Перестраиваемые лазеры на основе гетероструктур InAsSb/InAsSbP, работающие в спектральном диапазоне 3-4 мкм тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ
|
Астахова, Анастасия Павловна
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Санкт-Петербург
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2004
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.10
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф. Иоффе
На правах рукописи
АСТАХОВА Анастасия Павловна
ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ ЛАЗЕРЫ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР InAsSb/InAsSbP, РАБОТАЮЩИЕ В СПЕКТРАЛЬНОМ ДИАПАЗОНЕ 3-4 мкм специальность 01.04.10 - физика полупроводников
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук.
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук, профессор
А.Н. Именков.
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Л.Е. Воробьев,
кандидат физико-математических наук, научн. сотр. В.П. Евтихиев.
Ведущая организация:
Институт общей физики Российской академии наук, г. Москва.
Защита состоится_г. в_часов на
заседании диссертационного совета К 002.205.02 Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.
Автореферат разослан_
2004 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
zoos -4
/I ^ S 4 О ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Перестраиваемые полупроводниковые лазеры, работающие в спектральном диапазоне 3-4 мкм, становятся в последнее время ключевым элементом молекулярной спектроскопии высокого разрешения. Дело в том, что данная область спектра уникальна. С одной стороны, здесь находится больше характеристических линий поглощения природных и промышленных газовЛтаких как метан СН4, сероводород H2S, аммиак NH3, пропан СгНб и других [1], чем в ближней инфракрасной области, для которой имеются высококачественные лазерные диоды. С другой стороны, в этом диапазоне отсутствуют сильные линии поглощения воды, что важно для дальнометрии. Поэтому источники излучения на спектральную область 3-4 мкм могут использоваться для решения многих научных и практических задач молекулярной спектроскопии, таких как создание газовых анализаторов высокой чувствительности и быстродействия, химического анализа, активного мониторинга окружающей среды, медицинской диагностики, контроля за технологическими процессами. В некоторых случаях для целей газоанализа достаточно использовать и светодиоды. Хотя их мощность и невелика (несколько мкВт), они способны работать при комнатной температуре в непрерывном режиме (CW), гораздо дешевле по стоимости и проще в эксплуатации. Однако для молекулярной спектроскопии высокого разрешения (на уровне ppb и pptv) требуется узкая ширина линии 1- 10МГц, которую могут обеспечить только когерентные источники излучения. Использование в качестве источника излучения перестраиваемого лазерного диода дает возможность не только определить присутствие газа в смеси и сделать вывод о его концентрации, но и прописать профиль линии поглощения его молекул.
В настоящее время в диодно-лазерной спектроскопии высокого разрешения в качестве источника когерентного излучения используются лазеры на основе солей свинца. Данные лазеры перекрывают широкий диапазон спектра от 4 до 25 мкм. Их неоспоримым преимуществом является высокая рабочая температура (до 296 К - в импульсном режиме и до 200 К - в непрерывном [2]), но^с другой стороны, эти лазеры сильно подвержены деградации из-за низкой теплопроводности и значительного рассогласования кристаллических решеток разных слоев. Кроме того, они имеют малый диапазон плавной перестройки (—ОД-гО.Зсм"1).
В отличие от лазеров на солях свинца лазеры на основе ДГС InAsSb/InAsSbP, излучающие в спектральном диапазоне 3-4 мкм, как было нами установлено, способны плавно изменять длину волны излучения в широком интервале (~40А) при плавном изменении величины питающего
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА CDctci О»
wiem
atfri
тока [3]. Благодаря этому становится возможным запись спектров поглощения молекул газа, а узкая ширина спектральной линии (10-20МГц) позволяет прописать и профиль отдельной линии этого спектра.
Поэтому полупроводниковые диодные лазеры в этой спектральной области очень перспективны, несмотря на то, что работают при температурах, близких к криогенным.
Данная работа посвящена как исследованию частотной перестройки лазеров на основе двойных гетероструктур InAsSb/InAsSbP для спектрального диапазона 3-4 мкм и выяснению ее природы, так и разработке нового физического подхода к быстрой перестройке частоты генерации лазера.
Целью настоящей работы являлись разработка и исследование перестраиваемых лазеров на основе ДГС InAsSb/InAsSbP, излучающих в спектральном диапазоне 3-4мкм, исследование тепловой перестройки лазеров и разработка нового метода перестройки частоты генерации лазера.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
- создание лазерных структур на основе ДГС InAsSb/InAsSbP для спектрального диапазона 3-4 мкм и формирование на их основе мезаполосковых лазеров с различной шириной полоска (10-ЮОмкм);
- поиск лазеров с перестройкой длины волны излучения не менее 10А и исследование их электрических, температурных и электролюминесцентных свойств;
- исследование излучательных характеристик лазера в зависимости от величины питающего тока в интервале токов от порога генерации до токов, в 5-6 раз превышающих пороговое значение, и выяснение их взаимосвязи;
- создание теоретической модели перестройки частоты генерации диодных лазеров на основе ДГС InAsSb/InAsSbP, оценки скорости перестройки;
- экспериментальное изучение газовых сред в лабораторных условиях путем их сканирования диодным лазером с широким диапазоном плавной перестройки.
Научная новизна
1. Исследована тепловая перестройка длины волны излучения в сторону больших длин волн диодного лазера на основе гетероструктур InAsSbP/InAsSb/InAsSbP при изменении температуры.
2. Впервые экспериментально обнаружена и исследована быстрая перестройка длины волны излучения в сторону более коротких длин волн диодного лазера на основе гетероструктур InAsSbPAnAsSb/InAsSbP при изменении величины питающего тока.
3. Обнаружено сужение потока лазерного излучения (самофокусировка) в интервале токов, где наблюдался максимальный сдвиг длины волны излучения в сторону более коротких длин волн.
4. Впервые установлено, что такой характер перестройки вызван влиянием нелинейных оптических эффектов, которые возникают в активной области за счет неоднородного распределения неосновных носителей заряда по ширине полоскового лазера. Рассмотрена теоретическая модель явления.
5. На основе расчетов произведена оценка скорости токовой перестройки длины волны излучения.
6. Измерены спектры пропускания ряда природных газов, таких как
при сканировании кюветы
перестраиваемым диодным лазером.
Практическое значение работы заключается в следующем:
- созданы и исследованы перестраиваемые лазеры на основе двойных гетероструктур InAsSb/InAsSbP для спектрального диапазона 3-4мкм. Их плавная перестройка при изменении питающего тока и узкая ширина линии излучения делают возможным не только сканирование с их помощью газовых сред и идентификацию содержащихся в ней газов, но и определение профиля линии поглощения, что чрезвычайно важно для молекулярно-лазерной спектроскопии;
- измерены линии поглощения газов; сероокись углерода OCS, паров воды Н2О, хлористого метила СН3С1, оксида азота N2O и аммиака NH3 - при сканировании кюветы перестраиваемым диодным лазером.
Научные положения
Результаты проведенных исследований позволили сформулировать
следующие научные положения, выносимые на защиту:
1. В лазерах на основе гетероструктур InAsSbP/InAsSbflnAsSbP, работающих в спектральном диапазоне 3-4 мкм, при нагревании их импульсом тока или при изменении температуры происходит смещение длины волны излучения отдельной моды в сторону больших длин волн со скоростью 1-2 А/К. Эта перестройка носит название тепловой и вызвана, главным образом, зависимостью коэффициента преломления полупроводника от температуры.
Быстродействие тепловой перестройки определяется временем тепловой релаксации кристалла и составляет десятки — сотни микросекунд.
2. В полосковых лазерах на основе гетероструктур InAsSbP/InAsSb/InAsSbP с шириной полоска 10-г40мкм и длиной резонатора 20СМ-500мкм при изменении величины питающего тока от одного до четырех пороговых значений наблюдается токовая перестройка длины волны излучения в коротковолновую сторону, обусловленная нелинейными оптическими эффектами. Выгорание носителей в середине полоска вследствие вынужденного лазерного излучения приводит к уменьшению их концентрации чуть ниже порогового значения и аккумуляции носителей на краях полоска выше пороговой концентрации. В результате этого показатель преломления изменяется по ширине полоска и формируется плавный поперечный волновод. Такой процесс приводит к увеличению скорости распространения лазерного излучения в резонаторе, и длина волны генерации плавно смещается в сторону более коротких длин волн при увеличении тока.
3. В полосковых лазерах на основе гетероструктур InAsSbP/InAsSb/InAsSbP перестройка длины волны излучения в коротковолновую сторону сопровождается расширением диаграммы направленности в плоскости, параллельной р-п-переходу вследствие самофокусировки лазерного потока за счет уменьшения коэффициента преломления от середины к боковым краям полоска и формирования плавного концентрационного волновода по ширине полоска. Впервые была показана связь самофокусировки с изменением длины волны излучения.
4. Впервые обнаружено, что в образующемся плавном концентрационном волноводе происходят поперечные колебания лазерного потока, в результате которых диаграмма направленности излучения раздваивается, и поперечные моды резонатора подавляются.
Апробация работы. Основные результаты настоящей работы были представлены на следующих Международных конференциях: Conference on Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices, (Prague, Czech Republic, 1998; Montpellier, France, 2001; St. Petersburg, 2004), Tunable Diode Laser Spectroscopy (Moskow, 1998), Nanotechnologies (St. Petersburg, 2002).
