АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА С ПОПЕРЕЧНОЙ НАКАЧКОЙ ВОЗБУЖДАЮЩИМ ПУЧКОМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК H01S5/10 

Изобретение относится к области квантовой электроники, а более конкретно к полупроводниковым лазерам с поперечной накачкой возбуждающим пучком, которые могут быть использованы при создании лазерных систем для интерферометрии, систем посадки летательных аппаратов, дальномерии, мониторинга окружающей среды, медицины и т.д.

Известен активный элемент полупроводникового лазера с поперечной накачкой возбуждающим пучком /Богданкевич О.В., Дарзнек С.А., Елисеев П.Г. Полупроводниковые лазеры. М. , Наука, 1975/ [1], представляющий собой прямоугольный параллелепипед из полупроводникового материала с плоскопараллельными боковыми гранями, образующими оптический резонатор. Грань параллелепипеда, перпендикулярная этим поверхностям, облучается возбуждающим пучком, в частности электронным или оптическим; противоположной гранью параллелепипед укрепляется (припаивается, приклеивается) на хладопроводе.

Недостатком известного активного элемента является недостаточно высокая эффективность его генерации, особенно при необходимости получить высокую мощность генерируемого излучения. Это обусловлено тем, что коэффициент нерезонансных потерь в полупроводниковых материалах на длине волны генерации составляет относительно большую величину (как правило, десятки обратных сантиметров). В связи с этим, чтобы уменьшить влияние внутренних потерь для достижении предельной эффективности генерации, приходится использовать малые (десятые и сотые доли миллиметра) длины резонаторов. С другой стороны, так как потери излучения, связанные с выходом излучения из резонатора, являются фиксированными, с уменьшением длины активной области в резонаторе возрастает порог генерации. Таким образом, требования достижения высокой эффективности и низкого порога генерации находятся в противоречии друг с другом. Это приводит к необходимости выбора оптимальной длины резонатора, при которой эффективность достигает максимума, но и при этом она далека от максимально возможной.

Другим недостатком известных активных элементов является высокая вероятность разрушения резонаторных граней собственным излучением активных элементов при высокой мощности излучения лазера из-за того, что излучение выходит через относительно небольшую часть зеркал резонатора активного элемента, прилегающую к возбуждаемой поверхности. Площадь этой части ограничена глубиной возбужденной области полупроводника по одной из координат и шириной возбужденной области (шириной возбуждающего пучка) - по другой. Во избежание разрушения резонаторных граней для получения большой мощности излучения может быть использован возбуждающий пучок больших размеров, однако возможность такого увеличения ограничена длиной резонатора в направлении его оптической оси (в противном случае часть мощности пучка пропадет впустую) и увеличением потерь на усиление спонтанного излучения в направлении длинной стороны параллелепипеда, что также снижает эффективность генерации. Для предотвращения усиления спонтанного излучения в направлении длинной стороны параллелепипеда на возбуждаемой поверхности формируются канавки, параллельные оси резонатора лазера, глубиной не менее, чем глубина возбуждения материала параллелепипеда. В частности, при электронном возбуждении эта глубина возбуждения определяется глубиной проникновения электронов в полупроводник, значения которой зависят от энергии электронов и полупроводникового материала, и, например, для полупроводниковых кристаллов CdS, GaAs при энергии пучка 30-40 кэВ эти значения составляют примерно 3-4 мкм. Однако формирование канавок также снижает эффективность и мощность генерации, поскольку часть активного элемента под канавкой является неработоспособной, и это приводит к бесполезной потере части мощности возбуждающего пучка.

