Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА. I. Катодолюминесценция узкозонных полупроводников
1.1. Некоторые физические свойства твердых растворов халькогенидов свинца-олова
1.2. Электроннолучевая установка и методика исследования 35
1.3. Излучательная рекомбинация в халькогенидах свинца-олова 43
1.3.1. Элементы теории спонтанного и вынужденного излучения при рекомбинации свободных электронов и дырок 43
1.3.2. Влияние исходной концентрации носителей и уровня возбуждения на спектр рекомбинационного излучения 49
1.3.3. Температурная зависимость спектра излучения 54
1.3.4. Квантовая эффективность узкозонных твердых растворов 60
1.4. Лазерное излучение халькогенидов свинца-олова при электронной накачке 64
1.4.1. Потери при преобразовании энергии накачки в узкозонных полупроводниках 64
1.4.2. Генерация излучения сульфида-селенида свинца теллурида и селенида свинца-олова (4-28 мкм) 69
1.4.3. Излучение изопериодического ряда твердых растворов теллурида-селенида свинца-олова 75
стр, 1.5. Катодолюминесценция теллурида кадмия-ртути... 78
Выводы к главе І..., 83
ГЛАВА II. Лазерное излучение гетероструктур из халькогенидов свинца-олова 86
2.1, Инжекционные лазеры на узкозонных полупроводниках 86
2.2, Методика отбора кристаллов и пленок для активной среды... 103
2.3, Фотостимулированный метод эпитаксиального выращивания гетероструктур ... 114
2.4, Технология изготовления инжекционных лазеров 121
2.5, Свойства вынужденного излучения (спектр,поляризация, направленность)... 127
2.6, Порог и мощность лазерного излучения... 140
2.7, Влияние поглощения свободными носителями на генерацию в узкозонных полупроводниках...,... 146
Выводы к главе П.. 154
ГЛАВА III. Перестройка частоты излучения длинноволновых инжекционных лазеров и спектрометр на их основе ... 157
3.1. Классические и линейные лазерные методы ИК спектроскопии... 157
3.2. Методы перестройки частоты полупроводниковых лазеров . 163
3.3. Исследование перестроечной характеристики, 173
3.3.1 „Температурный сдвиг излучения лазерных диодов с разным составом активной области,,,... 173
3.3.2,Расширение областей плавной перестройки при ком бинированном воздействии температуры и магнитно го поля 179
3.4. Быстродействующий спектрометр высокого разрешения на инжекционных лазерах, 192
3.4.1. Оптическая схема 192
3.4.2. Разрешающая способность лазерного спектрометра при быстрой перестройке частоты .,.201
3.4.3. О градуировке лазерного спектрометра...205
Выводы к главе Ш...210
ГЛАВА ІV. Диодная лазерная спектроскопия некоторых высоко симметричных молекул 212
4.1. О задачах лазерной ИК спектроскопии.,,212
4.2. Спектры эталонных газов по сверхвысоким разрешением. 218
4.2.1. Ширина и форма спектральных линий паров воды и
аммиака при разных давлениях ,,.218
4.2.2, Тонкая структура спектра полос поглощения аммиака и бензола ..221
4.3. Спектроскопия переохлажденных газов 235
4.3.1. Особенности спектров молекул с симметрией сферического волчка 235
4.3.2. Лазерный спектрометр для исследования переохлажденных газов. Методика исследования 241
4.3.3. Изотопическая структура спектра полосы гексафто-рида вольфрама...247
Выводы к главе ... 256
Заключение 258
Литература
- Электроннолучевая установка и методика исследования
- Фотостимулированный метод эпитаксиального выращивания гетероструктур
- Методы перестройки частоты полупроводниковых лазеров
- Тонкая структура спектра полос поглощения аммиака и бензола
Введение к работе
Актуальность темы. Перестраиваемые инжекционные лазеры среднего и дальнего инфракрасного диапазона находят широкое применение в ИК спектроскопии высокого разрешения. Развитие исследований по физике и технологии полупроводников с узкой запрещенной зоной, лазерных диодов на их основе и применение последних позволило радикально увеличить спектральное разрешение (~ 10 см ), чувствительность спектрального анализа
_ то
( регистрация примеси на уровне ~10 г ), быстродействие (~10~9с) и локальность методов спектроскопии в области длин волн 3-30 мкм. Методы лазерной спектроскопии высокого разрешения с применением длинноволновых инжекционных лазеров (ШІ) открыли принципиально новые возможности в молекулярной спектроскопии при исследовании газов с доплеровским и субдопле-ровским уширением спектральных линий, позволив разрешить тонкую и сверхтонкую структуру ИК спектров молекул и, тем самым, детально изучать их строение. Весьма перспективно применение перестраиваемых инжекционных лазеров в аналитических измерениях, для изучения кинетики химических реакций, фотохимии, метрологии и др.