Публикации. Материалы диссертационной работы представлены в 16 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы
составляет_страниц, включая_рисунков и 2 таблицы. Список
цитируемой литературы включает_наименований и занимает _ страниц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность, проведенных в данной работе исследований, сформулирована основная цель работы, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены выносимые на защиту научные положения и краткое содержание диссертации по главам.
Первая глава посвящена обзору литературы по теме работы и постановке задач исследования. Рассматриваются излучательные свойства и перестройка лазеров среднего инфракрасного диапазона, применяемых в качестве источника когерентного излучения в молекулярной спектроскопии. В разделе 1.1 даны характеристики перестраиваемых
ту у т.
лазеров на солях свинца (соединения А В ) и на основе твердых растворов излучающих в диапазоне длин волн 2-10мкм, и
проведено сравнение их свойств с точки зрения применимости в диодно-лазерной спектроскопии. Подробно описаны методы изготовления и различные конструкции полупроводниковых диодных лазеров, приведены их температурные характеристики и данные о величине и скорости изменения длины волны излучения. Из приведенных данных можно сделать вывод, что лазеры на основе соединений А1УВУ1 способны генерировать излучение до комнатных температур только в
импульсном режиме с мощностью одной моды до 1,2 мВт, а в непрерывном - до 200К с мощностью одной моды 0,18 мВт [2]. Эти лазеры обладают низкими пороговыми токами при температуре жидкого
азота) и способны работать при высоких значениях тока накачки, превышающих пороговое значение в 45 раз. При этом одномодовый режим генерации сохраняется до токов накачку в 11 раз превышающих пороговое значение. Как перестраиваемые источники когерентного излучения такие лазеры могут работать только при криогенных температурах (до 110К). Полный диапазон перестройки достигает до 4,5см"1, однако интервал плавной перестройки очень мал (менее 1см"1) из-за значительного разогрева питающим током активной области [2]. Эти лазеры сильно подвержены деградации из-за значительного рассогласования параметров решетки разных слоев и плохой теплопроводности, что приводит к очень короткому сроку службы подобных лазеров. Перечисленные свойства являются существенными недостатками лазеров на солях свинца, поэтому встал вопрос о разработке
лазеров на основе новых полупроводниковых соединений, пригодных к использованию в качестве источников когерентного излучения. Лазеры на основе соединений А3В5 обладают лучшими рабочими и температурными характеристиками по сравнению с лазерами на солях свинца. Так, лазеры на основе ДГС структур для спектрального диапазона 3-4 мкм могут работать до 225 К в импульсном режиме и до 170 К в непрерывном [4]. Лазеры с квантовыми ямами в активной области способны работать вплоть до комнатной температуры (ЗООК) в импульсном режиме [5]. Квантово-каскадные лазеры с длиной волны излучения более 5 мкм могут работать и при температуре выше комнатной (до 320 К). Создание квантово-каскадных лазеров, работающих на межподзонных переходах, на спектральный диапазон 3-4 мкм затруднено рядом технологических проблем, связанных с необходимостью создания квантово-размерных структур с большим разрывом зон проводимости и выращивания для этого напряженных слоев. Поэтому пока существует лишь теоретически рассчитанная модель лазера с длиной волны генерации 3,15 мкм [6].
В разделе 1.2 описана тепловая перестройка частоты излучения диодных лазеров и ее физическая природа, приведены «плюсы» и «минусы» такого способа изменения длины волны генерации. Зависимость спектра излучения от температуры связана с уменьшением ширины запрещенной зоны активной области вследствие нагревания и смещением спектра усиления в сторону длинных волн и его расширением. Лазерные моды соответствуют частотам резонатора и смещаются плавно с изменением показателя преломления с температурой. Относительное изменение коэффициента преломления с температурой в 4 раза слабее, чем изменение ширины запрещенной зоны полупроводника, в котором распространяется излучение. И хотя такой механизм дает малый диапазон плавной перестройки, он все же достаточен для применения в молекулярной спектроскопии высокого разрешения. Однако температурная перестройка является очень медленным процессом, составляющим десятки - сотни микросекунд. Её инерционность связана со временем тепловой релаксации носителей в активной области и теплоотдачей из активной области лазерной структуры в другие слои полупроводника [7].
Раздел 1.3 посвящен применению полупроводниковых лазеров в молекулярной спектроскопии высокого разрешения в качестве источника когерентного излучения. Приведены схемы экспериментальных установок и записанные с их помощью спектры поглощения газов. Показаны преимущества лазеров на основе соединений АШВУ по сравнению с лазерами на солях свинца и сделаны выводы о перспективности их использования для целей диодно-лазерной спектроскопии.
Вторая глава является методической и посвящена технологии создания лазеров на основе гетероструктур InAsSMnAsSbP и разработанной нами методике исследования их электролюминесцентных характеристик. В разделе 2.1 изложены способы выращивания лазерных структур на основе соединений АШВУ и технология их постростовой обработки. Различные конструкции гетеролазеров приведены в разделе 2.2. В разделе 2.3 описаны исследованные образцы, состав слоев гетероструктур и параметры легирования. Проводились исследования лазеров на основе простых ДГС структур и на основе гетероструктур с раздельным оптическим и электрическим ограничением. Большие диапазоны перестройки были обнаружены на лазерах на основе ДГС с активным слоем толщиной 1мкм, при
температуре 77К, широкозонными слоями п- и p-InAs0.52Sb0.1sP0.30 толщиной по ~ 3 мкм и Ег«0.602эВ (Т=77К) каждый. Слой п-1пА58ЬР был легирован 8п до концентрации электронов (2+5) • 1018 см"3, слой р-ГпАэЗЬР был легирован Zn до концентрации дырок ~1 - 1018см"3. Активная область специально не легировалась, и концентрация электронов в ней составляла Для омичности контакта поверх ограничительного слоя выращивался сильнолегированный слой п-1пАз. На выращенных таким образом структурах с использованием стандартной фотолитографии формировались мезаполоски шириной —10-100 мкм. Лазерные диоды с длиной резонатора 225-500 мкм образовывались скалыванием.
Раздел 2.5 посвящен методам исследования излучательных характеристик лазеров. Описаны установки для измерения спектрального и пространственного распределения излучения лазеров, методики изучения поляризации лазерного излучения. Создана оригинальная методика определения диапазона перестройки лазера с использованием внешнего вращающегося кремниевого резонатора Фабри-Перо. Она заключается в том, что при отсутствии внешнего резонатора импульс излучения в принципе соответствует пилообразному импульсу питающего тока, при введении внешнего резонатора излучение оказывается промоделированным синусоидой. Синусоиды возникают из-за того, что длина волны излучения изменяется во времени. Максимумы синусоид возникают при совпадении ее величины с резонансными максимумами коэффициента пропускания интерферометра Фабри-Перо. Условия для длины волны в интерференционном максимуме порядка т выражаются формулой:
Д_2с/пс05г (1)
где d - толщина внешнего резонатора, п - его коэффициент преломления, г-угол между направлением распространения луча в резонаторе и
нормалью к его поверхности. Согласно формуле (1), увеличение г уменьшает резонансные длины волн при фиксированном т. При этом синусоиды на экране осциллографа будут перемещаться влево, если длина волны излучения увеличивается со временем, и вправо при уменьшении длины волны.
За время, соответствующее одному периоду синусоиды, длина волны излучения изменяется на величину определяемую
выражением
2с1п-С05г" ( 1
Выражение (2) позволяет оценить диапазон перестройки по числу периодов. Такой способ позволил достаточно точно отобрать перестраиваемые лазеры по направлению и диапазону их перестройки. Кроме того, для детального измерения излучательных характеристик лазеров был специально разработан многофункциональный генератор импульсов и система автоматической регистрации и обработки записей спектров излучения. Созданный генератор позволял подавать на лазеры короткие импульсы, благодаря чему можно было исключить нагревание лазера в процессе импульса тока и имелась возможность сравнивать характеристики образца при различных длительностях импульса тока вплоть до постоянного.
Третья глава посвящена исследованию быстрой токовой перестройки и теоретическому обоснованию явления, учитывающему влияние нелинейных оптических эффектов на частоту генерации диодного лазера. В главе сведены все результаты изучения температурных и электролюминесцентных характеристик лазеров на основе гетероструктур ХпАзБЬЛпАзБЬР. В разделе 3.1 приведены вольт-амперные и вольт -фарадные характеристики данных лазеров. ВАХ лазеров на основе ДГС 1пАз8Ь/1пА58ЬР и лазеров с раздельным ограничением имеют обычный диодный вид с напряжением отсечки 0,36-5-0,38В при 77К. Последовательное сопротивление в прямой ветви составляло —0,55 Ом для лазеров с раздельным ограничением на основе гетероперехода I типа и -0,45 Ом для лазеров с раздельным ограничением на основе гетероперехода II типа. Отсечки на ВАХ, соответствующие минимальной ширине запрещенной зоны (т.е. Е8 в активной области), говорят о том, что в обоих типах лазеров основное сопротивление определяется переходом. Вольт-фарадная характеристика в области малых значений напряжения (У<1В) удовлетворительно описывается зависимостью С"2~У, свойственной для резкого перехода. Значение контактной разности потенциалов для перехода п-1пАз8Ь/р-1пА58ЬР, определенное по зависимости С"2 ОТ V, составляет 0,25В при комнатной температуре.
