eng
Выпуск #4/2005
М.Зверев, С.Иванов, И.Олихов.
Полупроводниковые лазеры с электронно-лучевой накачкой. Перспективы использования
Полупроводниковые лазеры с электронно-лучевой накачкой. Перспективы использования
Просмотры: 3400
Работы по созданию полупроводниковых лазеров с электронно-лучевой накачкой (ПЛЭН) ведутся в мире уже не одно десятилетие [1]. Но идея создания такого лазера, как и разработка его промышленной технологии [2, 3], были впервые реализованы в России.
Применение для накачки лазеров электронного пучка, формируемого и управляемого известными методами и средствами, позволило разработать новый класс приборов квантовой электроники – лазерные электронно-лучевые трубки (ЛЭЛТ), представляющие собой гибриды электронно-оптических систем и полупроводниковых (п/п) лазерных мишеней (рис. 1а, б).
Работа таких источников излучения основана на эффекте преобразования (с помощью п/п оптических резонаторов) энергии модулированных или сканирующих электронных пучков накачки в модулированное или сканирующее когерентное излучение (рис. 2). В ряде практических приложений ПЛЭН успешно конкурируют с лазерами других типов и позволяют достичь таких параметров систем, которые невозможно получить другими средствами. Уникальные возможности ПЛЭН определяются характеристиками излучения, а значит, характеристиками п/п монокристаллов – преобразователей энергии электронного пучка в оптическое излучение, и п/п оптических резонаторов, а также возможностью формирования управления и модуляции электронных пучков (рис. 3).
Особенности таких лазеров:
· излучение в широком оптическом диапазоне (0,32–30 мкм) в зависимости от ширины запрещенной зоны п/п монокристалла;
· возможность одновременного излучения на нескольких длинах волн путем размещения на мишени различных п/п кристаллов;
· большая излучающая поверхность;
· равномерная освещенность рабочего поля и отсутствие зернистой структуры (спекл-фона);
· низкая когерентность (на 4–5 порядков ниже твердотельных и газовых лазеров) и многомодовость, сильно снижающие вредное воздействие излучения лазера на глаза человека;
· простота преобразования оптической системой пространственного распределения излучения (заданного геометрией излучающих площадок) в угловое распределение, что позволяет формировать световые пучки заданной конфигурации;
· возможность генерации сверхкоротких импульсов излучения
(10-9–10-11 с);
· устойчивость и точность синхронизации;
· простота управления интенсивностью и пространственным позиционированием лазерного луча средствами телевизионной и цифровой техники;
· возможность широкополосной модуляции оптического излучения большой мощности методами и средствами ВЧ- и СВЧ-техники вплоть до частоты 10 ГГц;
· простая система охлаждения;
· устойчивость к механическим нагрузкам благодаря монолитности оптических п/п резонаторов.
Характеристики излучения промышленных образцов импульсных (ИПЛЭН) и сканирующих (СПЛЭН) лазеров с продольной накачкой приведены в таблице.
Отмеченные особенности лазеров позволили создать ряд экспериментальных образцов оптоэлектронных устройств информационно-измерительных систем с уникальными характеристиками, недостижимыми при использовании других устройств [4]. Эти системы позволяют проводить:
· калибровку фотоприемников и время-анализирующих ЭОП с разрешением до 10-13 с;
· диагностику пучков заряженных частиц в процессе их формирования в реальном масштабе времени;
· регистрацию быстропротекающих процессов теневыми и интерференционными методами в баллистике, гидро- и газодинамике, в плазме газового разряда с пространственным и временным разрешением Ј10 мкм и Ј10-9 с, соответственно;
· телевизионное наблюдение за объектами и процессами в рассеивающих воздушных и водных средах в режиме пространственно-временной селекции с пространственным и временным разрешением Ј0,5 м и Ј10-9 с, соответственно;
· регистрацию ударных волн протяженностью ~30 мкм в жидкости от пузырьков Ж30 мкм, захлопывающихся после роста в волне разгрузки (с помощью ИПЛЭН);
· концентрацию электронов в плазменном шнуре высоковольтного искрового разряда с температурой более 40000°С (при генерации излучения одновременно на трех длинах волн);
· отображение полноцветной ТВ-информации с высокой и сверхвысокой четкостью (SVGA, до 1200 линий) на экране до 100 м2, подробнее см. [5];
· формирование многоцветного (с помощью трех цветов: зеленого – 510 нм, желтого – 570 нм и красного – 630 нм) излучения с заданной пространственной конфигурацией и одновременной оптической локацией объектов для нового поколения визуальных систем воздушной и морской навигации (например, визуальных систем посадки летательных аппаратов, начиная с расстояний в 15–20 км в сложных метеоусловиях и при наличии оптических и радиоэлектронных помех), подробнее см. [6];
· лазерную сканирующую интроскопию биологических объектов, оптических и п/п материалов с субмикронным разрешением;
· лазерную диагностику, биостимуляцию, фотодинамическую терапию объектов тела человека с патологическими изменениями.