Инжекционный лазер по спектральной плотности мощности и яркости на много порядков превосходит тепловые источники излучения, низкой спектральной плотностью которых ограничивается разрешение в классической ИК спектроскопии. Например, лазерный диод из теллурида свинца-олова, излучающий на длине волны 10 мкм мощностью всего 10 мкВт обладает спектральной плотностью мощности на девять порядков выше, чем абсолютно черное тело с температурой 2000 К. Для получения такой мощности в полосе лазера потребовалось бы абсолютно чер-
ное тело с отверстием в полости около метра в диаметре.
Дальнейшему расширению области применения перестраиваемых ИЛ способствуют такие их уникальные качества, как возможность получения с помощью твердых растворов генерации с задан-ной длиной волны, высокая монохроматичность ( до 10~см ), большой диапазон перестройки (>100 см-1), простота и легкость
частотной и амплитудной модуляции, высокая стабильность, ма-
-4 2 лая площадь излучающей области ( ~ 10 см ), компактность и
др. Благодаря этим отличительным чертам, перечень которых далеко не полон, разработан промышленный ПК спектрометр на инжек-ционных лазерах с разрешением, превышающим классические ИК спектрометры на несколько порядков. Большинство работ по молекулярной спектроскопии высокого разрешения как за рубежом, так и у нас в стране выполняются с применением перестраиваемых длинноволновых инжекционных лазеров.
В настоящее время применение полупроводниковых лазеров из халькогенидов свинца-олова выходит за рамки научных спектроскопических лабораторий. Такие лазеры уже начинают использоваться в промышленности для контроля чистоты веществ в технологических процессах и для контроля загрязнения атмосферы.
Когда в 60-х годах были созданы лазеры, сразу стало очевидным, что этот новый прибор станет уникальным источником излучения для спектроскопии. Однако первоначально, вплоть до 1970 г., диапазон плавной перестройки был ограничен, как пра-вило, величиной порядка 0,1 см х в области отдельных дискретных линий газового лазера. У полупроводниковых лазеров область
плавной перестройки на порядок больше, а линия генерации пе-
т рестраивается на сотни см * С этой точки зрения полупроводниковые лазеры имеют явное преимущество. Тем не менее, идея использования перестраиваемых полупроводниковых лазеров ере-
ди альтернативных решений далеко не сразу проложила себе дорогу. Ряд обстоятельств одерживаете влиял на развитие длинноволновых полупроводниковых лазеров. Среди них опасения никзой монохроматичности, что, например, имеет место в лазерах на арсениде галлия с широким резонатором; трудности в осовении технологии получения совершенных кристаллов и пленок твердых растворов халь-ковзнидов свинца-олова; опасения, что сильная перестройка, присущая полупроводниковым лазерам, приведет к неконтролируемым спектральным смещениям за время регистрации.
Развитие полупроводниковых лазеров связано с работами советских физиков, академиков Н.Г.Басова, Б.М.Була, Ж.И.Алферова и их сотрудников. Отечественным ученым принадлежит сама идея полупроводниковых лазеров /1-3/, основные идеи их совершенствования и создание лазера на гетероструктурах с электрическим и оптическим ограничением, разработка лазеров на многокомпонентных системах /4-8/.
Первый ИД был создан в 1962 г. на арсениде галлия и излучал в ближней РІК области. В последующие годы основные работы были выполнены на основе лазеров из арсенида галлия и твердых растворов АшВу.