Зависимость порогового тока генерации лазеров от температуры и от геометрии мезаполоска представлена в разделе 3.2. При температуре 77К зависимость порогового тока Ith от длины резонатора L имеет минимум при L~300mkm. При .L<200mkm 1,>, резко увеличивается с уменьшением L, а при £=50мкм генерация когерентного излучения не получена. Резкое увеличение порогового тока с уменьшением длины резонатора можно объяснить ограничением усиления в активной области лазерной структуры и увеличением поглощения излучения на неравновесных носителях заряда. При L > 350мкм плавно увеличивается с ростом L, что связано с увеличением площади активной области.
Нами была исследована зависимость порогового тока /(д от ширины полоска. Для этого сравнивались в импульсном режиме температурные зависимости порогового тока 1а, для двух лазеров с шириной полоска 15 и 55мкм (L~300MKM), изготовленных из одной и той же пластины. Лазер с большой шириной полоска имеет максимальную рабочую температуру Ттах=203К и характеристическую температуру 7я=35К. Пороговый ток при максимальной рабочей температуре составляет /,&=7.5А, что соответствует плотности тока _/,а=45кА/см2. Лазер с меньшей шириной полоска имеет меньшую Tmax= 170К и меньшие з н ^=2Ж, /е=ЗА> з
приведенных данных видно, что по температурной зависимости порогового тока и пороговой плотности тока лазеры с широким полоском имеют преимущества. По всей видимости, лазеры с узким полоском имеют дополнительные потери по сравнению с лазерами с широким полоском. Такие потери могут давать токи утечки, обусловленные поверхностной рекомбинацией. Поверхностная рекомбинация на боковой стороне полоска в слоях твердых растворов на основе InAs возникает вследствие образования на поверхности p-слоя проводимости инверсионного слоя п-типа. Из того факта, что То в узких лазерах меньше, чем в широких, следует, что роль поверхностной рекомбинации увеличивается с ростом температуры.
Максимальная рабочая температура составила 170К для ДГС лазера, 145К для лазера с раздельным ограничением на основе гетероперехода I типа и 203 К для лазера с раздельным ограничением на основе гетероперехода II типа. Пороговая плотность тока при преобладании излучательной рекомбинации в объеме должна увеличиваться с температурой по закону Jth~T3/2j при преобладании безызлучательной оже-рекомбинации значительно сильнее. Расчетная скорость излучательной и безызлучательной объемной рекомбинации одинакова при температуре 96К. Суммарная плотность тока выражается зависимостью J^, при
температурах 77-90К и J_th~T7 при температурах 180-200К.
Измеренная пороговая плотность тока при температурах 77-90К почти на порядок больше, чем рассчитанная, но возрастает с температурой с тем же наклоном. Малый наклон говорит о преобладании излучательной рекомбинации, которая, по-видимому, является интерфейсной. В лазерах II типа она больше! чем в лазерах I типа. Интерфейсная оже-рекомбинация в лазерах II типа подавляется [8], так как экспериментальная плотность тока близка к теоретически рассчитанной для случая преобладания объемной оже-рекомбинации при температуре 180-220 К. В лазерах I типа интерфейсная оже-рекомбинация существенна, поскольку экспериментальная плотность тока превышает теоретическую, рассчитанную с учетом объемной оже-рекомбинации, почти на порядок во всем интервале температур.
Резкое падение дифференциальной квантовой эффективности с увеличением температуры означает, что возрастают потери излучения за счет поглощения на свободных носителях. Так как активные области у двух сравниваемых типов лазеров одинаковые, то большие потери на поглощение в лазерах I типа происходят либо в слоях электрического ограничения, либо на их гетерограницах.
О том, что гетерограницы оказывают существенное влияние на генерацию излучения, свидетельствует характер поляризации излучения. Излучение лазеров I и II типа имеет преимущественно ТМ-поляризацию (73% и 80% соответственно). Как показано в [9], преимущественно ТМ-поляризацию имеют излучательные переходы, связанные с диагональным туннелированием носителей заряда через гетерограницу. Поскольку степень ТМ-поляризации у лазеров II типа выше, то у них взаимодействие носителей заряда с гетерограницей сильнее. Напомним, что преимущественная генерация излучения на гетерограницах следует также из превышения пороговой плотности тока над теоретической при температуре 77-90К, когда преобладает излучательная рекомбинация.
Раздел 3.3. посвящен перестройке частоты генерации диодных лазеров на основе ДГС 1пАз8Ь/1пАз8ЬР. Исследована тепловая перестройка диодных лазеров на основе двойных гетероструктур
и температурном интервале 62-100К. С ростом температуры спектр усиления генерации смещается в сторону больших длин волн со скоростью за счет нагрева активной
области и соответствующего уменьшения ширины запрещенной зоны. Длина волны излучения отдельной моды смещается с меньшей скоростью и обусловлена температурной зависимостью коэффициента преломления активного слоя. Инерционность процесса тепловой перестройки велика, так как определяется временем теплопередачи от активной области к теплоотводу и составляет десятки- сотни микросекунд. Если тепловая перестройка характеризуется увеличением длины волны
излучения при увеличении температуры активной области, то токовая -уменьшением длины волны с ростом питающего тока. Исследование токовой перестройки тех же лазеров дало смещение моды с ростом тока в сторону более коротких длин волн на величину 50-5-60 А при Т=77 К, наибольшее смещение моды было достигнуто при
температуре 62 К. Анализируя данные об изменении длины волны генерации и синхронном с ним расширении диаграмм направленности из-за самофокусировки был сделан вывод о влиянии нелинейных оптических эффектов на изменение частоты генерации наших лазеров. Выгорание носителей в процессе лазерного излучения приводит к уменьшению их концентрации в середине полоска и увеличению на краях, в результате этого показатель преломления изменяется по ширине полоска и формируется плавный поперечный волновод. Такой процесс вносит изменения в условия прохождения световой волны через резонатор, и частота генерации смещается. Быстродействие перестраиваемых током лазеров имеет среднее значение между временем жизни фотона и носителя заряда и составляет10"8-10"12с. Изложено теоретическое обоснование процесса.
Впервые обнаружены пространственные колебания лазерного потока поперек резонатора в плоскости р-n-перехода. Исследования диаграмм направленности лазерного излучения при ширине резонатора >18мкм показали их раздвоение на угол около 11 градусов, что в 2 раза меньше, чем должно быть для первой поперечной пространственной моды резонатора. Это могло получиться при наличии двух противофазных потоков излучения, разнесенных на 17 мкм. Методом конформных преобразований было вычислено распределение тока по ширине резонатора, которое показало более высокую плотность инжекции на краях резонатора, чем в середине. Результирующее повышение концентрации неравновесных носителей в направлении от середины к краям резонатора образовывало плавный оптический волновод. Генерируемый в инверсной среде лазерный поток в таком волноводе мог перемещаться от одной боковой стенки резонатора к другой и обратно, то есть совершать пространственные колебания. Вместе с одним потоком мог существовать противофазный или синфазный поток для обеспечения наибольшего соответствия плотности потока плотности инжекции. Исследование волнового уравнения для лазерного потока показало отсутствие поперечных мод, что очень важно для получения одномодового режима генерации.
Перестраиваемые током лазеры работают в одномодовом режиме в интервале токов I/I,/, = 1.15 • 3 и в интервале температур 16 - 98,5 К. Впервые дано объяснение возникновению одномодового режима,
сопровождающемуся резким возрастанием интенсивности излучения в лазерах с малой длиной резонатора (~300мкм) при увеличении тока. В лазерах с большой длиной резонатора (500мкм), наоборот, скачок интенсивности отсутствует и количество мод увеличивается с ростом тока за счет добавления более длинноволновых мод. При этом генерируются как продольные, так и поперечные моды.
Наблюдаемые закономерности были объяснены следующим образом. Нечетные поперечные моды имеют нулевую интенсивность в середине резонатора и максимальную вблизи его боковых краев. В результате нечетные поперечные моды мешают образованию плавного концентрационного волновода. Поэтому лазеры с большой длиной резонатора не будут перестраиваться с большой вероятностью. Близость длин волн продольной и первой поперечной мод приводит к возникновению фазовой динамической решетки коэффициента преломления, вызывающей увеличение коэффициента усиления с длинноволновой стороны от более сильной моды и уменьшение с коротковолновой стороны [10,11]. С увеличением тока вынуждается генерация все более длинноволновых мод и сохраняются коротковолновые моды. В результате несколько десятков мод поддерживают друг друга.
Благоприятной для возникновения плавного концентрационного волновода является длина резонатора Ь, при которой первые поперечные моды располагаются в спектре посередине между продольными,
где ширина резонатора, диэлектрическая
проницаемость.
Существует ток, при котором спектральное положение максимума усиления совпадает с положением продольной моды. Продольная мода будет уменьшать концентрацию носителей заряда в середине резонатора и не будет мешать увеличению ее вблизи боковых краев. Возникнет плавный волновод, в котором происходят пространственные колебания потока излучения, полностью подавляющие поперечные моды. Пространственно-временная диэлектрическая решетка сглаживается в 103 раз, так как частота пространственных колебаний на 3 порядка
больше величины, обратной эффективному времени жизни носителей заряда в лазере. В результате остается одна спектральная линия излучения, наиболее близко расположенная к максимуму спектра усиления. Направление смещения этой линии и максимума спектра усиления с током одно и то же. Поэтому диапазон перестройки может превышать
межмодовое расстояние. Исчезновение взаимодействия мод, сопровождавшееся генерацией сильно поглощающихся разностных и суммарных гармоник, приводит к упомянутому увеличению квантового выхода излучения.