Хотя указанные возможности ПЛЭН экспериментально подтверждены, широкого распространения эти устройства не получили. Причины тому – высокий уровень пороговой плотности мощности накачки, высокие напряжения, необходимость охлаждения, трудоемкость изготовления излучающих мишеней и выращивания п/п монокристаллов заданного качества. Так, в импульсных лазерах максимальные мощности требуют энергии пучка 250–350 кэВ [3], в проекционных системах – энергии 50–70 кэВ, причем для охлаждения применяются холодильники [5]. Использование высоких напряжений приводит к увеличению размеров устройств и усложнению конструкций модулей.
Сегодня, благодаря успехам в области технологии создания п/п лазерных структур, появилась возможность значительно улучшить параметры ПЛЭН. Так, в качестве активного элемента лазера используют квантово-размерные (КР) структуры. За счет локализации электромагнитного поля в пределах волновода и эффективного дрейфа носителей к активной зоне удается уменьшить потери света на длине волны генерации и увеличить концентрацию частиц в области рекомбинации, а изменение энергетического спектра носителей тока в КР-структурах позволяет увеличить спектральную плотность излучения. Это позволяет снизить рабочую энергию пучка и пороговую плотность тока, а также повысить рабочую температуру кристалла до комнатной.
Подобные структуры широко применяются при изготовлении лазерных диодов (ЛД). Однако при использовании накачки не требуется наличие p-n-перехода и омических контактов, что значительно упрощает технологию изготовления активных элементов, расширяет возможности выбора соединений для работы на разных длинах волн и позволяет уйти от проблем, ограничивающих срок службы инжекционных лазеров (ИЛ). При электронно-лучевой накачке неравновесные носители возбуждаются в объеме, определяемом сечением электронного пучка и глубиной его проникновения в кристалл. Таким образом, отпадает присущая ЛД проблема транспортировки носителей в активную область. Благодаря этому объем активной области при накачке лазера пучком может быть значительно больше, чем при инжекционной накачке, что позволяет получать больший уровень выходной мощности. Увеличивая поперечное сечение пучка, можно проводить накачку лазерных сборок, состоящих из большого числа лазеров. Это позволяет увеличивать уровень выходной мощности и одновременно работать на нескольких длинах волн.
Эффективность использования КР-структур в ПЛЭН была продемонстрирована как в нашей стране, так и за рубежом. Применение многослойных КР-гетероструктур в лазерах с продольной накачкой позволило получить генерацию в сине-зеленом диапазоне в сканирующем режиме при комнатной температуре со средней мощностью больше двух ватт. Прибор работал при напряжении более 30 кВ, а пороговая плотность мощности накачки превышала 1 МВт/см2 [7]. Снижение пороговой мощности накачки возможно, например, благодаря использованию структур с периодически изменяющимися параметрами, как это показано в работе [8].