К моменту начала нашей работы в стране не существовало длинноволнового лазера на основе узкозонных твердых растворов халько-генидов свинца-олова, да и сама технология этих полупроводников находилась в зачаточном состоянии . Впервые внимание к исследованию рекомбинационного излучения халькогенидов свинца было привлечено в 1953 г., когда в работе, выполненной под руководством Я.Н.Курбатова ,наблюдалась инфракрасная фотолюминесценция поликристаллических слоев сернистого свинца /52/. Дальнейшие исследования были выполнены на монокристаллах. Первыее наши исследования рекомбинационного излучения халькогенидов свинца, начатые почти
одновременно с работами в Массачусетсом технологическом институте в США /9-13/, относятся к 1965 году, когда при электроннолучевом возбуждении был исследован ряд кристаллов АщВу, АдВуї»
А1У%1
/ 4,15,252-260/ и получен впервые лазерный режим с дискретно изменяемой длиной волны на твердых растворах сульфида-се-ленида свинца в диапазоне 4-6,5 мкм. ИЛ на этом соединении были реализованы в СССР Н.С.Барышевым с сотрудниками /ІШ, і 55/. Раб ота получила дальнейшее развитие в 1971 г., когда удалось реализовать лазерное излучение на длине волны 10 мкм и выше на более узкозонных твердых растворах теллурида и селенида свинца-олова /18,17/,
Хотя длинноволновые инжекционные лазеры были созданы впервые за рубежом и параллельно велась работа по фундаментальным исследованиям полупроводников с узкой шириной запрещенной зоны и перестраиваемым лазерам на их основе А.П.Шотовым с сотрудниками, многие вопросы излучательной рекомбинации^особенностей генерации вынужденного излучения в узкозонных полупроводниках были исследованы недостаточно. Разработка отечественных длинноволновых (10 мкм и выше) инжекционных лазеров на гетероструктурах потребовала решения этих задач. Вопрос о лазерах дальнего ИК диапазона также был разработан недостаточно. Предстояло расширить спектральный диапазон ИЛ в длинноволновую область за ранее достигнутый рубеж 32 мкм, что связано с преодолением ряда трудностей технологического и принципиального характера.
Использование инжекционных лазеров в спектроскопии тесно связано с когерентными свойствами, модовой структурой и перестроечной характеристикой. Представляет интерес вопрос о совершенствовании перестроечной характеристики с целью сокращения и устранения спектральных разрывов в перестроечной характеристике и разработке перестраиваемых полупроводниковых лазеров с комбиниро-
-9-ванной перестройкой, обладающих более широкой областью плавной перестройки. Эти исследования закончились созданием макета лазерного спектрометра.
С помощью разработанного макета спектрометра на инжекцион-ных лазерах наблюдается, например, в спектре гексафторида серы и бензола, сотни линий на спектральном участке I см . Подобные исследования юнкой структуры молекулярных спектров и их расшифровка являются ключом к пониманию деталей строения молекул и относятся к задачам целых спектральных лабораторий. Мы сосредоточили свои усилия на получении и исследовании тонкой и изотопической структуры Ж спектра гексафторидов некоторых тяжелых элементов. Эта задача, - разрешение тонкой структуры спектра молекул с симметрией сферического волчка, - не могла быть решена методами классической спектроскопии и в отношении гексафторида урана представляет потенциальный практический интерес. Хотя аналогичные исследования были проведены в США., необходимость их постановки была продиктована отсутствием литературных данных по изотопическому сдвигу в спектре гексафторида урана. Более того Госдепартаментом США. введено эмбарго на поставки лазеров соответствующего диапазона ( 16 мкм).
Цель настоящей работы состояла в получении лазерного излучения в узкозонных твердых растворах халькогенидов свинца-олова, создании на их основе лазеров с изменяемой длиной волны и последующим применением их в ИК спектроскопии высокого разрешения. Для этого необходимо было изучить излучательную рекомбинацию в этих соединениях /19-23/, создать методы контроля, в частности, по квантовому выходу; разработать длинноволновые инжекционные лазеры /24-33, 250-251/.
Постановка задачи включала исследование особенностей лазерного излучения в узкозонных полупроводника /34/, методов перест-
ройки и перестроечной характеристики /35,36/. В качестве применения было избрано исследование методами лазерной спектроскопии /37,44/ тонкой и изотопической структуры ИК спектра гексафтори-дов некоторых тяжелых элементов /45-48/. Защищаемые положения и их новизна
1. Систематические исследования рекомбинационного излучения
полупроводников с узкой запрещенной зоной, - халькогенидов свин
ца-олова, - в широком интервале концентраций носителей, темпе
ратур, уровней возбуждения и составов твердых растворов. В ре
зультате этих исследований установлены основные закономерности и
природа излучательной рекомбинации в узкозонных твердых раство
рах AjyByj.
