ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1995 года по МПК H01S3/18 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к полупроводниковым лазерам, и может быть использовано в оптических запоминающих устройствах (ОЗУ), проекционных устройствах, медицинских гастроскопических устройствах.

Известен полупроводниковый лазер, возбуждаемый электронным пучком [1] состоящий из электронно-лучевой трубки, формирующей остросфокусированный электронный пучок (10-30 мкм), лазерного экрана, выполненного в виде полупроводникового активного элемента с нанесенными на его поверхности зеркалами и закрепленного на прозрачном сапфировом хладопроводе. При возбуждении электронным пучком активного элемента в нем возникает лазерное излучение, которое используют для записи и считывания информации в ОЗУ на основе МНОП-структуры. Использование лазерной электронно-лучевой трубки позволяет создать ОЗУ с емкостью 10⁹-10¹⁰ бит и скоростью выборки информации объемом 10⁹-10¹⁰ за 50 мкс.

Однако данный лазер имеет недостаток большую расходимость излучения. Это приводит к необходимости использовать дорогостоящие длиннофокусные широкоапертурные объективы. Трудно увеличить емкость ОЗУ, так как для этого требуется увеличение мощности излучения с излучающего элемента лазера, что требует в свою очередь увеличения диаметра электронного пучка и увеличения лазерного экрана.

Наиболее близким к предлагаемому является полупроводниковый лазер [2] представляющий собой активный элемент в виде полупроводниковой пластины, закрепленной на торце жгута волоконно-оптических световодов (ВС). На свободные торцы жгута и поверхность активного элемента нанесены отражающие покрытия. Длина L_о световодов между зеркалами удовлетворяет условию:
d² λ≅ L_о<0,5( τ_и+ τ_ж)V, где d диаметр ВС;
λ длина волны генерации;
τ_ж время жизни неравновесных носителей заряда;
τ_и длительность импульса возбуждения;
V скорость распространения основной моды в ВС.

Лазер имеет расходимость излучения на уровне дифракционного предела, соответствующего расходимости основной моды ВС. Разрешение лазера определяется большей из величин диаметра электронного пучка и диаметра ВС. Для увеличения яркости элемента изображения необходимо увеличивать диаметр электронного пучка и активного элемента соответственно. Это в свою очередь ведет к увеличению апертуры оптической проецирующей системы. В описанном лазере существует оптимальное соотношение между размерами активного элемента, диаметром электронного пучка, ВС и скоростью сканирования электронного пучка. В связи с этим при необходимости изменить размер изображения или уменьшить расходимость излучения требуется изменение как конструкции ЭЛТ, так и лазерного экрана в плане их совокупной оптимизации.

Цель изобретения изменение размера элемента изображения без снижения мощности излучения и упрощение проецирующей системы.

Для достижения поставленной цели полупроводниковый лазер состоит из активного элемента в виде полупроводниковой пластины, закрепленной на торце жгута волоконно-оптических световодов длиной L_о между зеркалами и удовлетворяющей условию:
L_о<0,5( τ_и+ τ_ж)V, где τ_ж время жизни неравновесных носителей заряда;
τ_и длительность импульса возбуждения;
v скорость распространения основной моды в ВС, при этом одно зеркало резонатора закреплено на свободной поверхности полупроводниковой пластины, волоконно-оптические световоды состоят по длине из трех, плавно переходящих друг в друга первой регулярной части длиной L₁ с радиусом основной моды а₁, второй регулярной части длиной L₂с радиусом основной моды а₂ и плавной переходной части между ними длиной L, в которой радиус основной моды а плавно меняется от а₁ до а₂, причем скорость изменения радиуса основной моды v удовлетворяет условию: v= da/dL ≅0,01, а длина первой и второй регулярных частей удовлетворяет условию:
L_i>4a_i²/ λ i=1;2,
где a_i радиус основной моды;
λ длина волны генерации;
L_i длина регулярной части ВС, полупроводниковый активный элемент закреплен на перпендикулярных оптическим осям полированных торцах первой регулярной части, а длина волоконно-оптического световода между зеркалами L_о удовлетворяет условию:
L_o>4a_i²/ λ
Для упрощения технологии изготовления полупрозрачное зеркало резонатора нанесено на торец второй регулярной части световода длиной L₂.

Для снижения порога генерации и увеличения яркости полупрозрачное зеркало резонатора нанесено на поверхность одного из торцов, образованных зазором в первой регулярной части волоконно-оптического световода, перпендикулярного к оптической оси резонатора.