Применение миниатюрных автоэмиссионных трубок для накачки лазеров на КР-структурах, расположенных в центре волновода с плавно изменяющимся показателем преломления, позволило получить генерацию при энергиях пучка около 10 кэВ в красном и инфракрасном диапазонах на структурах CdTe/CdMnTe и GaAs/GaAlAs при комнатной температуре [9] и в сине-зеленом – при криогенном охлаждении образцов (структуры ZnCdSe/ZnSe) [10]. При этом лазер представлял собой ЭЛТ длиной около 15 мм.
Был изготовлен прибор – сканирующий лазер (типа ЛЭЛТ) с поперечной накачкой на основе структуры AlGaInP-GaInP со средней мощностью до 20 мВт, работающий при комнатной температуре в красной области спектра [11].
В работах [12–13] показано, что использование ZnSe-содержащих КР-структур со встроенной в волновод сверхрешеткой (СР) позволяет получить генерацию в сине-зеленом диапазоне при комнатной температуре при использовании для накачки пучков с энергией 8–25 кэВ. Длительность импульсов накачки составляла 50 нс при частоте следования до 10 Гц (при поперечной схеме возбуждения). Лазерные структуры выращивались методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) на подложках из GaAs. Для ограничения области локализации поля в резонаторе, увеличения эффективности сбора носителей и стойкости всей структуры к механическим напряжениям выращивалась (с двух сторон от активного слоя) сверхрешетка ZnSSe/ZnSe с коротким периодом, ограниченная широкозонными слоями ZnMgSSe. Толщина внешнего слоя h ZnMgSSe была разной для различных структур. Использовались структуры двух типов, отличающиеся строением активной области. В структурах первого типа активным слоем являлась квантовая яма (КЯ) ZnCdSe (рис. 4).
В структурах второго типа в центре КЯ (ZnSe) выращивалась дробно-монослойная вставка (ДМС) CdSe номинальной толщиной 2–2,5 монослоя, переходящая в массив самоорганизующихся CdSe-обогащенных наноостровков – квантовых дисков (рис.5). Ранее в лазерах на основе таких структур при оптической накачке был получен чрезвычайно низкий порог генерации – около 4 кВт/см2 [14].
Для различных структур исследовались зависимости пороговой плотности тока от энергии пучка при разных значениях длины L резонатора лазера. При уменьшении энергии пучка с 30 до 8 кэВ пороговая плотность тока сначала уменьшается, достигая минимума при энергии электронов накачки 15–20 кэВ, а затем, при дальнейшем уменьшении энергии пучка, увеличивается (рис. 6).
Минимальное значение пороговой плотности тока (0,6–0,8 А/см2) было получено для структуры второго типа при энергии пучка 15–18 кэВ (плотность мощности накачки составляла при этом около 10 кВт/см2). Максимальная импульсная мощность генерации составила 9 Вт при эффективности (на одну грань в режиме поперечной накачки) 1,6% (см. рис. 2а). Минимальное значение ускоряющего напряжения, при котором наблюдалась генерация, составило U = 8 кВ, а максимальная импульсная мощность лазерного излучения – 0,2 Вт.
Заметим, что в используемых структурах общая их толщина (0,4 мкм), равная суммарной толщине внешнего слоя и волновода, была значительно меньше глубины проникновения пучка с энергией 15–20 кэВ в образец (1–1,5 мкм). Таким образом, значительная часть энергии накачки расходовалась в подложке. Для увеличения эффективности использования энергии накачки была изготовлена структура с увеличенной до 0,4 мкм толщиной волновода (общая толщина – 0,6 мкм). В этой структуре активная область состояла из трех ZnSe-КЯ со вставками CdSe (рис. 7). Благодаря более полному использованию энергии накачки мощность и эффективность генерации возросли.
На рис. 8 представлены зависимости мощности и эффективности генерации лазера на основе такой структуры при длине резонатора 0,5 мм, а на рис. 9 – зависимость максимально достигнутой в экспериментах эффективности от энергии пучка. Максимальное значение эффективности составило 4% с каждой грани кристалла (рис. 8 и 9).