Исследования носят приоритетный характер.
2. Экспериментальные и теоретические исследования особен
ностей генерации вынужденного излучения узкозонных полупроводни
ков. Реализация длинноволнового лазерного излучения ( 4-28 мкм)
с изменяемой длиной волны при электронном возбуждении. Создание
и исследование длинноволновых инжекционных лазеров на гетеро-
структурах среднего и дальнего ИК диапазона (10-46 мкм).
Впервые получена генерация вынужденного излучения в твердых растворах сульфида-селенида свинца с дискретно изменяемой длиной волны и четырехкомпонентных твердых растворах селенида-теллури-да свинца-олова.
Впервые разработаны ИЛ дальнего ИК диапазона с длиной волны свыше -32 мкм ( до 46 мкм).
Впервые предложена модель для объяснения особенностей генерации вынужденного излучения узкозонных полупроводников, основанная на доминирующей роли потерь на свободных носителях в длинноволновых лазерах.
- II -
3. Реализация высокого разрешения ( 10 см ) в молекуляр
ной спектроскопии с применением длинноволновых перестраиваемых
инжекционных лазеров и разработка быстродействующего ИК спектро-
—я —т
метра с разрешением лучше, чем 10 см х в области спектра 200-
2500 см-1.
Впервые детально исследована перестроечная характеристика
полупроводниковых лазеров при комбинированном воздействии тока
и магнитного поля с целью устранения спектральных разрывов в
перестроечной характеристике.
Впервые получены Ж спектры молекул методом диодной лазерной
спектроскопии в дальней ИК области.
4. Разработка макета лазерного спектрометра для исследова
ния переохлажденных газов с использованием импульсной сверхзву
ковой струи. Разрешение с его помощью тонкой и изотопической
структуры ИК спектров молекул с симметрией сферического волчка-
гексафторидов серы, вольфрама и урана.
Результаты по изотопическому сдвигу в спектре гексафторида урана ранее опубликованы не были.
Практическая значимость работы. Один из главных практических результатов работы заключается во внедрении разработанного лазерного спектрометра в Ленинградском оптико-механическом объединении. Разработка заводского прибора такого типа повысит уровень спектрального приборостроения в СССР. Разрешение спектрометра на несколько порядков превышает лабораторные дифракционные ЖС и достигает Ю^см""1 при быстродействии 10""4с/см-1 в спектральном диапазоне 6-46 мкм. По своей разрешеющей способности он не уступает спектрометру, выпускаемому американской фирмой opecttQ- fnifSkS, но . превышает по спектральному диапазону.
Можно отметить практическую направленность наших исследо-
ваний катодолюминесценции. В частности, был разработан метод люминесцентного контроля и отбора кристаллов и пленок халькоге-нидов свинца-олова для активной среды инжекционных лазеров.
Непосредственное практическое значение имеет разработка инжекционных лазеров на халькогенидах свинца-олова и исследование их перестроечных характеристик. Лазеры из гетероструктур, полученных методом фотостимулированной газовой эпитаксии, зарекомендовали себя надежно работающими приборами. Для примера можно сослаться на их использование в исследованиях по лазерной спектроскопии в Физическом институте АН СССР /49/, Институте спектроскопии АН СССР в лаборатории спектрального приборостроения /39,41,44/ в Институте атомной энергии.
Потенциально важную роль для лазерного разделения изотопов играют наши исследования по лазерной спектроскопии гексафтори-дов тяжелых элементов, особенно измерение изотопического сдвига в молекулярном спектре гексафторида урана для двух изотопов урана 238U и И , выполненных совместно и по предложению ИАЭ.
- ІЗ -
Электроннолучевая установка и методика исследования
На основе соотношений было исследовано изменение эффективных масс в зависимости от So ( рис.5). До точки инверсии ( б у + ( - і продольные компоненты эффективных масс больше поперечных и эффективные массы стремятся к нулю по мере уменьшения &о После точки инверсии ( Gets4 && ) поперечные компоненты /71IXG и ЩіХї оказываются больше продольных и становятся бесконечными при Go равных, соответственно, ІД и Iс . Начиная с этого момента, главные экстремумы зон смещаются от X точки в плоскости гексагональной грани зоны Бриллпэна и, строго говоря, запрещенная зона более не является прямой.
