозрачных подложек выполнены рассеивающими излучение, например шлифованными, а диаметр d сферического полупрозрачного выходного зеркала на оптически прозрачной подложке выбрано из соотношения:
d 0,5 где R (мм) - радиус кривизны сферического полупрозрачного выходного зеркала;
n - усредненный показатель преломления заполняющих резонатор элементов.

L(мм) - длина резонатора, мм.

Техническим результатом, который достигается в данном изобретении по сравнению с прототипом и позволяет решить поставленную задачу, является формирование в лазере контролируемого распределения поля излучения (моды резонатора) с управляемым параметром - длиной волны излучения.

Формирование такого распределения поля (моды резонатора) обеспечивается предлагаемой конструкцией частотно-селективного перестраиваемого резонатора, образованного двумя особым образом выполненными зеркалами, между которыми установлены оптические элементы, боковые поверхности которых приготовлены рассеивающими излучение. Последнее обстоятельство обеспечивает формирование резонатора открытого типа квазиоптического), в котором возможно существование только двух типов собственных мод: аксиальных и поперечных. Моды же полного внутреннего отражения в таком резонаторе не возбуждаются из-за потерь на рассеивающих излучение боковых поверхностях оптических элементов. Глухое зеркало резонатора совместно с плоской дифракционной решеткой, отстоящей от него на расстоянии h, образуют оконечное "состояние" зеркало, которое обеспечивает угловую дисперсию мод резонатора, в результате чего строго назад относительно "составного" зеркала отражается лишь мода, длина волны которой удовлетворяет условию резонанса h = m λ/2 в резонаторе типа Фабри-Перо, образованном поверхностью глухого зеркала и плоскостью дифракционной решетки. Это частотно-диспергированное излучение селектируется при отражении от второго зеркала резонатора - выходного сферического полупрозрачного зеркала со специально подобранным поперечным размером. Диаметр d зеркала подбирается из условия, чтобы в резонаторе лазера в качестве рабочей моды оставалась лишь одна аксиальная мода. Расчет, учитывающий среднее значение коэффициента усиления активной среды и методику оценки потерь в резонаторе, дает для рассматриваемого лазера следующее выражение для искомого диаметра d выходного зеркала:
d≅ 0,5 (мм) . В результате селекции в резонаторе остается лишь одна аксиальная мода с длиной волны, являющейся управляемым параметром, поскольку она задается расстоянием h между поверхностью глухого зеркала и плоскостью дифракционной решетки и выбирается пользователем произвольно.

Расчет зависимости потерь аксиальных мод за один проход в описанном резонаторе показывает, что ширина линии излучения, определяемая добротностью резонатора, должна быть порядка 1 см^-1. Различие в показателях преломления n₂ оптически прозрачной подложки и n₁ среды зазора n₂ > n₁ приводит к обужению углового размера рабочей моды резонатора в n₂/n₁ раз, а следовательно, и к повышению избирательности зеркала. Более узкие линии излучения получаются и в случае работы лазера на более высоких порядках m резонанса длины волны с оптической длиной зазора h, что является существенным положительным отличием предлагаемой конструкции от прототипа.

Кроме того, как показывает эксперимент, предлагаемый полупроводниковый лазер на горячих носителях заряда обеспечивает в нелинейном режиме генерации дополнительное обужение спектра излучения по сравнению с расчетом "холодного" резонатора. Это обусловлено тем, что работа на аксиальном типе мод позволяет максимально увеличить связь в активном элементе между аксиальными модами вследствие их пространственного подобия, что приводит к значительному (по сравнению с расчетом "холодного" резонатора) обужению спектра (до 0,01 см^-1) и росту спектральной интенсивности в линии излучения (порядка 10³ раз относительно неселективности резонатора) при почти полном сохранении интегральной интенсивности излучения. Эти эффекты качественно отличают предлагаемую конструкцию лазера от описанной в прототипе.

Управление длиной волны излучения в пределах диапазона активности лазера осуществляется с помощью плавно перестраиваемого "составного" зеркала за счет перемещения плоскости глухого зеркала вдоль оптической оси резонатора на расстояние h относительно плоскости дифракционной решетки, кратное половине длины волны λ/2 излучения. При этом в нелинейном режиме работы лазера в нем остается лишь одна аксиальная мода длиной волны λ.

На чертеже представлена предлагаемая конструкция полупроводникового лазера, продольное сечение.

Лазер содержит активный элемент 1 из монокристаллического германия р-типа проводимости, выполненный в виде бруска и установленный в резонаторе, образованном сферическим металлическим полупрозрачным выходным зеркалом 2, нанесенным на поверхность оптически прозрачной подложки из чистого кремния и глухим металлическим зеркалом 3, в качестве которого используется плоский полированный торец металлического поршня 4, установленного с возможностью перемещения вдоль оптической оси лазера. Между активным элементом 1 и глухим зеркалом 3 установлена плоская металлическая дифракционная решетка 5, выполненная в виде металлических полосок, нанесенных на одну из двух торцевых полированных поверхностей оптически прозрачной подложки из чистого кремния, обращенную к зеркалу 3. Боковые поверхности обеих оптически прозрачных подложек для зеркала 2 и решетки 5, а также боковые грани активного элемента 1 выполнены шлифованными, т.е. рассеивающими излучение. При этом полупрозрачное выходное сферическое зеркало 2 изготовлено так, что металлическое покрытие на сферическом торце подложки занимает лишь центральную часть торца, т.е. зеркало 2 выполнено с ограничением его поперечного размера. Диаметр зеркала 2 выбирается из соотношения
d≅ 0,5 (мм).