Спектр излучения лазеров на основе ZnSe-содержащих структур лежит в сине-зеленом диапазоне (493–555 нм), ширина линии составляет 2–3 нм (рис. 10).
Итак, приведенные примеры показывают, что использование КР-гетероструктур позволяет получить лазерное излучение при комнатной температуре и при низких значениях ускоряющего напряжения. При этом возможно дальнейшее уменьшение рабочего напряжения и увеличение эффективности генерации путем совершенствования конструкции п/п структуры. Благодаря низким значениям пороговой мощности накачки нагрев образца в условиях эксперимента пренебрежимо мал, то есть имеется возможность значительного увеличения энергетических параметров за счет увеличения длительности и частоты следования импульсов накачки и использования сканирующего режима работы. Оценки показывают реальность достижения в лазерах данного типа уровня средней мощности в несколько ватт.
Полученные в экспериментах низкие значения пороговой плотности тока пучка при умеренных ускоряющих напряжениях и комнатной температуре открывают возможность создания компактных приборов – ПЛЭН. При этом благодаря использованию различных п/п структур можно существенно расширить рабочий спектральный диапазон лазеров. Использование структур на основе нитридов Ga и Al, а также соединений ZnMgO позволит в будущем перейти к освоению УФ-области спектра.
Достижения радиоэлектроники тесно связаны с новыми открытиями и физическими процессами, протекающими на микроуровне. Катодолюминесценция (взаимодействие электронного потока с люминофорами) породила класс приборов – ЭЛТ, без которых немыслимы современные средства отображения информации. Изобретение лазера и работы по созданию п/п лазеров дали возможность создать новый тип лазерных ЭЛТ – ПЛЭН, не имеющий мировых аналогов. Накопленный опыт формирования электронных потоков в ЭЛТ, их модуляции и управления позволили получить уникальные характеристики излучения ПЛЭН, недоступные лазерам других типов, и найти им практические приложения.
Дальнейшее совершенствование ПЛЭН и перспективы их массового использования связаны с созданием нового поколения лазеров на основе многослойных КР-гетероструктур в качестве их активных элементов.
Литература
1. Королев С.В., Олихов И.М., Петров Д.М. Электронное возбуждение полупроводниковых лазеров. – Электронная промышленность, 1973, №2, с.21–34.
2. Уласюк В.Н. Квантоскопы. – М., Радио и связь, 1988.
3. Олихов И. ИПЛЭН – новое поколение приборов квантовой электроники. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 1998, №3–4, с.25–29.
4. Богданкевич О.В., Меерович Г.А., Олихов И.М., Садчихин А.В. Устройства на основе полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком. – Радиотехника и электроника, 1999, т.44, №8, с.901–919.
5. Макиенко О. Лазерные кинескопы нового поколения. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2000, №6, с.54–56.
6. Олихов И., Косовский Л. Мобильная лазерная трехцветная навигационная система. Надежность в экстремальных ситуациях. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 1999, №3, с.46–49.
7. Basov N.G. et al. Laser Cathod Ray Tubes Using Multilayer Heterostructures. – Laser Physics, Vol.6, 3, 1996, p.608–611.
8. Козловский В.И. и др. Периодические низкотемпературные структуры ZnCdSe/ZnSSe, выращенные методом парофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, для лазеров с накачкой электронным пучком. – Российско-белорусский семинар "Полупроводниковые лазеры и системы на их основе". – Минск, 2005.
9. Molva E. et al. Microgun-pumped semiconductor laser. – Appl. Phisics Letters, v.62, 1993, p.796.
10. Herve D. et al. Microgun-pumped blue lasers. – Appl. Physics Letters, 67 (15), 9, 1995, p.2144–2146.
11. Cornelissen H.J. et al. A nonmechanical laser scanner based on electron-beam pumped AlGaInP-GaInP semiconductor structures. – Appl. Physics Letters, 65(12), 1994, p.1492–1494.
12. Зверев М.М. и др. Неохлаждаемый полупроводниковый лазер на основе ZnSe-содержащих квантоворазмерных структур с накачкой электронным пучком. – "Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования", 2002, №9, c.22–25.