В последние годы численные расчеты зонной структуры халь-когенидов свинца достигли того уровня, на котором их результаты можно считать достаточно надежными. Тем не менее, точность этих расчетов для узкозонных материалов в принципе не позволяет обойтись без подгонки под эксперимент таких ключевых параметров, как ширина запрещенной зоны. Недавно Б.А.Волковым и О.А.Панкратовым был предложен альтернативный подход к зонной структуре полупроводников AjyByj /95/, основанный на построении зон из р-орбиталей ( функций Ваннье) в духе метода сильной связи. Основным преимуществом этого подхода является его простота и наглядность, позволяющая, в частности, понять наличие в халькогенидах свинца аномально малой щели в точке X зоны Бриллюэна. Качественная картина зон позволила объяснить
Как оптические /73,75,96,97/, так и электрофизические /75,98,99/ измерения, проведенные на теллуриде свинца-олова, свидетельствуют о наличии второй валентной зоны. Её максимум лежит ниже главного экстремума на 230 мэВ (X = 0,21) при 82 К /73/ и вероятнее всего расположен на 2D оси зоны Бриллюэна /97,100/,, В работе /93/ указывается на возрастание энергетического промежутка между валетными зонами при увеличении состава.
Халькогенидам свинца-олова свойственны заметные отлоне ния от стехиометрии и соответственно высокие концентрации но Т7 сителей, обычно 10х и больше. При избытке металла получается п-тип, при избытке халькогена - р-тип /61/. Концентрация в области примесной проводимости от гелиевых до комнатных температур характеризуется полуметаллическими свойствами, слабо зависит от температуры и не вымораживается вплоть до самых низких температур /77,78/. Такое поведение подтверждается теоретическими расчетами, показывающими, что источником свободных носителей в халькогенидах свинца-олова являются вакансии халькогена ( электроны) и металла ( дырки), образующие состояния в зонах разрешенных энергий / 101/.
Электрофизические свойства халькогенидов свинца-олова во многом определяются необычно высокими для полупроводников значениями диэлектрической проницаемости ( Є4. 10 ) /102/, что приводит к слабому влиянию примеси на энергетический спектр носителей и их подвижность. Благодаря большим Є существенно подавлен механизм рассеяния на заряженных центрах и подвижности носителей при низких температурах высоки, несмотря на большие концентрации. Температурный ход подвижности связывают с рассеянием носителей на акустических фононах с учетом темпе - 28 -ратурного изменения эффективной массы /63,74/.
Фундаментальное поглощение
Один из наиболее важных процессов поглощения в полупроводниках связан с переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости ( фундаментальное поглощение). В теллуриде свинца-олова ( X = 0,0; 0,1; 0,2) фундаментальное поглощение при комнатной температуре изучалось в работе /ЮЗ/» Вблизи края наблюдались линейная зависимость квадрата коэффициента поглощения от энергии фотонов "& в соответствии с моделью вертикальных переходов менду параболическими зонами /104/. Коэффициент поглощения описывается , jte Jte-e,) (1.2)
Дальнейший ход более быстрый, что авторы объясняли сильней непараболичностью зон. Экспериментальные спектры поглощения сравнивались с расчитанными по модели Кейна. Удовлетворительное согласие наблюдалось до энергий фотонов 0,45 эВ.
Определенный интерес представляет работа /105/, в которой авторы одновременно с поглощением исследовали оптическое усиление в теллуриде свинца при 77 К. Результаты сравнивались с расчетными на основе параболической зонной модели и прямых метвдузонных переходов с выполнением правил отбора по квазиимпульсу.
