Введение к работе
Актуальность темы.
Важнейшие направления развития квантовой электроники связаны с проблемой управления спектральными характеристиками вынужденного излучения лазеров и включают в себя :
расширение и непрерывное заполнение диапазона частот, освоенных для генерации вынужденного излучения с требуемыми энергетическими, пространственными и временными характеристиками;
управление структурой и шириной спектра излучения от минимальной ширины линии, определяемой обратной длительностью светового импульса, до заданной полосы частот с квазисплошной структурой;
разработка методов дискретной либо плавной перестройки частоты излучения по заданному закону и с заданной скоростью.
Данная работа посвящена различным решениям проблемы управления спектром в новом твердотельном лазере длинноволнового инфракрасного диапазона на межподзонных переходах в германии р-типа проводимости.
Длинноволновым инфракрасным диапазоном (ДНК) называется часть электромагнитного спектра с длиной волны от 30 мкм до 300 мкм, лежащая между оптикой и СВЧ диапазоном. До недавнего времени этот диапазон были сравнительно трудно достижим для генерации вынужденного излучения. Основные успехи в создании лазеров ДИК диапазона были полностью связаны с газовыми средами и лазерами на свободных электронах. Несмотря на то, что к настоящему времени известно более 300 дискретных линий разных газов, на которых осуществлена лазерная генерация в диапазоне длин волн от 70 до 200 мкм с использованием оптической накачки СО2 лазером, только около 10 линий обладают достаточной мощностью излучения, в непрерывном и/или импульсном режимах и реально используются в экспериментах [1]. Газовые лазеры являются практически неперестраиваемыми источниками (перестройка возможна обычно лишь в пределах контура линии усиления, обычно не более нескольких сотен МГц). Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) обладают широким непрерывным диапазоном перестройки длины волны и рекордной пиковой выходной мощностью (МВт), в том числе и в ДИК диапазоне [2]. Однако в силу их повышенной сложности, определяемой наличием электронного ускорителя, эти источники недоступны для обычных лабораторий (известно лишь несколько научных центров, использующих ЛСЭ для генерации
в ДИК диапазоне).
Новые полупроводниковые источники излучения ДИК диапазона на горячих дырках германия, характеризующиеся широкими потенциальными возможностями в перестройке длины волны излучения, а также компактностью и простотой, могут стать наиболее приемлемыми в значительной части оадач физики полупроводников и твердого тела [3].
Целью работы является изучение предельных потенциальных возможностей лазера длинноволнового инфракрасного диапазона на меж-подзонных переходах р-германия с учетом различных физических особенностей эффекта усиления излучения активной среды и различных управляемых параметров резонатора, направленных на создание удобного и надежного источника когерентного излучения для различных физических приложений в длинноволновом ИК диапазоне.
Научная новизна работы.
Экспериментально доказан однородный характер уширения (имеющий аномально широкую полосу) усиления лазера длинноволнового инфракрасного диапазона на межподзонных переходах р-германия.
Впервые методами гетеродинной спектроскопии проведены спектральные исследования излучения p-Ge лазера с ультравысоким для длинноволнового инфракрасного диапазона разрешением, позволившие определить спектральную ширину мод излучения лазера, спектральный модовый состав и его динамику в течение импульса генерации.
Установлена связь спектральной ширины излучаемой p-Ge лазером моды с длительностью импульса излучения.
Проведены расчеты собственных мод и частотных характеристик для квазиоптнческих открытых резонаторов с частотно-селективным зеркалом, показаны особенности таких резонаторов по отношению к широко известному классу открытых резонаторов без внутрирезона-торных селекторов частоты.
Практическая ценность работы.
Проведенные в диссертации экспериментальные и теоретические исследования различных конструкций резонаторов лазера на р-герма-нии, выход на спектроскопию сверхвысокого разрешения дальнего ИК диапазона позволили определить предельно достижимые спектральные характеристики излучения лазера, создать мощный уокополосный перестраиваемый полупроводниковый лазер в ДНК диапазоне на межподзонных переходах горячих дырок германия.
Это, в свою очередь, стимулирует развитие новых приборных воз-
можностей для p-Ge лазера, а также дальнейшие исследования потенциальных лазерных возможностей в ДИК диапазоне других полупроводниковых сред.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Экспериментально реализован уокополосный (до 600 МГц [0,02 см-1]) квазинепрерывно (с интервалом дискретности ~500 МГц) перестраиваемый (в диапазоне 2,55 ТГц [85 см-1] - 4,23 ТГц [І41 см-1]) лазер длинноволнового инфракрасного диапазона на межподзонных переходах в р-германии.
-
Экспериментально показано, что обужение полосы излучения лазера на межподзонных переходах в р-гермашш может приводить к росту спектральной плотности мощности излучения, обратно пропорциональному полосе линии излучения. Указанный рост обусловлен быстрыми процессами поперечной релаксации возбуждения внутри инвертированной подзоны легких дырок вследствие динамического изменения энергии дырок в инвертированной зоне в сильных скрещенных электрическом и магнитном полях, приводящего к аномально широкой полосе однородного уширения усиления излучения на межподзонных переходах.
-
Экспериментально установлено, что спектральная ширина моды излучения импульсного лазера на р-германии определяется длительностью импульса лазерной генерации и составляет « 0,4 - 0,8 МГц при импульсе излучения & 4 мкс. Время когерентности лазерного излучения достигает 1^2 мкс.
-
Экспериментально обнаружено, что спектр собственных мод лазера на р-германии синхронно ( с сохранением эквидистантности ) сжимается в сторону низких частот в течение импульса лазерной генерации. Средняя скорость относительного смещения спектра излучаемых мод составляет ~ 4х10-6/мкс в диапазоне приложенных полей В=0,8-1,1 Тл и Е=1,1-1,5 кВ/см.
Апробация результатов.
Основные результаты диссертации были представлены на: XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев, 1990); II Всесоюзном совещании по нелинейным и когерентным эффектам во внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (Ленинград, 1991); III Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с твердым телом" (Саратов, 1991); 1 Украинском симпозиуме "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн" (Харьков, 1991); 7 International Conferences on Hot Carriers in Semiconductors (Nara, Japan 1991); 17-19 International Conferences on Infrared and Millimeter Waves (Pasadena, USA 1992; Essex, Great Britain 1993; Sendai, Japan 1994); Международной конференции "Оптика лазеров-93" (Ленинград, 1993); International Conferences on Millimeter and Submillimeter Waves and Applications (San Diego, USA 1994); Международном симпозиуме "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн" (Харьков, Украина 1994); 14 IEEE International Semiconductor Laser Conference (Maui, Hawaii, USA 1994); 5 International Conference on Infrared Physics (Ticino, Switzerland 1994).
Публикации.
Основное содержание диссертации опубликовано в 10 печатных работах в периодических журналах, 17 работах в материалах конференций, 1 препринте, список которых приведен в конце автореферата.
Практически реализованные конструкции селективных и перестраиваемых лазеров защищены авторскими свидетельствами СССР и патентами Российской Федерации.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 2 приложений, и содержит Э7 страниц машинописного текста, в том числе 11 таблиц, 57 рисунков и список литературы, включающий 100 наименований.
