Введение к работе
Актуальность темы.
Возрастающий в последнее десятилетие интерес к генерации лазерного излучения в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне требует разработки лазеров нового типа для спектрального интервала 2-5 мкм. В данных границах находятся характеристические линии поглощения значительного числа летучих органических веществ, промышленных и природных газов, таких как метан, ацетилен, аммиак, ацетон, окислы азота и серы, углекислый газ и многие другие. Наиболее высока потребность детектирования различных органических и неорганических веществ в условиях обычной температуры производственных помещений. В связи с этим актуальны научные исследования и разработка новых конструкций лазеров для среднего ИК диапазона, которые могут работать при температурах, приближающихся к комнатной.
Однако, до настоящего времени так и не создан лазер среднего ИК диапазона, работающий при температуре 300 К, малогабаритный и пригодный для массового производства. Это связано с тем, что уровень оптических потерь, обусловленных оже-процессами в этом спектральном диапазоне, довольно высок. Одним из способов обойти эту проблему является увеличение добротности резонатора, что, например, используется в поверхностно-излучающих лазерах с вертикальным резонатором (VCSEL- англ.). Но их основным недостатком, таким же, как и у разработанных к настоящему времени квантово-каскадных лазеров (QCL- англ.), является сложность изготовления таких приборов. Для решения проблемы высоких оптических потерь необходимы комплексные, теоретические и экспериментальные научные исследования, являющиеся основой новых физических и технологических подходов к разработке и созданию лазеров среднего ИК диапазона.
Перспективным является исследование и разработка конструкции лазера с кольцевым резонатором в виде диска, рабочая мода которого получила название «мода шепчущей галереи», а тип лазерного устройства - лазер, работающий на модах шепчущей галереи. Схематическое изображение дискового лазера приведено на рис. 1. В отличие от полосковых лазеров, в дисковых волна распространяется по периметру круглой мезы в узкой активной области (толщина активной области- 0,5 мкм). Общая высота мезы без учета подложки составляет 5-8 мкм. Излучение выходит из резонатора за счет неоднородностей поверхности. Дисковые лазеры, работающие на модах шепчущей галереи, являются устройствами с существенно более высокой добротностью по сравнению с обычными полосковыми лазерами среднего ИК диапазона. Следовательно, существует потенциальная возможность разработки лазера для среднего ИК диапазона, работающего при температуре, близкой к комнатной, отличающегося от традиционно используемых полосковых лазеров конструктивным устройством – дисковым резонатором.
1.
2.
3.
4.
Рис. 1 Схематическое изображение дискового лазера, 1.- кольцевой контакт, 2., 4.- эмиттерные слои двойной гетероструктуры (высота каждого слоя около 3 мкм), 3.- активная область (высота 0,5-0,7 мкм), 4.- подложка.
Цель диссертационной работы - создание и комплексное исследование лазеров, работающих на модах шепчущей галереи, излучающих в среднем ИК диапазоне.
Основные задачи:
-
С применением методов математического моделирования механизмов генерации ИК излучения, провести теоретический анализ взаимосвязей между оптическими, электрофизическими и конструктивными характеристиками лазеров, работающих на модах шепчущей галереи.
-
Разработать конструкцию и технологию изготовления дисковых лазеров, излучающих в среднем ИК диапазоне.
-
На основе комплексного исследования выяснить особенности оптических, электрофизических, температурных характеристик лазеров, работающих на модах шепчущей галереи, различающихся конструктивными параметрами.
Научная новизна и практическая значимость работы.
Научные выводы диссертации и результаты теоретического исследования вносят существенный вклад в понимание механизмов генерации лазерного излучения в лазерах, работающих на модах шепчущей галереи, зависимости пространственного распределения плотности тока от размера мезы и расположения контакта. Это позволяет значительно облегчить и ускорить разработку модификаций таких лазеров.
На основе комплексного теоретического и экспериментального исследования выработаны оптимальные конструктивные требования (круглая меза диаметром от 75 до 400 мкм, расположение кольцевого контакта шириной 30 мкм на верхней плоскости мезы) и технологические требования (двойные гетероструктуры InAs/InAsSbP, электрохимическое травление) и изготовлены серии опытных образцов лазеров, работающих на модах шепчущей галереи, излучающих на длинах волн 2 и 3 мкм. Получены опытные образцы дисковых лазеров, излучающих в среднем ИК диапазоне при комнатной температуре.
Разработанные лазеры отличаются относительно простой конструкцией, существует доступная технология их изготовления. Это служит основой для практического их применения в промышленном, технологическом, экологическом контроле и медицинской диагностике.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
В дисковых лазерах с активной областью на основе двойных гетероструктур InAs/InAsSbP происходит генерация ИК излучения на длинах волн около 3 мкм в режиме мод шепчущей галереи, что подтверждается расчетами межмодового расстояния и распределением электрического тока, зависящими от диаметра структуры.
-
Дисковые лазеры среднего ИК диапазона с активной областью на основе InAs/InAsSbP, работающие на модах шепчущей галереи, обладают значительно более низкими пороговыми токами за счет высокой добротности цилиндрических резонаторов и более широким диапазоном рабочих токов по сравнению с полупроводниковыми лазерами среднего ИК диапазона с резонатором Фабри-Перо (вплоть до стократного превышения значения порогового тока).
-
В дисковых лазерах диаметром 200 мкм на основе квантоворазмерных гетероструктур GaInAsSb/AlGaAsSb, созданных методом молекулярно-пучковой эпитаксии, достигается генерация ИК излучения в режиме мод шепчущей галереи на длине волны 2 мкм при комнатной температуре.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на семинарах Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов (Россия, Санкт-Петербург, 2004), Международной школе-семинаре по фундаментальной физике для молодых ученых «Квантовые измерения и физика мезоскопических систем» (Россия, Владимир-Суздаль, 2005), на XVI Уральской международной зимней школе по физике полупроводников (Россия, Екатеринбург, 2006), на Международном симпозиуме по квантовой теории и симметрии (Испания, Вальядолид, 2006), Международной зимней школе по физике полупроводников (Россия, Санкт-Петербург, 2007), Международной школе «2nd International School on Nanophotonics» (Италия, Маратея, 2007), на 9-ой Международной конференции «Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices» (MIOMD-IX, Германия, Фрейбург, 2008).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, из них 4 - в реферируемых журналах. Список работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Она содержит 116 страниц, в том числе 86 страниц основного текста, 30 рисунков, список литературы, включающий 59 наименований.