Фотостимулированный метод эпитаксиального выращивания гетероструктур
Не менее наглядно выявились преимущества катодолюминесцент-ной методики при отборе кристаллов по их составу. В ранних опытах, когда кристаллы теллурида свинца-олова имели сильные напряжения и не были свободны от сегрегации по составу, определение содержания олова и свинца методом рентгеновского микроанализа не соответствовало содержанию олова в матрице твердого раствора. Другие методы, например, измерение периода решетки в кристаллах, выращенных по Чохральскому, давало еще большую неопределенность. В кристаллах теллурида свинца-олова, несмотря на высокое содержание олова в исходной шихте ( до 29 %), не удалось получить излучения с длиной волны, большей 16 мкм. Это соответствует содержанию олова около 19-20$. Задача расширения спектрального состава на область 16-36 мкм была решена путем люминесцентного отбора монокристаллов селенида свинца-олова, в которых для получения узкой запрещенной зоны требуется значительно меньшее содержание олова ( 12$). Кристаллы были выращены методом Бриджмена-Штокбаргера, разрезаны на пластины и подвергнуты отжигу. Необходимый состав отбирался в пределах одной пластины. На нескольких мм пластины длина волны катодолюминес-ценции могла изменяться на несколько мкм.
Рабочая гипотеза, использованная нами в процессе исследования люминесценции кристаллов, полученных разными технология ми состояла в признании определяющей роли для квантовой эффективности преципитатов. Преципитаты ( вторая фаза) должны выделяться при охлаждении кристалла из-за ретроградной растворимости, причем вьщеление для твердых растворов из-за расширения области гомогенности должно увеличиваться более чем на порядок, для ubehJe. (х = 0,2) концентрация избыточных атомов или ва ри _ 3 то кансий свинца-олова составляет 10 см , в сравнении с 10 для теллурида свинца /184/. Поэтому, в отличие от бинарных соединений теллурица и селенида свинца,объемные кристаплы твердых растворов ( по Бриджмену, Чохральскому, из газовой фазы ) начинают люминесцировать только после длительного отжига. Концентрация в зависимости от режимов отжига понижается до 10і -І0І9см 3,
Исследование образцов теллурида свинца-олова после отжига показало, что при концентрации 10 см наблюдается постепенное падение инетнсивности люминесценции, которое мы связываем с появлением преципитатов. Рентгено-структурные исследования объемных газофазных кристаллов теллурида свинца-олова до и после отжига отмечают, что отжиг сопровождается расширением кривой качания до 1-2. Было предположшсучто наблюдающееся ухудшение структурынх свойств связано с разориентацией по малым угловым границам, в то время как повышение квантовой эффективности обусловлено очищением блочных объемов от преципитатов.
Совершенные кристаллы теллурида свинца-олова ( полуширина кривой качания 0,1) с концентрациями 10 CM"J И размерами стороны кубика 1-2 мм получаются методом пересублимации. Кристаллы люминесцируют без отжига, на них нами впервые была получена генерация при электронном возбуждении (Ji 10 мкм). Отжиг кристаллов не улучшает квантовый выход. Выращивание идет в равновесных условиях кристаллизации при избытке металла и происходит, по-видимому, в области гомогенности.
Отметим, что при выращивании кристаллов в сильно-неравновесных условиях может возникать явление сегрегации по составу , которое приводит к падению квантового выхода.
Особый интерес представляет получение эпитаксиального активного слоя. Были исследованы монокристаллические пленки теллурида свинца-олова, полученные методом фотостимулированнои газовой эпитаксии ( Т = 0,4 - 0,7 Т____ ), вакуумным напылением ( Т -400С), низкотемпературным ( Т 600С) выращиванием из раствора-расплава и методом молекулярной эпитаксии.
Пленки теллурида свинца-олова,полученные жидкостной эпитак-сией ( X = 0,18) не требуют отжига и.хорошо люминесцируют сразу после выращивания. Они имеют обычно низкую концентрацию но-сителей р 10 см и выше и, по-видимому, исходя из условий роста незначительную концентрацию преципитатов. Легирование жидкофазных пленок в процессе выращивания приводило к падению интенсивности люминесцениции, Пленки ( X = 0,18 ) имели TQ О концентрацию носителей - 10 см и были легированы кадмием, индием, галлием и талием. Температурная зависимость интенсивности слабая ( рис. 32); низкий квантовый выход определялся безизлучательным каналом, слабо зависящим от температуры.
Методы перестройки частоты полупроводниковых лазеров
На диодах с составами до точки инверсии ветви сдвигались в коротковолновую сторону при увеличении магнитного поля. Скорость смещения с(І составляла I(T3CM""V3 при полях больше 20 кЭ. Для лазеров с составами после инверсии скорость смещения линии имела ту же величину, но обратный знак. Длина волны лазерного диода на bSupefy-O wta, перестроена до 34 мкм изменением поля до 80 кГс.