Для улучшения однородности изображения на вторую систему торцов в зазоре наносят просветляющее покрытие.

На фиг. 1-3 показана схема лазера.

Лазер содержит глухое зеркало 1, активный элемент 2, клеевой слой 3, первую регулярную часть ВС 4, плавную переходную область 5, вторую регулярную часть ВС 6, полупрозрачное зеркало 7, зазор 8, первую систему торцов 9, вторую систему торцов 10, жгут ВС 11 и просветляющее покрытие 12.

Активный элемент 2 лазера закреплен на торце жгута ВС 11. Жгут набран из ВС, имеющих три части: первую регулярную часть 4, на которой радиус основной моды ВС постоянен и равен а₁, плавную переходную область 5, на которой радиус основной моды плавно меняется от а₁ до а₂, вторую регулярную часть 6, на которой радиус основной моды постоянен и равен а₂. На поверхность полупроводникового элемента нанесено глухое зеркало 1. Полупрозрачное зеркало 7 нанесено на выходные торцы жгута ВС.

На фиг. 2 и 3 показан лазер, у которого для уменьшения потерь в резонаторе, снижения порога генерации и повышения КПД лазера на первой регулярной части ВС имеется зазор 8, в котором торцы перпендикулярны к оптическим осям, а соответствующие отрезки ВС соосны. В зазоре имеется две системы торцов 9 и10, первая на концах отрезков, на которых закреплен активный элемент 2, а вторая относится к отрезкам ВС с плавной переходной частью. На торцы, относящиеся к одной из этих систем, наносят полупрозрачное зеркало 7.

Лазер работает следующим образом.

При возбуждении электронным пучком активного элемента 2 в нем образуется усиливающаяся среда, в результате чего в резонаторе, образованном зеркалами 1 и 7, возникает генерация. Лазер устроен таким образом, что у него в резонаторе имеется два селектирующих элемента зазор между глухим зеркалом и торцами ВС и плавная переходная область. Чем выше номер моды, тем сильнее ее потери. Это приводит к увеличению потерь и селекции мод. Наличие зазора также приводит к увеличению потерь с ростом номера моды. В результате минимальными потерями обладает основная мода первой регулярной части ВС. При отсутствии резких скачков на границе переходной части эта мода без потерь преобразуется в основную моду второй регулярной части ВС. В результате в резонаторе устанавливается высокодобротный поперечный тип колебаний. При этом размер элемента изображений определяется радиусом основной моды и диаметром второй регулярной части ВС. Эффективность лазера в работе будет определяться потерями в переходной части и потерями в зазорах. Зазор между торцами ВС и глухим зеркалом определяется толщиной активного элемента и не может быть меньше, чем она. По возможности его выбирают минимальным. Аналогично зазор в первой регулярной части выбирают минимальным. Его роль сводится к эффективному уменьшению коэффициента отражения глухого зеркала и при выполнении условия соосности ВС в зазоре и параллельности их торцов при отношении Z/a<30, где Z расстояние между торцами, его влиянием можно пренебречь. Существенный вклад в потери может дать плавная переходная часть.

Это связано с тем, что при изменении сечения ВС происходит перераспределение энергии моды в другие моды. Однако, как показывают расчеты, если скорость изменения радиуса основной моды мала и не превышает v≅0,01, а резкие скачки отсутствуют, то происходит преобразование основной моды первой регулярной части ВС в основную моду второй регулярной части ВС практически без потерь. Это позволяет изменить размер элемента изображения без потери яркости и выходной мощности. При необходимости сохранить координатное сопряжение изображений выходные торцы собирают в плотно упакованный жгут. Так как диаметры торцов жгута разные, при минимальной длине ВС периферийные ВС будут длиннее. Кроме того, периферийные ВС будут изогнуты и радиус кривизны будет уменьшаться при удалении от центра торца жгута. Наличие кривизны ВС приводит к взаимодействию мод и появлению потерь. Причем, чем радиус кривизны меньше, тем эти потери значительнее. Избежать их можно, увеличивая длину ВС и радиус кривизны.