13. Зверев М.М. и др. Низкопороговые полупроводниковые лазеры зеленого диапазона с накачкой электронным пучком на основе квантоворазмерных гетероструктур. – Квантовая электроника, 2004, т.34, №10, с.909–911.
14. Ivanov S.V. et al. – J. Crystal Growth, 201/202, 1999, p.942–945.
Работа таких источников излучения основана на эффекте преобразования (с помощью п/п оптических резонаторов) энергии модулированных или сканирующих электронных пучков накачки в модулированное или сканирующее когерентное излучение (рис. 2). В ряде практических приложений ПЛЭН успешно конкурируют с лазерами других типов и позволяют достичь таких параметров систем, которые невозможно получить другими средствами. Уникальные возможности ПЛЭН определяются характеристиками излучения, а значит, характеристиками п/п монокристаллов – преобразователей энергии электронного пучка в оптическое излучение, и п/п оптических резонаторов, а также возможностью формирования управления и модуляции электронных пучков (рис. 3).
Особенности таких лазеров:
· излучение в широком оптическом диапазоне (0,32–30 мкм) в зависимости от ширины запрещенной зоны п/п монокристалла;
· возможность одновременного излучения на нескольких длинах волн путем размещения на мишени различных п/п кристаллов;
· большая излучающая поверхность;
· равномерная освещенность рабочего поля и отсутствие зернистой структуры (спекл-фона);
· низкая когерентность (на 4–5 порядков ниже твердотельных и газовых лазеров) и многомодовость, сильно снижающие вредное воздействие излучения лазера на глаза человека;
· простота преобразования оптической системой пространственного распределения излучения (заданного геометрией излучающих площадок) в угловое распределение, что позволяет формировать световые пучки заданной конфигурации;
· возможность генерации сверхкоротких импульсов излучения
(10-9–10-11 с);
· устойчивость и точность синхронизации;
· простота управления интенсивностью и пространственным позиционированием лазерного луча средствами телевизионной и цифровой техники;
· возможность широкополосной модуляции оптического излучения большой мощности методами и средствами ВЧ- и СВЧ-техники вплоть до частоты 10 ГГц;
· простая система охлаждения;
· устойчивость к механическим нагрузкам благодаря монолитности оптических п/п резонаторов.
Характеристики излучения промышленных образцов импульсных (ИПЛЭН) и сканирующих (СПЛЭН) лазеров с продольной накачкой приведены в таблице.
Отмеченные особенности лазеров позволили создать ряд экспериментальных образцов оптоэлектронных устройств информационно-измерительных систем с уникальными характеристиками, недостижимыми при использовании других устройств [4]. Эти системы позволяют проводить:
· калибровку фотоприемников и время-анализирующих ЭОП с разрешением до 10-13 с;
· диагностику пучков заряженных частиц в процессе их формирования в реальном масштабе времени;
· регистрацию быстропротекающих процессов теневыми и интерференционными методами в баллистике, гидро- и газодинамике, в плазме газового разряда с пространственным и временным разрешением Ј10 мкм и Ј10-9 с, соответственно;
· телевизионное наблюдение за объектами и процессами в рассеивающих воздушных и водных средах в режиме пространственно-временной селекции с пространственным и временным разрешением Ј0,5 м и Ј10-9 с, соответственно;
· регистрацию ударных волн протяженностью ~30 мкм в жидкости от пузырьков Ж30 мкм, захлопывающихся после роста в волне разгрузки (с помощью ИПЛЭН);
· концентрацию электронов в плазменном шнуре высоковольтного искрового разряда с температурой более 40000°С (при генерации излучения одновременно на трех длинах волн);
· отображение полноцветной ТВ-информации с высокой и сверхвысокой четкостью (SVGA, до 1200 линий) на экране до 100 м2, подробнее см. [5];
· формирование многоцветного (с помощью трех цветов: зеленого – 510 нм, желтого – 570 нм и красного – 630 нм) излучения с заданной пространственной конфигурацией и одновременной оптической локацией объектов для нового поколения визуальных систем воздушной и морской навигации (например, визуальных систем посадки летательных аппаратов, начиная с расстояний в 15–20 км в сложных метеоусловиях и при наличии оптических и радиоэлектронных помех), подробнее см. [6];
· лазерную сканирующую интроскопию биологических объектов, оптических и п/п материалов с субмикронным разрешением;
· лазерную диагностику, биостимуляцию, фотодинамическую терапию объектов тела человека с патологическими изменениями.