В лазерах на селенидах свинца-олова был измерен сдвиг лазерных переходов в магнитном поле и смещении мод /203/, В магнитном поле моды смещаются незначительно, их скорость (КГ4 см_1/Э) на порядок отличаются от сдвига контура усиления и зависит от величины приложенного поля. При больших полях 25 кЭ, как уже говорилось моды испытывают уширение.
В работе /205/ на диодах из селенида свинца-олова подробно исследована перестройка мод в небольших магнитных полях 10 кЭ,
При изменении тока и магнитного поля удалось улучшить перестроечную характеристику, сократив разрывы в ней и на 90$ перекрыть спектральный диапазон в области 14 мкм,
В Советском Союзе перестройка магнитным полем подробно исследована А,П.Шотовым,И,И,Засавицким и др./206,207/,а также использована нами для устранения разрывов в перестроечной характеристике /36,43/.
В экспериментах по температурной перестройке длины волны использовалась криостатная система типа УТРЭКС, Основными составными частями системы УТРЭКС являются оптический гелиевый криостат и схема стабилизации температуры, в которую входят моностат, потенциометр Р-348, датчик температуры, автоматический и ручной клапаны, электронная схема управления (рис. 51) Исследуемый образец на специальном штоке помещается в рабочую камеру ( шахту), которая через систему змеевиков,имеющих иглу, соединена с гелиевой ванной криостата. Охлаждение образца возможно как парами гелия, так и в жидком гелии. При этом система шлюзования позволяет отсекать объем шахты от окружающей атмосферы и легко осуществлять замену образцов в залитом криостате. Холодные окна рабочей камеры из хлористого серебра выдерживают изменения температуры и допускают оптические исследования в ИК диапазоне до 28 мкм.х Датчиком температуры служила термопара медь-сплав меди и железа с крутой характеристикой ( 16 мкВ/град при 30 К). Один спай термопары находится в жидком гелии, другой - в непосредственной близости от образца. Температура измеряется на высокочувствительном ( Ю 3В) потенциометре постоянного тока Р348.
В процессе работы в гелиевом объеме криостата с помощью моностата поддерживается постоянное давление, что исключает сильные флуктуации температуры из-за нестабильности давления в главной магистрали. Моностат представляет собой пневматический клапан, состоящий из металлического баллона объемом I л с отверстием, закрытым резиновой мембраной. Перед началом работы в моностате по жидкостному /-образному манометру задается избыточное давление ( на 20-30 мм.вод.ст. больше давления в главной магистрали), поддерживаемое через посредство мембраны в гелиевой ванне криостата.
Температура в рабочей камере изменяется путем увеличения или уменьшения скорости прокачки паров гелия через неё, которая регулируется двумя клапанами: ручным и автоматическим.Пос-Стабилизация температуры происходит следующим образом. Исходная температура в соответствии с градуировкой термопары устанавливается на потенциометре Р-348. Если в рабочей камере температура отлична от заданной, с потенциометра поступает сигнал, полярность которого зависит от знака отклонения температуры и подается на электронную схему управления. Последняя состоит из моста, собранного на двойном триоде 6Н6П с большой крутизной. Сигнал вносит разбаланс в схему, что приводит к замыканию соответствующих контактов полярного реле РП-5. При этом либо подается напряжение на автоматический клапан ( охлаждение образца), либо накал на печку ( нагрев образца). Таким образом поддерживается заданная температура с точностью лучше ІСГ2 К от 4,2 и выше.
На рис. 52 показано температурное смещение частоты излучения лазеров на основе различных твердых растворов халысогени-дов свинца-олова. Приведены кривые для лазеров и разным составом активной области для теллурида свинца-олова (0 X 0,20), селенида свинца-олова (0 X 0,13) и четырехкомпонентного раствора теллурида-селенида свинца-олова (20$ $п$е. ). Зависимость частоты излучения V от температуры повторяет температурный ход ширины запрещенной зоны 6 Й Зависимость V (Т) в области низких температур до Т 45 К ( %S/ie ) и до Т 35 К ( 9h$hJe ) нелинейная, производная д /9Т увеличивается с ростом температуры. При более высоких температурах на линейном участке производная /дТ составляет 0,45 + 0,02 мэВ/град.