Эти недостатки частично устранены в многоэлементном активном элементе ступенеобразного вида, в которой набор обычных активных элементов, представляющих собой длинные прямоугольные параллелепипеды, укрепляется на общем хладопроводе таким образом, что одна из резонаторных граней одного из параллелепипедов лежит в плоскости, противоположной резонаторной грани соседнего параллелепипеда, а плоскость грани первого из упомянутых параллелепипедов, которой он укрепляется на хладопроводе, совпадает с плоскостью грани соседнего параллелепипеда, облучаемой возбуждающим пучком, или даже находится ниже нее. Благодаря такой конструкции большое количество независимо излучающих обычных активных элементов, описанных в [1], одновременно возбуждается пучком большого сечения, при этом ни возбуждению пучком, ни выходу излучения каждого из них соседние элементы не мешают. С помощью таких конструкций получены световые импульсы мощностью в несколько мегаватт /О.В. Богданкевич, М.М. Зверев, А.Н. Мествиришвили, А.С. Насибов, А.Н. Печенов, А. И. Свиненков, К.П. Федосеев. Мощный полупроводниковый квантовый генератор с накачкой электроннным пучком. Квантовая электроника, N 2, 1971, стр. 92-93./ [2] . В такой конструкции мощность излучения является результатом некогерентного суммирования полей излучения отдельных активных элементов, а такие параметры, как порог генерации и эффективность, определяются индивидуальными характеристиками каждого из них и не зависят друг от друга. Для предотвращения усиления спонтанного излучения в направлении длинной стороны параллелепипеда на возбуждаемой поверхности формируются канавки, параллельные оси резонатора лазера, глубиной не менее, чем глубина возбуждения материала параллелепипеда, как и в [1]. Описанный многоэлементный активный элемент является ближайшим аналогом к предлагаемому.

Недостатком описанного активного элемента являются недостаточно высокие значения эффективности и мощности излучения, высокие значения порога генерации и расходимости излучения. Полученные к настоящему времени значения эффективности генерации многоэлементных полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком составляют не более 2-4% [2], что значительно ниже предельного значения.

В изобретении решается задача повышения эффективности и мощности излучения, снижения порога генерации и расходимости излучения многоэлементных активных элементов полупроводниковых лазеров с поперечной накачкой возбуждающим пучком.

Задача решается тем, что в активном элементе полупроводникового лазера с поперечной накачкой возбуждающим пучком, выполненном в виде набора ступенеобразно размещенных на общем хладопроводе прямоугольных параллелепипедов из полупроводникового материала, две параллельные грани каждого из которых образуют оптический резонатор, возбуждаемая поверхность им перпендикулярна, а резонаторные грани всех параллелепипедов из набора параллельны между собой, расстояние между плоскостями, в которых лежат возбуждаемые грани соседних параллелепипедов, меньше глубины зоны резонаторной грани параллелепипеда, из которой выходит лазерное излучение.

Задача решается тем, что в активном элементе полупроводникового лазера с поперечной накачкой возбуждающим пучком, выполненном в виде набора ступенеобразно размещенных на общем хладопроводе прямоугольных параллелепипедов из полупроводникового материала, две параллельные грани каждого из которых образуют оптический резонатор, возбуждаемая поверхность им перпендикулярна, а резонаторные грани всех параллелепипедов из набора параллельны между собой, в каждом из параллелепипедов со стороны возбуждаемой пучком поверхности выполнены эквидистантные канавки, глубина которых превышает глубину проникновения возбуждающего пучка в материал параллелепипеда, расстояние между плоскостями, в которых лежат возбуждаемые грани соседних параллелепипедов, меньше глубины зоны резонаторной грани параллелепипеда, из которой выходит лазерное излучение, параллелепипеды расположены друг относительно друга таким образом, что канавки одного из параллелепипедов находятся на половине расстояния между канавками соседнего параллелепипеда.

Задача решается также тем, что канавки заполняются поглощающим материалом.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-5.

На фиг. 1 схематически изображен в разрезе первый вариант предлагаемого активного элемента, где:
1 - хладопровод;
2 - полупроводниковые параллелепипеды;
3 - резонаторные грани;
4 - возбуждаемая грань;
5 - зона резонаторной грани параллелепипеда, из которой выходит лазерное излучение;
6 - возбуждающий пучок.

На фиг. 2 схематически изображен вариант предлагаемого активного элемента с разделительными канавками на возбуждаемых гранях, где:
1 - хладопровод;
2 - полупроводниковые параллелепипеды;
3 - резонаторные грани;
4 - возбуждаемая грань;
5 - зона резонаторной грани параллелепипеда, из которой выходит лазерное излучение;
6 - возбуждающий пучок;
7 - канавки.