Хотя указанные возможности ПЛЭН экспериментально подтверждены, широкого распространения эти устройства не получили. Причины тому – высокий уровень пороговой плотности мощности накачки, высокие напряжения, необходимость охлаждения, трудоемкость изготовления излучающих мишеней и выращивания п/п монокристаллов заданного качества. Так, в импульсных лазерах максимальные мощности требуют энергии пучка 250–350 кэВ [3], в проекционных системах – энергии 50–70 кэВ, причем для охлаждения применяются холодильники [5]. Использование высоких напряжений приводит к увеличению размеров устройств и усложнению конструкций модулей.
Сегодня, благодаря успехам в области технологии создания п/п лазерных структур, появилась возможность значительно улучшить параметры ПЛЭН. Так, в качестве активного элемента лазера используют квантово-размерные (КР) структуры. За счет локализации электромагнитного поля в пределах волновода и эффективного дрейфа носителей к активной зоне удается уменьшить потери света на длине волны генерации и увеличить концентрацию частиц в области рекомбинации, а изменение энергетического спектра носителей тока в КР-структурах позволяет увеличить спектральную плотность излучения. Это позволяет снизить рабочую энергию пучка и пороговую плотность тока, а также повысить рабочую температуру кристалла до комнатной.
Подобные структуры широко применяются при изготовлении лазерных диодов (ЛД). Однако при использовании накачки не требуется наличие p-n-перехода и омических контактов, что значительно упрощает технологию изготовления активных элементов, расширяет возможности выбора соединений для работы на разных длинах волн и позволяет уйти от проблем, ограничивающих срок службы инжекционных лазеров (ИЛ). При электронно-лучевой накачке неравновесные носители возбуждаются в объеме, определяемом сечением электронного пучка и глубиной его проникновения в кристалл. Таким образом, отпадает присущая ЛД проблема транспортировки носителей в активную область. Благодаря этому объем активной области при накачке лазера пучком может быть значительно больше, чем при инжекционной накачке, что позволяет получать больший уровень выходной мощности. Увеличивая поперечное сечение пучка, можно проводить накачку лазерных сборок, состоящих из большого числа лазеров. Это позволяет увеличивать уровень выходной мощности и одновременно работать на нескольких длинах волн.
Эффективность использования КР-структур в ПЛЭН была продемонстрирована как в нашей стране, так и за рубежом. Применение многослойных КР-гетероструктур в лазерах с продольной накачкой позволило получить генерацию в сине-зеленом диапазоне в сканирующем режиме при комнатной температуре со средней мощностью больше двух ватт. Прибор работал при напряжении более 30 кВ, а пороговая плотность мощности накачки превышала 1 МВт/см2 [7]. Снижение пороговой мощности накачки возможно, например, благодаря использованию структур с периодически изменяющимися параметрами, как это показано в работе [8].
Применение миниатюрных автоэмиссионных трубок для накачки лазеров на КР-структурах, расположенных в центре волновода с плавно изменяющимся показателем преломления, позволило получить генерацию при энергиях пучка около 10 кэВ в красном и инфракрасном диапазонах на структурах CdTe/CdMnTe и GaAs/GaAlAs при комнатной температуре [9] и в сине-зеленом – при криогенном охлаждении образцов (структуры ZnCdSe/ZnSe) [10]. При этом лазер представлял собой ЭЛТ длиной около 15 мм.