Для понижения порога генерации целесообразно в первой регулярной части ВС сделать зазор, отделяющий резонатор от плавной переходной части. Отрезки ВС в зазоре соосны, а их торцы перпендикулярны к оптическим осям. В зазоре образуется две системы торцов одна относится к отрезкам ВС, на которых закреплен активный элемент, а другая к отрезкам, включающим плавную переходную область. Полупрозрачное зеркало наносят на одну систему торцов в зазоре. Так как неизбежна разнотолщинность зазора, резонатор Фабри-Перо, образованный полупрозрачным зеркалом и второй системой торцов в зазоре, может модулировать коэффициент отражения полупрозрачного зеркала, что приведет к неоднородности излучения по торцу жгута. Для уменьшения влияния дополнительного отражения на свободную систему торцов ВС в зазоре наносят просветляющее покрытие. С этой же целью на выходные торцы второй регулярной части ВС наносят просветляющее покрытие. Покрытия наносят на длину волны генерируемого излучения. Указанная конструкция обладает тем преимуществом, что ограничения на длину ВС накладываются на ту часть первой регулярной части ВС, которая входит в состав резонатора, а плавная переходная часть и вторая регулярная части ВС могут быть произвольной длины, наиболее удобной для работы.

При необходимости улучшить диаграмму направленности при заданном разрешении и размере активного элемента а₁<а₂.

П р и м е р 1. Полупроводниковый активный элемент из CdS толщиной 40 мкм и диаметром 50 мм закрепляют клеем ОК-72 на жгут ВС. Диаметр ВС на первой регулярной части d₁=7 мкм, апертура ВС 0,8-0,89. На второй регулярной части диаметр ВС выбирают из соотношения:
a₂=(F λ /N)^0,5,
где F расстояние от выходного торца жгута ВС до оптической проецирующей системы;
N число ВС на диаметре жгута.

Так как апертура ВС большая, радиус основной моды приблизительно равен а= 0,4d. Диаметр ВС на второй регулярной части в соответствии с зависимостью d₂= 3 мкм. Длина первой регулярной части 2 мм, второй регулярной части 2 мм, плавной переходной области L>20 мм. Минимальная длина ВС должна быть больше величины N(d₂-d₁), чтобы торцы жгута лежали в плоскости и были плотно упакованными. Наличие регулярной первой и второй частей позволяет собрать ВС в жгут и обработать торцы ВС перпендикулярно их оптическим осям. На активный элемент наносят глухое серебряное зеркало, а на выходной торец жгута полупрозрачное диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения 80% Изготовленный таким образом лазер имеет диаметр выходного торца приблизительно 20 мм. Расходимость излучения соответствует расходимости основной моды второй регулярной части ВС. Это позволяет использовать объектив апертурой 40 мм при фокусном расстоянии 140 мм, а у прототипа при тех же параметрах ВС необходима апертура объектива 60 мм.

П р и м е р 2. Конструкция лазера показана на фиг. 2. Активный элемент из CdSSe диаметром 50 мм закреплен клеем ОК-72 на полированном торце жгута ВС. ВС, из которых набран жгут, имеют первую и вторую регулярные части с радиусом основной моды 20 и 2,5 мкм и диаметром ВС 50 и 7 мкм соответственно. На диаметре жгута имеется 1000 элементов (ВС). Длина первой регулярной части 20 мм, второй регулярной части 200 см. Между первой и второй регулярными частями ВС имеется плавная переходная область, в которой радиус основной моды плавно меняется от 20 до 2,5 мкм. Длина переходной области 5 см. Апертура первой регулярной части ВС 0,17. На первой регулярной части ВС имеется зазор толщиной 5 мкм на расстоянии 10 мм от торцов ВС, на которых закреплен активный элемент. На вторую систему торцов в зазоре нанесено диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения 85% Зазор заполнен оптическим клеем ОК-72, играющим роль просветляющего покрытия и скрепляющего отрезки ВС. На выходные торцы второй регулярной части ВС нанесено диэлектрическое просветляющее покрытие на длину волны 620 нм. Лазер возбуждает электронным пучком диаметром 45 мкм с энергией электронов накачки 60 кэВ, током накачки до 4 мА. Лазер работает в режиме импульсного возбуждения, соосным с ВС электронным пучком, либо в режиме импульсного сканирования электронного пучка. Выходная проецирующая система имеет апертуру 17 мм, а расстояние до нее от выходного торца 10 мм. Такое лазер может быть использован в медицине в качестве гастроскопа для зондажа, получения изображения на мониторе и лечения лазерным излучением. Импульсная мощность с элемента может достигать 10-15 Вт. Длина волны генерации зависит от материала активного элемента. При изменении материала активного элемента необходимость вносить коррективы в полосу пропускания зеркал и просветляющего покрытия.

