Введение к работе
Актуальность темы. Полупроводниковые лазеры находят все бо
лее широкое.применение в практической деятельности человека,.посте
пенно вытесняя другие типы лазеров, благодаря ряду преимуществ, та
ких как высокий кпд, питание от низковольтных источников; высокое
быстродействие, простота и компактность. Это в первую очередь отно
сится к инжекционным лазерам и системам на их основе. Полупровод
никовые лазеры с электронной накачкой (ПЛЭН), уступая им по некото
рым параметрам, обладают, тем не менее, рядом практически важных
свойств, не присущих инжекционным лазерам, таким, например, как
возможность сканирования лазерным лучом в пространстве, возмож
ность получения генерации с большой площади и во всем видимом диа
пазоне спектра, а также в ближней УФ и ИК области. ...- ,-..
Развитие лазеров с электронной накачкой на основе объемных монокристаллов в настоящее время достигло определенного предела и существенного улучшения их параметров за счет совершенствования технологий выращивания кристаллов не ожидается. Здесь более актуальным направлением является разработка новых способов и технологий изготовления активных элементов с целью улучшения выходных параметров лазеров и продления срока их службы. Выходная мощность полупроводниковых лазеров традиционной конструкции ограничена, главным образом, развитием самоусиливающихся кольцевых мод, разрушающих активный элемент. Одним из путей снижения влияния этого эффекта является создание новых типов резонаторов ПЛЭН. Перспективы существенного улучшения качества кристаллов связаны с разработкой и примене-ішем новых методов выращивания тонких монокристаллических полупроводниковых пленок на основе молекулярно-лучевой и репродукционной эпитаксии, а такясе металлоорганического синтеза, открывающих возможности создания полупроводниковых лазеров с многослойной структурой, обладающих низкими порогами генерации и высоким кпд.
Хотя проблемам физики полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком посвящено достаточно большое количество работ,
в этой области остается еще ряд нерешенных вопросов, связанных с однозначным установлением механизмов рекомбинации, ответственных за возникновение генерации, особенно в широкозонных кристаллах при комнатной температуре, выяснением влияния типа и уровня легирования .на параметры лазеров, определением механизмов и причин деградации активных элементов, бездефектным сопряжением кристаллических гра-- ниц многослойных структур. Исследования в этом направлении, несо-. мненно, представляют большой научный и практический интерес.
Широкий спектральный диапазон излучения полупроводниковых соединений и их твердых растворов позволяет согласовывать длину волны накачки с полосами поглощения большинства активных лазерных сред. В этом направлении наиболее существенные результаты достигнуты при светодиодной накачке ионов неодима в различных кристаллических матрицах, на основе которых уже созданы эффективные малогабаритные лазеры, хотя и невысокой мощности. Использование для возбуждения лазерных сред излучения мощных многоэлементных ПЛЭН с продольной накачкой электронным пучком позволит повысить выходную мощность таких лазеров. Кроме того, достаточно высокий коэффициент -,: -преобразования энергии электронного пучка в световое излучение (до -. 35 %) создает предпосылки для разработки лазерных систем" с высоким ., общим кпд. Вышесказанное определяет актуальность проведения иссле-
- дований, направленных на изучение процессов генерации в полупровод
никовых кристаллах и лазерах возбуждаемых их излучением.
Связь работы с научными программами. В диссертацию входят результаты работ, выполненных в рамках программы Министерства образования и науки РБ "Лазер" ( № гос. регистрации 19941283 ), а также программы, поддерживаемой Фондом фундаментальных исследований
- Беларуси, "Фотон-31" (№ гос. регистрации 19962323 ).
Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в повышении ; выходной мощности и кпд полупроводниковых лазеров с электронной накачкой на базе объемных монокристаллов группы А2Вб и эпитаксиаль-ных слоев ZnSe для создания эффективных лазерных систем с селективным возбуждением.
Достижение поставленной цели требовало решения следующих основных задач:
разработать способы создания положительной обратной связи, позволяющие подавлять кольцевые моды в резонаторе многоэлементных ПЛЭН и провести сравнительный анализ основных параметров генерации таких лазеров с выходными характеристиками излучателей традиционной конструкции;
изучить пространственное распределение мощности выходного излучения полупроводниковых лазеров с электронной накачкой и предложить схему возникновения положительной обратной связи в резонаторе с микрорельефными отражателями, а также изучить возможность управления диаграммой направленности излучения ПЛЭН посредством изменения параметров резонатора; ..-..--
-: исследовать излучательные характеристики эпитаксиальных слоев ZnSe, выращенных методом газофазной эпитаксии из меташтооргани-ческихсоединеігий, и установить влияние типа и уровня легирования на эффективность генерации, а .также основные механизмы рекомбинации,
Ответственные За Вынужденное Излучение; ...; ;: . .-.-: :
установить зависимость спектрального положения линий- излучения:. ПЛЭН от интенсивности возбуждения, химического состава: и толщины активного элемента для обеспечения их согласования со спектрами поглощения лазерных сред; і.-.