Таким образом, возникновение плавного концентрационного волновода и устранение поперечных колебаний потока излучения способствует генерации только одной спектральной линии и ее смещение с током в коротковолновую сторону. Наибольший диапазон изменения длины волны излучения достигается выбором температуры, при которой скорость сдвига максимума спектра усиления с током оказывается такой же, как у генерирующей моды резонатора.
Четвертая глава диссертации посвящена применению перестраиваемых по частоте лазеров в диодно-лазерной спектроскопии высокого разрешения. В ней также изложены результаты первых экспериментов по записи спектров поглощения некоторых газов (ОС8, СО, в лабораторных условиях, где в качестве источника когерентного излучения использовались разработанные нами лазеры. В разделе 4.1 изложены основные требования, предъявляемые молекулярной спектроскопией высокого разрешения к перестраиваемым лазерам. Основные из них: ширина спектральной линии не более 100 МГц; способность работать при питании постоянным током без нагревания; одномодовый режим генерации в большом диапазоне токов; преобладание по интенсивности одной моды над любой другой должно быть, по крайней мере, в 10 раз для облегчения идентификации полос поглощения газов; температурная стабильность в течение пилообразного изменения тока (сдвиг длины волны излучения допустим не более чем на 0,005 см"1); мощность моды не менее 1мВт; низкий уровень амплитудных шумов (КШ менее 10-12); диапазон перестройки не менее 1 см-1 (10А) для простоты идентификации полос поглощения газов.
Проведенные нами измерения показали, что перестраиваемые током диодные лазеры на основе гетероструктур InAsSb/InAsSbP удовлетворяют всем требованиям спектроскопии высокого разрешения. В разделе 4.2. приведены данные о ширине спектральной линии лазеров на основе гетероструктур 1пАз8Ь/1пАз8ЬР. У лазеров с шириной полоска 15-40мкм она составляет 20МГц, с шириной полоска ЮОмкм - 10МГц, что в 15 - 50 раз меньше, чем ширина линии поглощения газа [12]. Лазеры способны работать без нагревания при различных способах питания током как в импульсном, так и в непрерывном режимах, в том числе и при питании импульсами тока пилообразной формы с постоянной составляющей, равной значению порогового тока генерации. Поэтому длина волны излучения стабильна в течение импульса тока. Достигнут
широкий диапазон плавной перестройки в одномодовом режиме генерации при изменении величины питающего тока (до 100 А при 63К и ~60 А при 77К) с мощностью излучения одной моды ~3 мВт. В диаграммах направленности лазеров присутствует только одна продольная пространственная мода.
Методика измерения спектров пропускания газов при сканировании кюветы лазерным лучом изложена в разделе 4.3. Лазерная спектрометрия газовых сред выполнялась в спектрометре, содержащем гелиевый термостат (Laser Photonics, model L5731) для размещения лазера, источник питания и температурный контроллер (Laser Photonics, model 5820), монохроматор и охлаждаемый жидким азотом фотодиодный детектор излучения InSb. Для выбора оптимальной температуры и интервала изменения тока сигнал, пропорциональный интенсивности прошедшего через газовую среду лазерного излучения, просматривался на экране осциллографа при питании лазера пилообразными импульсами тока с частотой следования 1кГц. Спектры поглощения газовой среды записывались в виде второй производной от сигнала по току с помощью компьютера и установки Lock-in amplifier SP530 при плавном изменении тока. При этом ток через лазер плавно увеличивался в течении ~30сек в заданном токовом интервале. Этот ток был промодулирован на 1-5% с частотой ~1кГц. Вторая производная получалась детектированием сигнала на удвоенной частоте (2кГц). Объектами лазерной спектроскопии были выбраны газы сероокись углерода (OCS), оксид азота (N2O), аммиак (NH3) и хлористый метил (СН3С1), а также пары воды. Газы OCS и СН3С1 находились в кюветах длиной 21см под давлением 2 Торр, NH3 - в кювете длиной 40 см под давлением 2 Торр, а пары Н2О при атмосферном давлении при длине поглощения 200см.
Далее в разделах 4.4 и 4.5 описаны характеристики лазеров, использовавшихся в эксперименте. Для измерения спектров пропускания газов OCS, CH3C1, NH3 и Н2О был выбран диодный лазер на основе ДГС InAsSb/InAsSbP, работающий в спектральном диапазоне 3,22-3,23 мкм. Для спектроскопии газов N2O и СН3С1 использовался лазер с длиной волны генерации 3,55-3,56 мкм. Представлены первые результаты лабораторных экспериментов по диодной лазерной спектроскопии газов, где в качестве излучающего элемента использовались перестраиваемые током диодные лазеры на основе гетероструктур InAsSb/InAsSbP для спектрального диапазона 3-4 мкм. Записанные спектры имели прекрасное совпадение с данными атласа HITRAN.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
По материалам, входящим в диссертацию, опубликовано 16 работ:
1. Т.Н.Данилова, А.П.Данилова, О.Г.Ершов, • А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.ПЯковлев. Диодные лазеры с раздельным электрическим и оптическим ограничением на основе InAsSb, излучающие в области 3-4 мкм. ФТП, 1997, том 31,выпуск 8, с. 976-979.
2. Т.Н.Данилова, А.П.Данилова, О.Г.Ершов, А.Н.Именков, М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Перестройка током длины волны излучения мезаполосковых низкопороговых лазеров на основе InAsSb/InAsSbP двойных гетероструктур, излучающих в области 3.3 мкм. ФТП, 1997, том 31, выпуск 11, с. 1392-1395.
3. Т.Н.Данилова, А.П.Данилова, О.Г.Ершов, АН.Именков, М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Лазеры на основе InAsSbP-двойных гетероструктур для спектрального диапазона 2.73.0 мкм (Т=77 К). ФТП, 1998, том 32, выпуск 2, с. 241-244.
4. Т.Н.Данилова, А.П.Данилова, О.Г.Ершов, АН.Именков, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Пространственное распределение излучения в дальней зоне мезаполосковых лазеров на основе InAsSbAnAsSbP в зависимости оттока. ФТП, 1998, том 32, выпуск 3, с. 373-377.
5. Т.Н.Данилова, А.П.Данилова, АН.Именков, Н.М.Колчанова, М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Лазеры на основе InAsSb/InAsSbP гетероструктур с большим диапазоном токовой перестройки частоты генерации. ПЖТФ, 1999, том 25, выпуск 19,
с. 17-23.
6. А.П.Данилова, Т.Н.Данилова, АН.Именков, Н.М.Колчанова, М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Безынерционная перестройка частоты генерации диодных лазеров на основе гетероструктур InAsSb / InAsSbP (1ашЬёа=3.3 мкм), обусловленная нелинейными оптическими эффектами. ФТП, 1999, том 33, выпуск 2, с. 243-248.
7. А.П.Данилова, Т.Н.Данилова, АН.Именков, Н.М.Колчанова, М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Пространственные колебания потока излучения в полосковых лазерах на основе гетеропереходов InAsSb/InAsSbP. ФТП, 1999, т, 33, в, 8, с.' 101Ф-1019.
8. А.П.Данилова, Т.Н.Данилова, АН.Именков, Н.М.Колчанова, М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Коротковолновая токовая перестройка лазеров на основе гетероструктур InAsSb/InAsSbP, вызванная неоднородностью инжекции. ФТП, 1999, т. 33, в. 9; с. 1088-1092.
9. А.П.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, С.Цивиш, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Диодно-лазерная спектроскопия в двух модах на основе лазера InAsSb/InAsSb вблизи длины волны 3.6 мкм. ФТП, 1999, т. 33, в. 12, с. 1069-1074.
10. A.P.Danilova, A.N.Imenkov, T.N.Danilova, N.M.Kolchanova, M.V.Stepanov, V.V.Sherstnev, Yu.P.Yakovlev. Fast tuning of З.Зцт InAsSb/InAsSbP diode lasers due to nonlineare optical effects. Spectrochimica Acta Part A 1999, vol.55, pp2077-2082.
И. А.П.Данилова, А.Н.Именков, Н.М,Колчанова, С.Цивиш, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Одномодовый перестраиваемый на 100 Angstrem лазер на основе InAsSb/InAsSbP (k~ 3.2 мкм). ФТП, 2000, т. 34, в, 2, с. 243-246.
12. А.П.Астахова, Т.Н.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Перестраиваемый лазер на основе InAsSb/InAsSbP с высокой направленностью излучения в плоскости p-n-перехода. ФТП, 2000, т. 34, в. 9, с. 1042-1046.
13. A.P.Astakhova, A.N.Imenkov, N.M.Kolchanova, Yu.P.Yakovlev, P.Kubat, S.Civis and A.Walters. Single mode laser based on InAsSb/InAsSbP double heterostructures with tuning from 3.224-3.234 urn. IEE Proc.-Optoelectron. 2002, vol. 149, no. 1, pp 27-31.