Тонкая структура спектра полос поглощения аммиака и бензола
Спектральное положение 171 моды определяется оптической длиной резонатора (1.20) (Мл ), В магнитных квантующих полях, в отличие от других воздействий, показатель преломления изменяется слабее. Поэтому изменением магнитного поля можно смещать контур усиления, почти не воздействуя на смещение моды и тем самым управлять положением контура усиления относитель-но интересующей нас ГП моды.
Разберем численный пример. Необходимо обеспечить смещение моды в пределах межмодового интервала, обычно «- 2 см" , для чего требуется изменение температуры дТ -2,5 К. Однако при таком нагреве контур сместится на 10 см"1 и, чтобы вернуть его на частоту интересующей нас моды, надо изменить магнитное поле ( - - 5 см_1/кЭ) на 2 кЭ. Задача представляется технически не очень сложной: комбинирование температурной и небольшой - 187 -( до 10 кЭ) магнитной перестройки. Магнитное поле позволит удерживать максимум контура усиления на интересующей нас моде.
Результаты комбинированной перестройки температурой (током) и магнитным полем подтвердили этот расчет. В поле внешнего электромагнита ( до 12 кЭ) на одном лазерном диоде из селенида свинца-олова ( У = 0,07) нам удалось достичь практически полного перекрытия спектрального диапазона 620-640 см .
Лазерные диоды устанавливались в криостате на медном хла-допроводе, охлаждаемом жидким гелием. Изменение температуры осуществлялось в процессе разогрева лазерного диода в течение питающего импульса тока длительностью 10 сек. Такой режим работы лазерных диодов был использован нами ранее для спектроскопии высокого разрешения. Разогрев диода в конце импульса в зависимости от величины тока составлял несколько десятков градусов, что оценивалось из известных данных по температурной перестройке излучения лазерных диодов на халькогенидах свинца-олова. Магнитное поле до 12 кЭ создавалось внешним электромагнитом. Направление поля соответствовало вектору плотности тока инжекции через р-п переход. Модовый состав излучения лазерных диодов анализировался на монохроматоре ВДР-23 с эшелеттом 75 штр/мм ( спектральное разрешение 0,2 см-1).
Влияние только магнитного поля на частоту контура усиления лазерного диода , работающего при температуре 30 К показано на рис. 57. Фиксация температуры активной области осуществлялась путем выделения из всего импульса излучения короткого временного интервала 10" сек, в течение которого температурные изменения несущественны. Наблюдаются две ветви кривой перестройки, соответствующие переходам между нулевыми спи-нораещепленными подзонами Ландау без изменения спина ( низкоэнергетическая линия 3.1 ) и с изменением спина ( высокоэнерге -тическая линия &, ). Скорости перестройки магнитным полем на линейных участках составляют 2 см_1/кЭ для переходов без изменения спина и 4,5 см" 1/кЭ для переходов с изменением спина.
Одновременно включение магнитного поля приводит к возрастанию числа мод в излучении диода ( рис.57). Основная причина данного явления может быть связана с ослаблением взаимодействия между различными пространственно разнесенными в активной области каналами генерации вследствии уменьшения подвижности и коэффициента диффузии в поперечном магнитному полю направлении ( в плоскости р-п перехода).
Поскольку при работе в импульсном режиме за счет разогрева лазерного диода в течении импульса тока происходит сканирование температуры, то изменением магнитного поля автоматически осуществляется комбинированная перестройка частоты излучения. При увеличении магнитного поля сигнал излучения в области некоторой частоты ( частота контура усиления), который выделяется из всего импульса свечения лазерного диода с помощью монохроматора, перемещается по направлению к началу импульса в сторону понижения температуры. Если следить за эволюцией отдельной моды то можно наблюдать, что её диапазон температурной перестройки смщается в длинноволновую область в соответствии с выше изложенными результатами. На рис. 58 представлена картина комбинированной перестройки наиболее интенсивных мод лазерного диода f/РрпрЄ. t работающего при токе 0,8 А в области 16 мкм. Пунктирными линиями обозначены смещения мод для линии 5 вследствии одновременного воздействия температуры и магнитного поля