П р и м е р 3. Три активных элемента из ZnCd, CdS, CdSSe диаметром 50 мм закрепляют клеем ОК-72 на трех жгутах ВС. Общая длина каждого жгута 2 м. На диаметре жгута размещено 1400 ВС. Каждый ВС имеет первую и вторую регулярные части ВС и плавную переходную часть между ними. На первой регулярной части ВС имеют зазор шириной 5 мкм. На первую систему торцов в зазоре нанесено полупрозрачное зеркало с коэффициентом отражения 92% Радиус основной моды первой регулярной части ВС 20 мкм, второй 6 мкм. Апертура первой регулярной части ВС 0,2. Длина отрезка первой регулярной части между торцом и зазором 10 мм. Длина плавной переходной части 100 см. Концы ВС, соответствующие второй регулярной части, с разных жгутов собирают в координатно-сопряженные тройки, трехцветные триады, отвечающие одноименному элементу изображения в разных цветах, а затем собирают в единый жгут с плоским торцом, сохраняя координатное соответствие изображению первой регулярной части ВС. На вторую систему торцов и на выходные торцы второй регулярной части ВС нанесены просветляющие покрытия на соответствующие длины волн генерации. На активный элемент наносят глухое серебряное отражающее покрытие. Диаметр излучающего торца будет 25 мм, апертура оптической проецирующей системы 35 мм, мощность излучения 5-15 Вт суммарная в трех цветах. Возбуждение осуществляют электронным пучком диаметром 50 мкм, ускоряющее напряжение 60-75 кэВ. Проектор обеспечивает разрешение, соответствующее второму телевизионному стандарту.

Использование: оптоэлектроника, проекционные устройства, медицина. Сущность: полупроводниковый лазер содержит жгут волоконно-оптических световодов (ВС) с полированными торцами, перпендикулярными к оптическим осям ВС, имеющих первую и вторую регулярные части с диаметром основной моды a₁ и a₂ и длиной и соответственно и плавную переходную область между ними. Причем скорость изменения радиуса основной моды на плавной переходной области удовлетворяет соотношению: где L - длина плавной переходной области; полупроводниковый активный элемент закреплен на торцах первой регулярной части ВС. Зеркала резонатора нанесены на свободную поверхность активного элемента и жгута ВС. Длина ВС между зеркалами удовлетворяет условию: где λ - длина волны генерации; t_ж - время жизни неравновесных носителей заряда; τ_и - длительность импульса возбуждения. Для уменьшения порога генерации на первой регулярной части ВС делают зазор, образующий две системы торцов, перпендикулярных к оптическим осям ВС, а соответствующие ВС - соосны. Полупрозрачное зеркало наносят на одну из систем торцов в зазоре. 3 ил.

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР, включающий активный элемент в виде полупроводниковой пластины, закрепленный на торце жгута волоконно-оптических световодов ((ВС) длиной L₀ между зеркалами, удовлетворяющей условию
L_o<(τ_и+τ_ж)/(2v),
где τ_ж время жизни неравновесных носителей заряда;
τ_и длительность импульса возбуждения;
v скорость распространения основной моды в ВС,
при этом одно из зеркал резонатора закреплено на свободной поверхности полупроводниковой пластины, отличающийся тем, что, с целью изменения размера элемента и изображения без снижения мощности излучения, упрощения проецирующей системы, волоконно-оптические световоды состоят по длине из трех плавно переходящих одна в другую первой регулярной части длиной L₁ с радиусом основной моды a₁, второй регулярной части длиной L₂ с радиусом основной моды a₂ и плавной переходной части между ними длиной L, в которой радиус основной моды a плавно меняется от a₁ до a₂, причем скорость ν изменения радиуса основной моды удовлетворяет условию

а длины первой и второй регулярных частей удовлетворяют условию
L_i > 4a2i

/λ,
i=1,2,
где a_i радиус основной моды;
λ длина волны генерации;
L_i длина регулярной части ВС,
полупроводниковый активный элемент закреплен на перпендикулярных оптическим осям полированных торцах первой регулярной части, а длина L₀ волоконно-оптического световода между зеркалами удовлетворяет условию
L_o > 4a21/λ.
2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что полупрозрачное зеркало резонатора нанесено на торец второй регулярной части световода длиной L₂. 3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что полупрозрачное зеркало резонатора нанесено на поверхность одного из торцов, образованных зазором, в первой регулярной части волоконно-оптического световода, перпендикулярного оптической оси резонатора.