14. А.П.Астахова, Т.Н.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, .Ю.П.Яковлев. Сглаживание фазовой динамической диэлектрической решетки в диодном лазере и получение одномодовой генерации при поперечных колебаниях излучаемого потока. ФТП, 2002, т, 36, в, 11, с. 1388-1392.
15. АП.Астахова, А.Н.Баранов, А.Висе, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, Н.Д.Стоянов, А.Черняев, ДАЯреха, Ю.П.Яковлев. Тепловая и токовая перестройка длины волны излучения квантово-размерных лазеров диапазона 2.0-2.4 мкм. ФТП, 2003, т. 37, в. 4, с. 502-507. ,
16. А.П.Астахова, Т.Н.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, Ю.П.Яковлев. Одномодовые быстроперестраиваемые лазеры для диодно-лазерной спектроскопии. ФТП, 2003, т. 37, в. 8, с. 985995.
Работа выполнена в лаборатории инфракрасной оптоэлектроники
ФТИ им. Иоффе РАН.
ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
[1]. Arthur G.Maki and Joseph S.Weils ."Wavenumber Calibration Tables From Heterodine Freguency Measurements", NIST Special Publication 821, Washington, DC 20548, December 1991.
[2]. Z.Feit, D.Kostyk, RJ.Woods, P.Mak."Recent developments in the MBE grown Pbi.xEuxSeyTei.j/Pbi.vSnvTe diode lasers for high resolution spectroscopy" Proceeding of International Symposium "Monitoring of Gaseous Pollutants by Tunable Diode Lasers" p. 105-109,1992.
[3]. А.П.Данилова, Т.Н.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. «Коротковолновая токовая перестройка лазеров на основе гетероструктур InAsSb/InAsSbP, вызванная неоднородностью инжекции». ФТП, 1999, Т. 33, В. 9. С. 1088-1092,
[4]. Т.Н.Данилова, О.Г.Ершов, А.Н.Именков, И.Н.Тимченко, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. «Лазеры на основе InAsSbP для спектрального диапазона 2,7-3,0им (Т=77К)». Письма в ЖТФ 20 (4), 87-93 (1994).
[5]. N.K. Choi, G.W. Turner, N.J. Mantra, M.K. Connor."175K Contituous wave operation of InAsSb/InAlAsSb quantum well diode lasers emitting at 3,5um". Appl.Phys. Lett., 68, 2936-2938 (1996).
[6]. J.L. Brodshaw, R.Q. Yang, J.D. Bruno, J.T. Pham, D.E. Wortman.«High-efficiency interband cascade lasers with peak power exceeding 4W/facet». Appl. Phys. Lett., 75, 2362-2364 (1999),
[7]. А.Н.Баранов, Т.Н.Данилова, О.Г.Ершов, А.Н.Именков, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. «Длинноволновые лазеры на основе InAsSb/InAsSbP для спектроскопии метана». Письма ЖТФ, 18(22). 6-10,(1992),
[8]. Г.Г.Зегря, А.Д.Андреев. «Теория рекомбинации неравновесных носителей в гетероструктурах типа II». ЖЭТФ 109,615-638 (1996).
[9]. Т.Н.Данилова, О.Г.Ершов, Г.Г.Зегря, А.Н.Именков, М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. «Поляризация излучения лазеров на основе двойной гетероструктуры InAsSh/InAsSbP». ФТП 29. 1604-1610,(1995).
[10]. П.Г. Елисеев, А.П.Богатов.«Явления в полупроводниковых лазерах, связанные с нелинейной рефракцией и влиянием носителей заряда на показатель преломления»,Труды ФИАН 166 15-51 (1986) обзор.
[11]. А.П.Богатов, П.Г. Елисеев, Б.Н.Свердлов, «Аномальное взаимодействие спектральных типов колебаний в полупроводниковом лазере». Квантовая электроника 1(10) 2286 -2288 (1974).
[12]. А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, П.Кубат, С.Цивиш, Ю.П.Яковлев, «Перестраиваемые током лазеры на 3.3 мкм с узкой линией излучения». ФТП 35, 375-379 (2001).
(
Отпечатано в типографии ПИЯФ РАН
188300, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак. 308, тир. 100, уч-изд. л. 1; 3.07.2004 г.
«а 21 3 3 1
РНБ Русский фонд
2005-4 18510
Введение
Глава 1. Перестраиваемые по частоте диодные лазеры в средней ИК области спектра. Обзор литературы
1.1. Предварительные замечания. Полупроводниковые диодные лазеры средней ИК области спектра.
1.1.1. Лазеры на основе соединений А1УВУ1.
1.1.2. Лазеры на основе соединений АШВ
1.2. Тепловая перестройка частоты диодных лазеров.
1.3. Применение лазеров в диодно-лазерной спектроскопии.
1.4. Выводы.
1.5. Постановка задачи.
Глава 2. Методика изготовления диодных лазеров на основе гетероструктур
1пА$8Ь/1пА$$ЬР
Предварительные замечания.
2.1. Технология выращивания лазерных гетероструктур ЬгАзБЬ/ЬгАБЗЬР
2.1.1. Использование твердых растворов соединений А3В5 для 51 изготовления полупроводниковых приборов.
2.1.2. Методы получения твердых растворов А3В5.
2.1.3. Технология постростовой обработки лазерных гетероструктур 53 ЬгАзЗЬЛпАзБЬР.
2.2. Конструкция гетеролазеров
2.3. Описание исследованных образцов
2.3.1. Лазеры на основе двойных гетероструктур
2.3.2. Лазеры с раздельным электрическим и оптическим ограничением.
2.4. Методика измерений спектрального и пространственного распределения 62 излучения лазеров
2.4.1. Схема питания и модуляции
2.4.2. Схема механической развертки по длинам волн.
2.4.3. Схема механической развертки по углам.
2.4.4. Схема регистрации диаграмм направленности и спектров излучения
2.4.5. Методика измерения перестройки лазера.
Выводы.
Глава 3. Токовая перестройка длины волны излучения диодных лазеров на 68 основе гетероструктур 1пА58Ь/1п
§8ЬР
Предварительные замечания
3.1. Электрические и электролюминесцентные свойства лазерных диодов на 68 основе гетероструктур ГпАбЗЬРЛпАзЗЬЛпАзЗЬР.
3.1.1. Вольт-амперные характеристики лазеров на основе ДГС 68 ¡пАбЗЬЛпАзЗЬР и лазеров с раздельным ограничением.
3.1.2. Вольт-фарадные характеристики гетеропереходов 70 ЬгАзЗЬРЛпАвЗЬЛпАзЗЬР
3.1.3. Электролюминесцентные характеристики лазеров на основе 71 ЬгАвЗЬРЛпАзБЬЛпАзЗЬР
3.2. Зависимость порогового тока диодных лазеров от геометрии меза-полоска 74 и от температуры.
3.2.1. Зависимость порогового тока лазеров на основе ДГС 74 ШАзЗЬЛпАвЗЬР от геометрических параметров мезаполоска.
3.2.2. Максимальная рабочая температура лазеров
3.2.3. Поляризация когерентного излучения лазеров на основе 79 гетероструктур Ь^вЗЬЛпАвБЬР.
3.2.4. Дифференциальная квантовая эффективность лазеров.
3.3. Перестройка диодных лазеров на основе двойных гетероструктур 83 Ь^ЗЬЛпАвЗЬР
3.3.1. Температурная перестройка спектра излучения лазеров.
3.4. Токовая перестройка спектра излучения лазеров. 89 Предварительные замечания.
3.4.1. Пространственное распределение лазерного излучения в 90 зависимости от тока (пространственные колебания,)
3.4.2. Быстрая перестройка длины волны излучения лазеров с током 101 Выводы.
Глава 4. Применение диодных лазеров на основе гетероструктур
1пА$8Ь/1пА$$ЬР для записи линий поглощения газов. Предварительные замечания
4.1. Основные требования, предъявляемые диодно-лазерной спектроскопией 116 высокого разрешения к перестраиваемым диодным лазерам.
4.2. Ширина лазерной линии в перестраиваемых диодных лазерах
4.3. Методика исследований.
4.4. Диодная лазерная спектроскопия на основе одномодового перестраиваемого на 100А лазера.
4.4.1. Характеристики одномодового перестраиваемого на 100Ä лазера на 123 основе InAsSb/InAsSbP.
4.4.2. Спектры пропускания газов вблизи длины волны 3,2^т, измеренные 128 при сканировании лазерным лучом.
4.5. Диодная лазерная спектроскопия в двух модах на основе лазера
InAsSb/InAsSbP вблизи длины волны 3,6мкм.
4.5.1. Характеристики перестраиваемого в двух модах лазера на основе 131 InAsSb/InAsSbP.
4.5.2. Спектры пропускания газов вблизи длины волны 3,6цт, измеренные 134 при сканировании лазерным лучом.
Выводы.
Данная работа посвящена как исследованию частотной перестройки лазеров на основе двойных гетероструктур ЬгАвЗЬЯпАзБЬР для спектрального диапазона 3-4мкм и выяснению ее природы, так и разработке нового физического подхода к быстрой перестройке частоты генерации лазера.