На фиг. 3 представлена зависимость порога генерации от количества N связанных параллелепипедов при разных значениях коэффициента оптической связи β между параллелепипедами, показывающего, какая часть излучения одного из параллелепипедов попадает в соседний параллелепипед

где Z - расстояние между плоскостями, в которых лежат возбуждаемые грани соседних параллелепипедов,
Z₀ - глубина зоны резонаторной грани параллелепипеда, из которой выходит лазерное излучение.

На фиг. 4 представлена зависимость выходной мощности от количества связанных полупроводниковых параллелепипедов, полученная при экспериментальных исследованиях многоэлементного активного элемента согласно предлагаемому изобретению.

На фиг. 5 представлены диаграммы направленности (распределения угловой плотности излучения) лазера с активным элементом согласно предлагаемому изобретению при разном количестве связанных полупроводниковых параллелепипедов.

Активный элемент полупроводникового лазера (фиг. 1) представляет собой набор ступенеобразно размещенных на общем хладопроводе 1 прямоугольных параллелепипедов 2 из полупроводникового материала, две параллельные грани каждого из которых образуют резонаторные грани 3 оптического резонатора, возбуждаемая грань 4 им перпендикулярна. Резонаторные грани всех параллелепипедов из набора параллельны между собой. Расстояние между плоскостями, в которых лежат возбуждаемые грани соседних параллелепипедов, не превышает глубины зоны 5 резонаторной грани параллелепипеда, из которой выходит лазерное излучение при накачке возбуждающим пучком 6.

Во втором варианте предлагаемого активного элемента (фиг. 2) для предотвращения усиления спонтанного излучения в направлении длинной стороны параллелепипеда в каждом из параллелепипедов со стороны возбуждаемой пучком грани выполнены эквидистантные канавки 7, глубина которых превышает глубину проникновения возбуждающего пучка в материал параллелепипеда, параллелепипеды расположены друг относительно друга таким образом, что канавки одного из параллелепипедов находятся на половине расстояния между канавками другого параллелепипеда. Канавки могут быть заполнены поглощающим материалом.

Устройство работает следующим образом.

При накачке возбуждающим пучком 6 предлагаемого активного элемента в возбужденной области каждого из параллелепипедов 2, прилегающей к возбуждаемой грани 4, генерируется лазерное излучение, выходящее через зону 5. Благодаря тому, что расстояние между плоскостями, в которых лежат возбуждаемые грани соседних параллелепипедов, меньше глубины зоны резонаторной грани параллелепипеда, из которой выходит лазерное излучение, часть излучения каждого параллелепипеда выходит за его пределы, внося вклад в выходное излучение всего активного элемента. Другая часть излучения попадает в соседний параллелепипед. Таким образом, в каждом параллелепипеде под воздействием накачки, кроме собственного спонтанного излучения, присутствует излучение соседнего параллелепипеда. Фактически, каждый параллелепипед предлагаемого активного элемента является регенеративным усилителем излучения соседнего параллелепипеда. Такая система обладает более низким порогом генерации по сравнению с порогом генерации активного элемента, включающего один параллелепипед. Порог генерации устройства будет определяться не только параметрами каждого параллелепипеда, но и величиной оптической связи между ними. По мере увеличения количества связанных параллелепипедов порог генерации уменьшается, причем уменьшение происходит тем больше, чем больше величина оптической связи между ними. Снижение порога приводит к увеличению эффективности генерации, а следовательно, и мощности генерации. При этом увеличение количества параллелепипедов позволяет пропорционально увеличить площадь сечения выходного торца устройства. На фиг. 4 представлена экспериментальная зависимость выходной мощности от количества связанных параллелепипедов. Использовались монокристаллы CdSSe, длина резонатора каждого лазера равнялась 0.7 мм. Для накачки использовался электронный пучок с энергией 300 кэВ при длительности импульса 1 нс. Величина коэффициента связи в экспериментах составляла около 0,5. Видно, что уже при увеличении числа элементов от 2 до 3 происходит рост выходной мощности более чем на порядок, что связано с уменьшением порога генерации за счет оптической связи между параллелепипедами.