исследовать выходные характеристики лазеров на центрах окраски и ионах неодима с накачкой излучением ПЛЭН.
Объект и предмет исследования. Объектами исследования являются- 1) объемные монокристаллы CdS, ZnSe, CdTe, GaAs, их твердые растворы CdSSe, ZnCdS и эпитаксиальные слои ZnSe, являющиеся активными средами полупроводниковых лазеров с электронной накачкой; 2) полимерные матрицы с внедренными красителями, кристаллы LiF(OH) и LiF(Mg) с радиационными цеіпрами окраски, кристаллы ИАГ и КГВ и КНФС, активированные ионами неодима, и лазеры с селективным возбуждением на их основе.
Методы исследования. Основными методами экспериментального исследования являлись регистрация и анализ спектров фото- и като-долюминесценции, генерации, поглощения, а также измерение временных, энергетических и пространственных характеристик генерации при различных температурах и интенсивностях оптического и электронного , возбуждения исследуемых объектов.
Научная новизна подученных результатов. Все нижеприведенные результаты получены впервые, их новизна состоит в следующем.
-
Показано, что применение микрорельефной отражающей поверхности вместо плоского серебряного зеркала позволяет повысить выходную мощность излучения полупроводниковых лазеров в несколько раз, что является следствием подавления самоусиливающихся кольцевых мод, выравнивания плотности мощности излучения в резонаторе и уменьшения вклада безызлучательной рекомбинации в приповерхностном слое кристалла.
-
Изучено пространственное распределение энергии выходного излучения полупроводниковых лазеров с микрорельефными отражателями и электронной накачкой, предложена схема осуществления положительной обратной связи в резонаторе лазеров этого типа и дано объяснение наблюдаемому многолепестковому виду диаграмм направленности. Показана принципиальная возможность управления диаграммой направленности излучения ПЛЭН с микрорельефной отражательной поверхностью при помощи выходных зеркал, коэффициент отражения которых в полосе усиления среды зависит от длины волны и направления распространения света.
-
Получено и исследовано лазерное излучение в нелегированных, а также легированных акцепторной примесью азота и донорнои примесью хлора эпитаксиалышх слоях ZnSe, выращенных методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, при возбуждении импульсным электронным пучком. Установлено, что легирование образцов, как донорнои, так и акцепторной примесью, приводит к снижению порогов генерации эпитаксиалышх слоев, и показано, что эффект наблюдается не только в низкоомных, но и в высокоомных сильно компен-
сированных слоях. Получена одновременная двухчастотная генерация эшггаксиального слоя и подложки арсенида галлия.
-
Определено спектральное положение линий генерации эпитак-сиальных слоев ZnSe и проведена оценка концентрации неравновесных носителей заряда при пороговом уровне возбуждения. Показано, что при комнатной температуре и плотностях мощности возбуждения выше пороговой основным механизмом излучательной рекомбинации, ответственным за возникновение лазерного излучения, является рекомбинация в электронно-дырочной плазме.
-
Получена и исследована генерация на центрах окраски в кристаллах LiF(OH), LiF(Mg) при накачке излучением ПЛЭН с микрорельефной отражательной поверхностью. В кристалле LiF:F2+(OH), помещенном в селективный резонатор, осуществлена плавная перестройка длины волны генерации в диапазоне 895 -=-1050 нм с шириной линии излучения 2,4 нм. Проведено исследование эффективности возбуждения генерации в зависимости от длины волны накачки, и установлено, что более эффективным является возбуждение в длинноволновое крыло полосы поглощения вследствие уменьшения стоксового сдвига и величины коэффициента неактивного поглощения. В неселективном резонаторе максимально полученная эффективность преобразования излучения накачки, падающего на поверхность кристалла, в лазерное излучение составила 30%, при этом импульсная мощность генерации равнялась 0,24 МВт.
-
Получена генерация в кристаллах с узкими полосами поглощения и различной концентрацией активатора при возбуждении излучением полупроводниковых лазеров на основе твердых растворов CdSxSei.x, с накачкой электронным пучком. Для HAT:Nd3+ и KTB:Nd3+ пороги генерации при накачке излучением с длиной волны X = 586 нм равнялись соответственно ~2 и ~1 мДж. Эффективность преобразования излучения накачки в излучение лазера на KTB:Nd3+ составила 0.27%. Установлено, что при пороговых уровнях возбуждения ионов Nd3+ излучением с длительностью импульса 2 не форма импульса генерации имеет пичковую структуру, что определяется скоростями релаксации иона из возбужден-
ных состояний и степенью превышения накачки над ее пороговым значением.