Был изготовлен прибор – сканирующий лазер (типа ЛЭЛТ) с поперечной накачкой на основе структуры AlGaInP-GaInP со средней мощностью до 20 мВт, работающий при комнатной температуре в красной области спектра [11].
В работах [12–13] показано, что использование ZnSe-содержащих КР-структур со встроенной в волновод сверхрешеткой (СР) позволяет получить генерацию в сине-зеленом диапазоне при комнатной температуре при использовании для накачки пучков с энергией 8–25 кэВ. Длительность импульсов накачки составляла 50 нс при частоте следования до 10 Гц (при поперечной схеме возбуждения). Лазерные структуры выращивались методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) на подложках из GaAs. Для ограничения области локализации поля в резонаторе, увеличения эффективности сбора носителей и стойкости всей структуры к механическим напряжениям выращивалась (с двух сторон от активного слоя) сверхрешетка ZnSSe/ZnSe с коротким периодом, ограниченная широкозонными слоями ZnMgSSe. Толщина внешнего слоя h ZnMgSSe была разной для различных структур. Использовались структуры двух типов, отличающиеся строением активной области. В структурах первого типа активным слоем являлась квантовая яма (КЯ) ZnCdSe (рис. 4).
В структурах второго типа в центре КЯ (ZnSe) выращивалась дробно-монослойная вставка (ДМС) CdSe номинальной толщиной 2–2,5 монослоя, переходящая в массив самоорганизующихся CdSe-обогащенных наноостровков – квантовых дисков (рис.5). Ранее в лазерах на основе таких структур при оптической накачке был получен чрезвычайно низкий порог генерации – около 4 кВт/см2 [14].
Для различных структур исследовались зависимости пороговой плотности тока от энергии пучка при разных значениях длины L резонатора лазера. При уменьшении энергии пучка с 30 до 8 кэВ пороговая плотность тока сначала уменьшается, достигая минимума при энергии электронов накачки 15–20 кэВ, а затем, при дальнейшем уменьшении энергии пучка, увеличивается (рис. 6).
Минимальное значение пороговой плотности тока (0,6–0,8 А/см2) было получено для структуры второго типа при энергии пучка 15–18 кэВ (плотность мощности накачки составляла при этом около 10 кВт/см2). Максимальная импульсная мощность генерации составила 9 Вт при эффективности (на одну грань в режиме поперечной накачки) 1,6% (см. рис. 2а). Минимальное значение ускоряющего напряжения, при котором наблюдалась генерация, составило U = 8 кВ, а максимальная импульсная мощность лазерного излучения – 0,2 Вт.
Заметим, что в используемых структурах общая их толщина (0,4 мкм), равная суммарной толщине внешнего слоя и волновода, была значительно меньше глубины проникновения пучка с энергией 15–20 кэВ в образец (1–1,5 мкм). Таким образом, значительная часть энергии накачки расходовалась в подложке. Для увеличения эффективности использования энергии накачки была изготовлена структура с увеличенной до 0,4 мкм толщиной волновода (общая толщина – 0,6 мкм). В этой структуре активная область состояла из трех ZnSe-КЯ со вставками CdSe (рис. 7). Благодаря более полному использованию энергии накачки мощность и эффективность генерации возросли.
На рис. 8 представлены зависимости мощности и эффективности генерации лазера на основе такой структуры при длине резонатора 0,5 мм, а на рис. 9 – зависимость максимально достигнутой в экспериментах эффективности от энергии пучка. Максимальное значение эффективности составило 4% с каждой грани кристалла (рис. 8 и 9).
Спектр излучения лазеров на основе ZnSe-содержащих структур лежит в сине-зеленом диапазоне (493–555 нм), ширина линии составляет 2–3 нм (рис. 10).