Возможны различные варианты конкретной реализации лазера с предлагаемым активным элементом. В одном варианте (фиг. 1) накачка производится возбуждающим пучком ленточного профиля (электронным или оптическим), которым облучаются все параллелепипеды активного элемента, в этом случае возможно использовать режим сканирования по активному элементу для увеличения средней мощности.

В другом варианте (фиг. 2) накачка производится возбуждающим пучком (электронным или оптическим) квадратного или круглого профиля, поперечный размер которого выбирается равным размеру описанного выше предлагаемого активного элемента В этом варианте на возбуждаемой пучком грани каждого из параллелепипедов выполнены эквидистантные канавки, глубина которых превышает глубину проникновения возбуждающего пучка в материал параллелепипеда, параллелепипеды расположены друг относительно друга таким образом, что канавки одного из параллелепипедов находятся на половине расстояния между канавками другого параллелепипеда. Тем самым обеспечивается проникновение части оптического излучения каждого параллелепипеда в два соседних.

Увеличение длины активного элемента и синхронизация полей излучения всех параллелепипедов позволяет существенно сузить диаграмму направленности лазерного излучения предлагаемого активного элемента. Это существенно упрощает и улучшает параметры оптических систем для таких лазеров и расширяет сферу их применения.

Изобретение относится к квантовой электронике, к полупроводниковым лазерам с поперечной накачкой возбуждающим пучком. Предложен активный элемент полупроводникового лазера, представляющий собой набор ступенеобразно размещенных на общем хладопроводе прямоугольных параллелепипедов из полупроводникового материала. Две параллельные грани каждого из них образуют оптический резонатор, возбуждаемая грань им перпендикулярна. Резонаторные грани всех параллелепипедов из набора параллельны между собой. Расстояние между плоскостями, в которых лежат возбуждаемые грани соседних параллелепипедов, не превышает глубины зоны резонаторной грани параллелепипеда, из которой выходит лазерное излучение. При этом в одном из вариантов исполнения в каждом из параллелепипедов со стороны возбуждаемой пучком грани выполнены эквидистантные канавки, глубина которых превышает глубину проникновения возбуждающего пучка в материал параллелепипеда. Параллелепипеды расположены друг относительно друга таким образом, что канавки одного из параллелепипедов находятся на половине расстояния между канавками соседнего параллелепипеда, канавки могут быть заполнены поглощающим материалом. В результате повышается эффективность и мощность излучения, достигается снижение порога генерации и расходимости излучения. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Активный элемент полупроводникового лазера с поперечной накачкой возбуждающим пучком, представляющий собой набор ступенеобразно размещенных на общем хладопроводе прямоугольных параллелепипедов из полупроводникового материала, две параллельные грани каждого из которых образуют оптический резонатор, возбуждаемая грань им перпендикулярна, а резонаторные грани всех параллелепипедов из набора параллельны между собой, отличающийся тем, что расстояние между плоскостями, в которых лежат возбуждаемые грани соседних параллелепипедов, не превышает глубины зоны резонаторной грани параллелепипеда, из которой выходит лазерное излучение. 2. Активный элемент полупроводникового лазера с поперечной накачкой возбуждающим пучком, представляющий собой набор ступенеобразно размещенных на общем хладопроводе прямоугольных параллелепипедов из полупроводникового материала, две параллельные грани каждого из которых образуют оптический резонатор, возбуждаемая грань им перпендикулярна, а резонаторные грани всех параллелепипедов из набора параллельны между собой, в каждом из параллелепипедов со стороны возбуждаемой пучком грани выполнены эквидистантные канавки, глубина которых превышает глубину проникновения возбуждающего пучка в материал параллелепипеда, отличающийся тем, что расстояние между плоскостями, в которых лежат возбуждаемые грани соседних параллелепипедов, меньше глубины зоны резонаторной грани параллелепипеда, из которой выходит лазерное излучение, параллелепипеды расположены друг относительно друга таким образом, что канавки одного из параллелепипедов находятся на половине расстояния между канавками соседнего параллелепипеда. 3. Активный элемент по п.2, отличающийся тем, что канавки заполнены поглощающим материалом.