Актуальность темы
Перестраиваемые полупроводниковые лазеры, работающие в спектральном диапазоне 3-4 мкм, становятся в последнее время ключевым элементом молекулярной спектроскопии высокого разрешения. Дело в том, что в данная область спектра уникальна. С одной стороны, здесь находится большее количество характеристических линий поглощения природных и промышленных газов таких, как метан СИ», сероводород НгБ, аммиак ЫНз, пропан СгНб и других [1], чем в ближней инфракрасной области, для которой имеются высококачественные лазерные диоды. С другой стороны, в этом диапазоне отсутствуют сильные линии поглощения воды, что важно для дальнометрии. Поэтому источники излучения на спектральную область 3-4 мкм могут использоваться для решения многих научных и практических задач молекулярной спектроскопии, таких как создание газовых анализаторов высокой чувствительности и быстродействия, химического анализа, активного мониторинга окружающей среды, медицинской диагностики, контроля за технологическими процессами. В некоторых случаях для газоанализа достаточно использовать и светодиоды. Хотя их мощность и невелика (несколько мкВт), они способны работать при комнатной температуре в непрерывном режиме (С\\0, гораздо дешевле по стоимости и проще в эксплуатации. Однако для молекулярной спектроскопии высокого разрешения (на уровне ррЬ) требуется узкая ширина линии 1-10МГц, которую могут обеспечить только когерентные источники излучения. Использование в качестве источника излучения перестраиваемого лазерного диода дает возможность не только определить присутствие газа в смеси и сделать вывод о его концентрации, но и прописать профиль линии поглощения его молекул.
Кроме того, излучение в этой области спектра имеет низкие оптические потери во флюоритных стеклах. Такой эффект связан с тем, что с ростом длины волны уменьшаются потери на релеевское рассеяние (~1А,4). Применение этих лазеров в средствах волоконно-оптической связи нового поколения на основе флюоритных стекол позволяет уменьшить величину оптических потерь до 2.5*10"4 дБ/км, благодаря чему становится возможным увеличить протяженность световодных линий без ретрансляторов на большие расстояния вплоть до 1000 км.
Поэтому полупроводниковые диодные лазеры в этой спектральной области очень перспективны, несмотря на то, что работают при температурах, близких к криогенным.
Целью настоящей работы являлось исследование перестройки длины волны излучения лазеров на основе ДГС ЬгАзБМпАвЗЬР, излучающих в спектральном диапазоне 3-4мкм, и разработке нового метода перестройки частоты генерации лазера.
Научная новизна
1. Исследована тепловая перестройка длины волны излучения в сторону больших длин волн диодного лазера на основе гетероструктур ГпАзЗЬРЛпАзБЬЛпАзЗЬР при изменении температуры.
2. Впервые экспериментально обнаружена и исследована быстрая перестройка длины волны излучения в сторону более коротких длин волн диодного лазера на основе гетероструктур ¡пАзЗЬРЛпАзЗЬЛпАзБЬР при изменении величины питающего тока.
3. Обнаружено сужение потока лазерного излучения (самофокусировка) в интервале токов, где наблюдался максимальный сдвиг длины волны излучения в сторону более коротких длин волн.
4. Впервые установлено, что такой характер перестройки вызван влиянием нелинейных оптических эффектов, которые возникают в активной области по причине неоднородности инжекции по ширине полоска. Рассмотрена теоретическая модель явления.
5. На основе расчетов произведена оценка скорости токовой перестройки длины волны излучения.
6. Измерены спектры пропускания ряда природных газов таких как ОСБ, СО, НгО СНзС1, ЫгО при сканировании кюветы перестраиваемым диодным лазером.
Научные положения
Результаты проведенных исследований позволили сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:
1. В лазерах на основе гетероструктур ЬгАзЗЬРЛпАзБЬЛпАзЗЬР, работающих в спектральном диапазоне 3-4 мкм при нагревании их импульсом тока или при изменении температуры происходит смещение длины волны излучения отдельной моды в сторону больших длин волн со скоростью 1-2 А/К. Эта перестройка носит название тепловой и вызвана, главным образом, зависимостью коэффициента преломления полупроводника от температуры. Быстродействие тепловой перестройки определяется временем тепловой релаксации кристалла и составляет десятки - сотни микросекунд.
2. В полосковых лазерах на основе гетероструктур ГпАвЗЬРЛпАзЗМпАзБЬР с шириной полоска 10-5-40мкм и длиной резонатора 200-н500мкм при изменении величины питающего тока от одного до четырех пороговых значений наблюдается токовая перестройка длины волны излучения в коротковолновую сторону, обусловленная нелинейными оптическими эффектами. Выгорание носителей в середине полоска вследствие вынужденного лазерного излучения приводит к уменьшению их концентрации чуть ниже порогового значения и аккумуляции носителей на краях полоска выше пороговой концентрации. В результате этого показатель преломления изменяется по ширине полоска и формируется плавный поперечный волновод. Такой процесс приводит к увеличению скорости распространения лазерного излучения в резонаторе, и длина волны генерации плавно смещается в сторону более коротких длин волн при увеличении тока.
3. В полосковых лазерах на основе гетероструктур ЬхАвЗЬРЯпАзЗЬЯпАзБЬР перестройка длины волны излучения в коротковолновую сторону сопровождается расширением диаграммы направленности в плоскости, параллельной р-п переходу вследствие самофокусировки лазерного потока за счет уменьшения коэффициента преломления от середины к боковым краям полоска и формирования плавного концентрационного волновода по ширине полоска. Впервые была показана связь самофокусировки с изменением длины волны излучения.
4. Впервые обнаружено, что в образующемся плавном концентрационном волноводе происходят поперечные колебания лазерного потока, в результате которых диаграмма направленности излучения раздваивается, и поперечные моды резонатора подавляются.
Практическое значение работы заключается в следующем:
- созданы и исследованы перестраиваемые лазеры на основе двойных гетероструктур ГпАвЗЬЛпАвБЬР для спектрального диапазона 3-4мкм. Их плавная перестройка при изменении питающего тока и узкая ширина линии излучения делает возможным не только сканирование с из помощью газовых сред и идентификацию содержащихся в ней газов, но и определение профиля линии поглощения, что чрезвычайно важно для молекулярно-лазерной спектроскопии; - измерены линии поглощения газов сероокись углерода OCS, паров воды НгО, хлористого метила СН3С1, оксида азота N20 и аммиака NH3 при сканировании кюветы перестраиваемым диодным лазером
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 150 страниц, включая 69 рисунков и 2 таблицы. Список цитируемой литературы включает 76 наименований и занимает 7 страниц.
Выводы.
1. Перестраиваемые током диодные лазеры на основе гетероструктур 1пАз8Ь/1пАз8ЬР удовлетворяют требованиям спектроскопии высокого разрешения:
- ширина линии излучения достаточно узка и составляет 20МГц у лазеров с шириной полоска 15-40мкм и 10МГц у лазеров с шириной полоска ЮОмкм;
- лазеры способны работать при различных способах питания током как в импульсном, так и в непрерывном режимах, в том числе и при питании импульсами тока пилообразной формы с постоянной составляющей, равной значению порогового тока генерации;
- Длина волны излучения стабильна в течение импульса тока, благодаря тому, что не происходит нагрева активной области;
- широкий диапазон плавной перестройки в одномодовом режиме генерации при изменении величины питающего тока (до 100А);
- мощность излучения одной моды ~ЗмВт;
- присутствие только одной продольной пространственной моды в диаграммах направленности лазеров.
2. Представлены первые результаты лабораторных экспериментов по диодной лазерной спектроскопии газов, где в качестве излучающего элемента использовались перестраиваемые током диодные лазеры на основе гетероструктур ГпАзБЬЯпАзБЬР для спектрального диапазона 3-4 мкм. Измерены спектры пропускания ряда природных газов таких как ОСБ, СО, НгО СНзС1, Ы20 при сканировании кюветы перестраиваемым диодным лазером. Полученные спектры имели прекрасное совпадение с данными атласа НГШАК
139
Заключение
Результаты проведенных исследований позволили сформулировать следующие основные выводы:
1. Методом жидкофазной эпитаксии созданы перестраиваемые диодные лазеры на основе гетероструктур ЬгАзЗЬЛпАэБЬР с длиной резонатора 250-500мкм и шириной мезаполоска 10-100мкм.
2. Максимальная рабочая температура составляла 170К для ДГС лазера, 145К для лазера с раздельным ограничением на основе гетероперехода I типа и 203К для лазера с раздельным ограничением на основе гетероперехода П типа.
3. Вольт-амперные характеристики лазеров на основе ДГС ЬгАэЗЬЛпАвЗЬР и лазеров с раздельным ограничением имеют обычный диодный вид с напряжением отсечки 0,36В при 77К. Последовательное сопротивление в прямой ветви составляло 0,55 Ом для лазера с раздельным ограничением на основе гетероперехода I типа и 0,45 Ом для лазера с раздельным ограничением на основе гетероперехода П типа.
4. Исследована тепловая перестройка частоты генерации диодных лазеров на основе двойных гетероструктур 1пАз8ЬЯпАз8ЬР и температурном интервале 62-100К. С ростом температуры длина волны лазерного излучения увеличивается практически линейно, йХ/йТ ~ 1А/К за счет нагрева активной области и соответствующего сужения ширины запрещенной зоны. Перестраиваемые током лазеры работают в одномодовом режиме в интервале токов 1/1,н =1.15-3 ив интервале температур 62 - 98,5 К. Инерционность процесса тепловой перестройки очень велика, так как определяется временем тепловой релаксации носителей и составляет десятки- сотни микросекунд.