Практическая значимость полученных результатов. Разработаны способы повышения выходной мощности и кпд ПЛЭН на основе объемных монокристаллов CdS, ZnSe, CdSSe, ZnCdS, CdTe и GaAs за счет применения микрорельефной отражающей поверхности вместо плоского серебряного зеркала, что позволяет увеличить выходную мощность лазеров в 2-Ю раз в зависимости от их химического состава и качества материала активного элемента, при этом снижается количество операций необходимых для изготовления таких лазеров и, соответственно, их себестоимость. Более, чем десятикратное увеличение выходной мощности при коэффициенте преобразования энергии электронного пучка в лазерное излучение 15% получено в ПЛЭН на основе сульфида кадмия. Максимальная плотность мощности многоэлементного лазера достигала 5 МВт/см2, что позволило осуществить генерацию на молекулах красителей, внедренных в полимерную матрицу, центрах окраски и ионах неодима. Установленные закономерности формирования диаграмм направленности и предложенный способ их видоизменения с помощью выходных зеркал, коэффициент отражения которых в полосе усиления среды зависит от длины волны и направления распространения света, могут быть использованы при создании мощных лазеров с заданной диаграммой направленности излучения, например, в мобильных системах воздушной и морской навигации. Результаты исследования пороговых, временных и энергетических характеристик твердотельных лазеров, возбуждаемых излучением ПЛЭН, будут полезны для дальнейших практических разработок эффективных лазеров с селективным возбуждением.
На основе результатов проведенных исследований предложен ряд технических решений, защищенных 1 авторским свидетельством на изобретение и 3 патентами РФ.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Увеличение выходной мощности и кпд полупроводниковых лазеров с микрорельефной отражающей поверхностью обусловлено подав-
лением самоусиливающихся кольцевых мод и снижением вклада безыз-лучательной рекомбинации в приповерхностном слое активного элемента.
-
Диаграмма направленности излучения полупроводникового лазера с входной для электронного пучка поверхностью, образованной посредством химического растворения кристалла, формируется за счет совместного вклада процессов отражения и дифракции света на пирамидальных элементах микрорельефа, при этом соотношение вкладов отражения и дифракции определяется добротностью резонатора лазера.
-
Снижение порога генерации в эпитаксиальных слоях ZnSe, легированных донорной или акцепторной примесью, по сравнению с нелегированными, при возбуждении электронным пучком обусловлено увеличением времени жизни неравновесных носителей заряда вследствие уменьшения концентрации центров безызлучательной рекомбинации, вызванного введением легирующей примеси.
-
Основным механизмом юлучательной рекомбинации в полупроводниковых лазерах с микрорельефными отражателями и легирован- ' ных эпитаксиальных слоях ZnSe с накачкой импульсным электронным пучком при комнатной температуре является рекомбинация в электронно-дырочной плазме.
Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает ' личный вклад соискателя. Он заключается в непосредственном проведении экспериментальных исследований и анализе полученных результатов, в постановке совместно с научными руководителями (в ряде случаев совместно с В. В. Грузинским и Г. П. Яблонским) задач исследований и в интерпретации результатов. Научным руководителям - И. И. Жолнере-вичу и А. Л. Гурскому - принадлежат выбор направления исследований, обсуждение целей, задач, положений и выводов работы. Другие соавторы работ оказывали методическую помощь в проведении экспериментов и изготовлении кристаллов или исследовали круг вопросов, не вошедших в диссертацию.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований, включенных в диссертацию, докладывались на следующих
научных конференциях и симпозиумах: VI Всес. симпозиум "Люминесцентные приемники и преобразователи ионизирующего излучения", Львов, 1988; IX Респ. конф. молодых ученых по спектроскопии и квантовой электронике, Вильнюс, 1989; V Междунар. конф. "Перестраиваемые по частоте лазеры", Иркутск, 1989; VIII и IX Int. Conf. On Ternary and Multinary Compounds, Kishinev, 1990, Yokogama, 1993; VI Всес. конф. "Оптика лазеров", Ленинград, 1990; XIV Междунар. конф. по когерентной и нелинейной оптике, Ленинград, 1991; Intern. Conf. "Advanced Solid State Lasers", Santa-Fe, New Mexico, 1992; VII Trieste Semiconductor Symposium on Wide-Band-Gap Semiconductors, Trieste, 1992; I and II European Workshop on П-VI Semiconductors, Aachen, 1992, Linz, 1994; Intern. Conf. "Advanced Solid State Lasers / Compact Blue-Green Lasers", New Orleans, 1993; I Int. Symp. On Blue Lasers and Light Emitting Diodes, Chiba, 1996; Юбилейная науч.-тех. конф. БрПИ, Брест, 1996; Междунар. конф. по лазерной физике и спектроскопии, Гродно, 1993, 1997, 1999; II Межгос. конф. по квантовой электронике, Минск, 1998; Междунар. конф. МНТЦ "Конверсия научных исследований в Республике Беларусь", Минск, 1999.
Опубликованность результатов. Основные результаты работы опубликованы в 22 научных работах, в том числе 1 препринте, 8 статьях в научных журналах, 9 материалах конференций. Имеется 1 авторское свидетельство и 3 патента на изобретения.
Общее количество опубликованных по теме диссертации материалов составляет 127 страниц.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Полный объем диссертации составляет 114 страниц, включая 36 рисунков и 4 таблицы на 26 страницах. Список использованных источников, включающий 135 наименований, занимает 12 страниц.