Итак, приведенные примеры показывают, что использование КР-гетероструктур позволяет получить лазерное излучение при комнатной температуре и при низких значениях ускоряющего напряжения. При этом возможно дальнейшее уменьшение рабочего напряжения и увеличение эффективности генерации путем совершенствования конструкции п/п структуры. Благодаря низким значениям пороговой мощности накачки нагрев образца в условиях эксперимента пренебрежимо мал, то есть имеется возможность значительного увеличения энергетических параметров за счет увеличения длительности и частоты следования импульсов накачки и использования сканирующего режима работы. Оценки показывают реальность достижения в лазерах данного типа уровня средней мощности в несколько ватт.
Полученные в экспериментах низкие значения пороговой плотности тока пучка при умеренных ускоряющих напряжениях и комнатной температуре открывают возможность создания компактных приборов – ПЛЭН. При этом благодаря использованию различных п/п структур можно существенно расширить рабочий спектральный диапазон лазеров. Использование структур на основе нитридов Ga и Al, а также соединений ZnMgO позволит в будущем перейти к освоению УФ-области спектра.
Достижения радиоэлектроники тесно связаны с новыми открытиями и физическими процессами, протекающими на микроуровне. Катодолюминесценция (взаимодействие электронного потока с люминофорами) породила класс приборов – ЭЛТ, без которых немыслимы современные средства отображения информации. Изобретение лазера и работы по созданию п/п лазеров дали возможность создать новый тип лазерных ЭЛТ – ПЛЭН, не имеющий мировых аналогов. Накопленный опыт формирования электронных потоков в ЭЛТ, их модуляции и управления позволили получить уникальные характеристики излучения ПЛЭН, недоступные лазерам других типов, и найти им практические приложения.
Дальнейшее совершенствование ПЛЭН и перспективы их массового использования связаны с созданием нового поколения лазеров на основе многослойных КР-гетероструктур в качестве их активных элементов.
Литература
1. Королев С.В., Олихов И.М., Петров Д.М. Электронное возбуждение полупроводниковых лазеров. – Электронная промышленность, 1973, №2, с.21–34.
2. Уласюк В.Н. Квантоскопы. – М., Радио и связь, 1988.
3. Олихов И. ИПЛЭН – новое поколение приборов квантовой электроники. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 1998, №3–4, с.25–29.
4. Богданкевич О.В., Меерович Г.А., Олихов И.М., Садчихин А.В. Устройства на основе полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком. – Радиотехника и электроника, 1999, т.44, №8, с.901–919.
5. Макиенко О. Лазерные кинескопы нового поколения. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2000, №6, с.54–56.
6. Олихов И., Косовский Л. Мобильная лазерная трехцветная навигационная система. Надежность в экстремальных ситуациях. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 1999, №3, с.46–49.
7. Basov N.G. et al. Laser Cathod Ray Tubes Using Multilayer Heterostructures. – Laser Physics, Vol.6, 3, 1996, p.608–611.
8. Козловский В.И. и др. Периодические низкотемпературные структуры ZnCdSe/ZnSSe, выращенные методом парофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, для лазеров с накачкой электронным пучком. – Российско-белорусский семинар "Полупроводниковые лазеры и системы на их основе". – Минск, 2005.
9. Molva E. et al. Microgun-pumped semiconductor laser. – Appl. Phisics Letters, v.62, 1993, p.796.
10. Herve D. et al. Microgun-pumped blue lasers. – Appl. Physics Letters, 67 (15), 9, 1995, p.2144–2146.
11. Cornelissen H.J. et al. A nonmechanical laser scanner based on electron-beam pumped AlGaInP-GaInP semiconductor structures. – Appl. Physics Letters, 65(12), 1994, p.1492–1494.
12. Зверев М.М. и др. Неохлаждаемый полупроводниковый лазер на основе ZnSe-содержащих квантоворазмерных структур с накачкой электронным пучком. – "Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования", 2002, №9, c.22–25.
13. Зверев М.М. и др. Низкопороговые полупроводниковые лазеры зеленого диапазона с накачкой электронным пучком на основе квантоворазмерных гетероструктур. – Квантовая электроника, 2004, т.34, №10, с.909–911.
14. Ivanov S.V. et al. – J. Crystal Growth, 201/202, 1999, p.942–945.
Отзывы читателей