5. Предложен новый механизм быстрой перестройки частоты лазерного излучения в структурах с узким полоском (~15мкм) за счет создания плавного концентрационного волновода по ширине полоска. В процессе генерации когерентного излучения в середине полоска носители выгорают, а по краям их концентрация возрастает, вследствие чего показатель преломления изменяется по ширине полоска, формируя плавный концентрационный волновод. Это приводит к тому, что константа распространения электромагнитной волны зависит от величины относительного превышения тока над пороговым значением и от квадрата амплитуды электромагнитной волны, что отражает нелинейность оптической среды лазера и обусловливает перестройку лазерного спектра.
Проведено исследование токовой перестройки лазеров на основе двойных гетероструктур 1пАз8ЬР/1пАз8Ь/1пАз8ЬР, излучающих в спектральной области 3-4 мкм. Смещение моды с ростом тока при Т=77 К составляет величину 50 -60 А, наибольшее смещение моды 104 А (10 см"1) достигнуто при температуре 62К. Быстродействие перестраиваемых током лазеров определяемся временем жизни носителей заряда в условиях вынужденной рекобинации и лучше 10'9с. Установлено, что перестраиваемые током диодные лазеры на основе гетероструктур ГпАзЗЬЯпАзБЬР удовлетворяют требованиям диодно-лазерной спектроскопии высокого разрешения:
- ширина линии излучения достаточно узка и составляет 20МГц у лазеров с шириной полоска 15-40мкм и 10МГц у лазеров с шириной полоска ЮОмкм;
- лазеры способны работать при различных способах питания током как в импульсном, так и в непрерывном режимах, в том числе и при питании импульсами тока пилообразной формы с постоянной составляющей, равной значению порогового тока генерации;
- Длина волны излучения стабильна в течение импульса тока, благодаря тому, что не происходит нагрева активной области;
- широкий диапазон плавной перестройки в одномодовом режиме генерации при изменении величины питающего тока (до 100А);
- мощность излучения одной моды ~ЗмВт;
- присутствие только одной продольной пространственной моды в диаграммах направленности лазеров.
Представлены первые результаты лабораторных экспериментов по диодной лазерной спектроскопии газов, где в качестве излучающего элемента использовались перестраиваемые током диодные лазеры на основе гетероструктур ГпАзЗЬЛпАзБЬР для спектрального диапазона 3-4 мкм. Измерены спектры пропускания ряда природных газов таких как ОСБ, СО, НгО СНзС1, ЫгО при сканировании кюветы перестраиваемым диодным лазером. Полученные спектры имели прекрасное совпадение с данными атласа Н1ТЫАЫ.
Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:
Т.Н.Данилова, А.П.Данилова, О.Г.Ершов, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, М.В.Степанов,В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Диодные лазеры с раздельным электрическим и оптическим ограничением на основе ЬгАвБЬ, излучающие в области 3-4 мкм ФТП, 1997, том 31, выпуск 8 С. 976-979
Т.Н.Данилова, А.П.Данилова, О.Г.Ершов, А.Н.Именков, М.В.Степанов,
B.В.Шерстнев, Ю.ПЛковлев. Перестройка током длины волны излучения мезаполосковых низкопороговых лазеров на основе ЪгАзБЬ / ¡пАвБЬР двойных гетероструктур, излучающих в области 3.3 мкм ФТП, 1997, том 31, выпуск 11
C.1392-1395
Т.Н.Данилова, А.П.Данилова, О.Г.Ершов, А.Н.Именков, М.В.Степанов,
B.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Лазеры на основе ЬгАзБЬР-двойных гетероструктур для спектрального диапазона 2.7—3.0 мкм (Т=77 К) ФТП, 1998, том 32, выпуск 2
C. 241-244
Т.Н.Данилова, А.П.Данилова, О.Г.Ершов, А.Н.Именков, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Пространственное распределение излучения в дальней зоне мезаполосковых лазеров на основе ЬгАэЗЬЛпАзЗЬР в зависимости от тока ФТП, 1998, том 32, выпуск 3 С. 373-377
Т.Н.Данилова, А.П.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова,
М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Лазеры на основе ГпАзБЬЛпАзЗЬР гетероструктур с большим диапазоном токовой перестройки частоты генерации. ПЖТФ, 1999, том 25, выпуск 19 С. 17-23
A.П.Данилова, Т.Н.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, М.В.Степанов,
B.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Безынерционная перестройка частоты генерации диодных лазеров на основе гетероструктур ЬгАвБЬ / ЬгАзБЬР (1атЬс1а=3.3 мкм), обусловленная нелинейными оптическими эффектами ФТП, 1999, том 33, выпуск 2 С. 243-248
A.П.Данилова, Т.Н.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, М.В.Степанов,
B.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Пространственные колебания потока излучения в полосковых лазерах на основе гетеропереходов ¡пАБЗЬ/ЬгАзБЬР. ФТП, 1999, Т. 33, В. 8 С. 1014-1019
A.П.Данилова, Т.Н.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, М.В.Степанов,
B.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Коротковолновая токовая перестройка лазеров на основе гетероструктур InAsSb/InAsSbP, вызванная неоднородностью инжекции. ФТП, 1999, Т. 33, В. 9 С. 1088-1092
9]. А.П.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, С.Цивиш, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев Диодно-лазерная спектроскопия в двух модах на основе лазера InAsSb/InAsSb вблизи длины волны 3.6 мкм ФТП, 1999, Т. 33, В. 12, С. 1069-1074
10]. A.P.Danilova, A.N.Imenkov, T.N.Danilova, N.M.Kolchanova, M.V.Stepanov, V.V.Sherstnev, Yu.P.Yakovlev. Fast tuning of 3.3pm InAsSb/InAsSbP diode lasers due to nonlineare optical efFects. Spectrochimica Acta Part A 1999, Vol.55, pp2077-2082
11]. А.П. Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, С.Цивиш, В.В.Шерстнев, Ю.ПЯковлев. Одномодовый перестраиваемый на 100 Angstrem лазер на основе InAsSb/InAsSbP (к~ 3.2 мкм) ФТП, 2000, Т. 34, В. 2, С. 243-246
12]. А.ПАстахова, Т.Н.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. Перестраиваемый лазер на основе InAsSb/InAsSbP с высокой направленностью излучения в плоскости р-п-перехода ФТП, 2000, Т. 34, В. 9, С. 1042-1046
13]. A.P.Astakhova, A.N.Imenkov, N.M.Kolchanova, Yu.P.Yakovlev, P.Kubat, S.Civis and A.Walters. Single mode laser based on InAsSb/InAsSbP double heterostructures with tuning from 3.224-3.234 pm. IEE Proc.-Optoelectron. 2002, Vol.149 No.l, pp27-31
14]. А.П.Астахова, Т.Н.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, Ю.ПЯковлев. Сглаживание фазовой динамической диэлектрической решетки в диодном лазере и получение одномодовой генерации при поперечных колебаниях излучаемого потока. ФТП, 2002, Т. 36, B.l 1, С. 1388-1392
15]. А.П.Астахова, А.Н.Баранов, А.Висе, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, Н.Д.Стоянов, А.Черняев, Д.А.Яреха, Ю.П.Яковлев. Тепловая и токовая перестройка длины волны излучения квантово-размерных лазеров диапазона 2.0-2.4 мкм. ФТП, 2003, Т. 37, В.4, С. 502-507
16]. А.П.Астахова, Т.Н.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, Ю.ПЯковлев. Одномодовые быстроперестраиваемые лазеры для диодно-лазерной спектроскопии. ФТП, 2003, Т. 37, В.8, С. 985-995
В заключении я считаю своим приятным долгом выразить глубокую благодарность за руководство и помощь на всех этапах работы моему научному руководителю доктору физико-математических наук Альберту Николаевичу Именкову.
Я очень благодарна заведующему лаборатории Инфракрасной Оптоэлектроники Юрию Павловичу Яковлеву за постоянный интерес, помощь и поддержку в создании этой работы.
Я рада выразить признательность сотрудникам лаборатории Тамаре Николаевне Даниловой, Нинель Михайловне Колчановой, Николаю Стоянову за постоянное внимание, плодотворные дискуссии и помощь на всех этапах работы. Я также глубоко благодарна В.В.Шерстневу, А.Н.Баранову, Е.А.Гребенщиковой, С.А.Евдокимовой, Е.В.Кузнецовой за помощь в изготовлении образцов, Э.В.Иванову за техническую помощь и всем сотрудникам лаборатории за дружеское и внимательное отношение.
144
1.. J.H.Park, L.S.Rothman, C.P.Rinsland, H.M.Pickett, D.J.Richardson and J.S.Nankung "Atlas of Absorption Lines From 0 to 17900cm"1" NASA Reference Publication, 1987
2. AShotov "Development of lead-chalcogenide tunable diode lasers for 3 to 40 цт spectral region at Lebedev institute". SPIE Vol.1724 Tunable Diode Laser Application, pp.64-77
3. H.Preier "Recent adventages in lead-chalcogenide diode lasers" Appl. Phys., Vol.20, pp. 1826, 1979.
4. А.Шотов, И.Кучеренко, Ю.Королев, Е.Чижевский «Электрические свойства Pbi.xSnxSe, выращенного газотранспортным методом» ФТП Т. 18 стр.732-736,1974.