Остальные элементы конструкции лазера, приведенные на чертеже, в основном обеспечивают установку и прецизионное перемещение глухого подвижного зеркала 3, выполненного в виде торца поршня 4. Поступательное перемещение поршня 4 (зеркала 3) задается вращением трубки 6, которое преобразуется в поступательное движение толкателя 7 через винт малого шага 8. Муфта 9 связана резьбой с пеналом 10 поршня 4 и обеспечивает крепление всего узла к корпусу сверхпроводящего магнита 11. Пружина 12 обеспечивает обратный ход поршня 4, а пружина 13 - поджим элементов резонатора в пенале 10 через муфту 14 и изолятор 15. Винт 16 регулирует силу этого крепления. Вся эта система через корпус магнита 11 посредством соединяющего фланца 17 крепится к несущей трубке 18, служащей одновременно и световодом. Сальник 19 обеспечивает скольжение трубки 6.

Для обеспечения рабочих условий лазера описанная система погружается в криостат с жидким гелием (на чертеже не представлен), магнит 11 запитывается током, на активный элемент 1 из р-германия подаются импульсы напряжения. Система компактна, проста в эксплуатации. Сам процесс генерации осуществляется так же, как и в прототипе и во всех известных лазерах данного типа.

В конкретном примере реализации активный элемент 1 представляет собой брусок pазмеpами 5х7х52 мм³ из монокристаллического германия марки ГДГ 40 дБ - (3) р-типа проводимости с концентрацией носителей 7˙10¹³см^-3. Выходное полупрозрачное сферическое зеркало 2 выполнено из алюминия, напыленного на подложку в виде цилиндра диаметром 9 мм из монокристаллического кремния марки БКДБ-1БВ/30. Коэффициент пропускания металлизированной части зеркала на длине волны 100 мкм равен 0,4%, диаметр этой же части составляет 3,8 мм. Радиус кривизны сферической поверхности R = 200 мм. Глухое зеркало 3 представляет плоскую полированную поверхность двух коаксиальных цилиндров из бериллиевой бронзы диаметрами 9 и 6 мм, вложенных друг в друга и способных перемещаться относительно друг друга наподобие поршня. Дифракционная решетка 5 представляет собой систему параллельных полосок шириной 250 мкм с периодом 500 мкм из алюминия, напыленного на один из плоских полированных торцов подложки в виде цилиндра диаметром 9 мм из монокристаллического кремния марки БКДБ-1БВ/30.

Использование подобной конструкции резонатора позволило обузить полосу генерации лазера на l-h переходах до линии шириной не более 0,005 см^-1 (150 МГц) по уровню половинной мощности, что является пределом разрешения использовавшегося спектрального прибора, и перестраивать эту линию практически в пределах коэффициента усилений лазера от 70 до 140 см^-1 (2,1-4,2 ТГц), что несколько шире диапазона частот обычных неселективных лазеров. Сохранение значительной части интегральной мощности излучения (единицы ватт) в резонансной линии является определяющим фактором для преимущественного использования описанного лазера по сравнению с остальными типами лазеров на горячих носителях в дальнем ИК-диапазоне.

Предлагаемая конструкция квазиоптического перестраиваемого селективного резонатора может быть использована для любых твердотельных сред, активных в широком диапазоне длинноволнового инфракрасного излучения.

Использование: лазерная техника дальнего ИК-диапазона, спектроскопия твердого тела, плазма газов и т.д. Сущность изобретения: в полупроводниковом лазере дальнего ИК-диапазона на горячих носителях, содержащем активный элемент 1 в виде бруска из германия p-типа проводимости, установленном в резонаторе, образованном сферическим металлическим полупрозрачным выходным зеркалом 2 на оптически прозрачной подложке и глухим металлическим зеркалом 3, установленным с возможностью перемещения вдоль оптической оси лазера на расстояние, кратное половине генерируемой длины волны излучения от дифракционной решетки 5, установленной между активным элементом 1 и глухим зеркалом 3 на оптически прозрачной подложке 4, боковые грани активного элемента 1 и обеих оптически прозрачных подложек выполнены рассеивающими излучение, а диаметр d полупрозрачного выходного зеркала 2 связан с его радиусом кривизны R и длиной резонатора L расчетным соотношением. 1 ил.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР ДАЛЬНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА НА ГОРЯЧИХ НОСИТЕЛЯХ, содержащий активный элемент в виде бруска из германия p-типа проводимости, установленный в резонаторе, образованном сферическим металлическим полупрозрачным выходным зеркалом на оптически прозрачной подложке и глухим металлическим зеркалом, а также плоскую дифракционную решетку, установленную между активным элементом и глухим зеркалом и выполненную на оптически прозрачной подложке, отличающийся тем, что глухое зеркало установлено с возможностью перемещения вдоль оптической оси лазера на расстояние от дифракционной решетки, кратное половине генерируемой длины волны излучения, при этом боковые грани активного элемента и обеих оптически прозрачных подложек выполнены рассеивающими излучение, например шлифованными, а диаметр d сферического полупрозрачного выходного зеркала на оптически прозрачной подложке выбран из соотношения
d 0,5
где R - радиус кривизны сферического полупрозрачного выходного зеркала, мм;
n - усредненный показатель преломления заполняющих резонатор элементов;
L - длина резонатора, мм.