5. И.Засавицкий, В.Мацонашвили, А.Шотов «Инжекционный лазер непрерывного действия на основе PbSe» ПЖТФ Т.1, стр.341-343, 1975.
6. М.Мурашов, А.Шотов ПЖТФ Т.20, стр.34-37,1993
7. А.П.Шотов, О.И.Даварашвили, А.В.Бабушкин «Лазерные гетероструктуры на основе твердых растворов Pbi-xSnxSei.yTey» ПЖТФ Т.5, в.24 стр.1488,1979.
8. А.П.Шотов, О.И.Даварашвили, А.В.Бабушкин «Гетеролазеры с двухсторонним ограничением на основе твердых растворов Pbi.xSnxSei.yTey» ПЖТФ Т.7, в.23 стр. 14441447,1981.
9. А.Шотов, А.Синятинский «Pbj .xSex лазеры с контролируемым профилем концентрации носителей, изготовленные методом молекулярной эпитаксии» ПЖТФ Т.9, стр.881-884, 1983.
10. А.Шотов, Ю.Селиванов «Гетеролазеры PbS/PbSSe/PbSnSe с квантовым размерным эффектом в активной области» ПЭЖТФ Т.45, стр.5-7,1987.
11. A.Shotov and Yu.Selivanov " PbS/PbSSe/PbSnSe heterostructure laser with a guantum well active region" Semicond.Sci.Technol., vol.5, pp.S27-S29,1990.
12. A.Fach, H. Bottner and M.Tacke "Embossed Grating DFB-BH lead salt diode lasers" Proceeding of International Symposium "Monitoring of Gaseous Pollutants by Tunable Diode Lasers" p.63-68, 1992.
13. M.Tacke, B.Spranger, A.Lambrecht, P.R.Norton, H.Bottner "Infrared double heterostructure diode lasers made by Molecular beam epitaxy of Pb(.xEuxSe" Appl.Phys. Lett., 53, 23, 22602262 (1988).
14. Kobayashi, Y. Horikishi. " DH Lasers Fabricated by New III-V Semiconductor Material InAsSbP". Japan. J. Appl. Phys., 19, L641-L644 (1980).
15. М.Ш.Айдаралиев, Н.В.Зотова, С.А.Карандашев, Б.А.Матвеев, Н.М.Стусь, Г.Н. Талалакин «Инжекционное когерентное излучение в ДГС InAsSbP/InAs/InAsSbP». Письма в ЖТФ 13 (9), 563-565 (1987).
16. М.Ш.Айдаралиев, Н.В.Зотова, С.А.Карандашев, Б.А.Матвеев, Н.М.Стусь, Г.Н. Талалакин «Стимулированное излучение (3,3мкм 77К) при инжекции тока в пластически деформированных ДГС InAsSbP/InAs». Письма в ЖТФ 14 (17), 1617-1620 (1988)
17. М.Ш.Айдаралиев, Н.В.Зотова, С.А.Карандашев, Б.А.Матвеев, Н.М.Стусь, Г.Н. Талалакин «Низкопороговые лазеры 3-3,5мкм на основе ДГС InAsSbP/bii-xGaxAsi-ySby». Письма в ЖТФ 15 (15), 49-52 (1989)
18. Н. Mani, A. Jolee, G. Boissier, Е. Tournie, F. Pitard, A.-M. Joullie, С. Albert. Electron. Lett. 24,1542 (1988).
19. А.Н.Баранов, А.А.Гусейнов, А.М.Литвак, А.А.Попов, Н.А.Чарыков, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев « Получение твердых растворов bixGai.xAsySbi.y , изопериодных к GaSb, вблизи границы области несмешиваемости». Письма в ЖТФ 16 (5), 33-38 (1990)
20. Т.Н.Данилова, О.Г.Ершов, А.Н.Именков, И.Н.Тимченко, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев «Лазеры на основе InAsSbP для спектрального диапазона 2,7-3,0цм (Т=77К)» Письма в ЖТФ 20 (4), 87-93 (1994)
21. N.K. Choi, G.W. Turner, N.J. Manfra, M.K. Connor "175K Contituous wave operation of InAsSb/InAlAsSb quantum well diode lasers emitting at 3,5цт". Appl.Phys. Lett., 68, 29362938 (1996).
22. N.K. Choi, S.J. Eglash, G.W. Turner. "Double-heterostructure diode lasers emitting at Зцт with metastabile GalnAsSb active layer and AlGaAsSb cladding layers". Appl. Phys. Lett., 64(19),2474-2476 (1994).
23. Р.Ф.Казаринов, Р.А.Сурис «О возможности усиления электромагнитных волн в полупроводникае со сверхрешеткой». ФТП 5,797-800 (1971).
24. J. Faist, F. Capasso, С. Sirtori, D. Sivco, A.L. Hutchinson, F.Y. Cho "Quantum cascade laser". Science, 264,553 (1994).
25. С. Gmachi, F. Capasso, J. Faist, A.L. Hutchinson, A.Y. "Continuous-wave and high-power pulsed operation of index-coupled distributed feedback quantum cascade laser at А,«8.5|лт" Cho.Appl. Phys. Lett., 72(12), 1430-1432 (1998).
26. J.L. Brodshaw, R.Q. Yang, J.D. Bruno, J.T. Pham, D.E. Wortman. «High-efficiency interband cascade lasers with peak power exceeding 4W/facet» Appl. Phys. Lett., 75, 2362-2364(1999)
27. I. Vurgaftman, J.R. Meyer, L.R. Ram-Mohan. "High-power/low-threshold type-П interband cascade mid-IR laser-design and modeling" IEEE Photon. Techn. Lett., 9(2), 170 (1997).
28. В.Г.Аветисов, А.Н.Баранов, А.Н.Именков, А.И.Надеждинский, А.Н.Хуснутдинов, Ю.П.Яковлев. «Измерение ширины линии излучения длинноволновых инжекционных лазеров на основе GalnAsSb». Письма в ЖТФ 16(14), 66-70, (1990)
29. А.Н.Баранов, Т.Н.Данилова, О.Г.Ершов, А.Н.Именков, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. «Длинноволновые лазеры на основе InAsSb/InAsSbP для спектроскопии метана». Письма ЖТФ 18(22), 6-10, (1992)
30. Ю.П.Яковлев, А.Н.Баранов, А.Н.Именков, В.В.Шерстнев, Е.В.Степанов, А.Я.Понуровский «Инжекционные лазеры на основе InAsSb/InAsSbP для спектроскопии высокого разрешения». Квантовая электроника, 20 839-842 (1993)
31. Ю.В.Косичкин, А.И.Надеждинский. Известия Академии Наук СССР, серия «Физика», 47(10)2037(1983)
32. И.И.Засавицкий, А.И.Кузнецов, Ю.В.Косичкин, П.В.Крюков, А.И.Надеждинский, А.Н.Перов, Е.В.Степанов и А.П.Шотов. «Стабилизация температурного режима перестраиваемого диодного лазера с точностью ~10"5К». Письма в ЖТФ 8(19), 1168-1171,(1982)
33. V.G.Avetisov. A.I.Nadezhdinskii, A.N.Khusnutdinov, P.M.Omarova, M.V.Zyrianov "Diode laser spectrometer for line profile measurements" SPIE 1724 Tunable Diode Laser Applications, 212 (1992)
34. G.B.Stringfellow, P.Green. Elecrochem. Soc. 95, 911 (1971)
35. Маделунг О /Физика полупроводниковых соединений элементов Ш и V групп/, Пер. с англ., М. Мир, 1977, стр.311
36. D.T.Cheung, Y.G.Andrews, E.R.Gertner, G.M.Williams, J.E.Clark, J.E.Pasko and J.T.Longo. "Backside-illuminated InAsi.xSbx-InAs narrow-band photodetectors" Appl. Phys. Lett. 30, 587-589(1977)
37. Т.Н.Данилова, О.Г.Ершов, А.Н.Именков, М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. «Максимальная рабочая температура диодных лазеров на основе InAsSb/InAsSbP». ФТП 30(7), 1265-1273, (1996)
38. Д.З.Гарбузов, А.В.Тикунов, В.Б.Халфин. «Влияние насыщения усиления и квантово-размерных эффектов на пороговые характеристики лазеров с супертонкими активными областями». ФТП, 21(6), 1085-1094, (1987)
39. Г.Г.Зегря, А. Д. Андреев «Теория рекомбинации неравновесных носителей в гетероструктурах типа II». ЖЭТФ 109,615-638, (1996)
40. А.А.Андаспаева, А.Н.Баранов, Б.А.Гельмонт, Б.Е.Джуртанов, Г.Г.Зегря„ А.Н.Именков, Ю.П.Яковлев, С.Г.Ястребов. «Исследование температурной зависимости плотности тока ДГС лазеров на основе GalnAsSb». ФТП 25(3), 394-401, (1991)
41. Т.Н.Данилова, О.Г.Ершов, Г.Г.Зегря, А.Н.Именков, М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.ПЯковлев. «Поляризация излучения лазеров на основе двойной гетероструктуры InAsSb/InAsSbP». ФТП 29,1 стр. 604-1610, (1995)
42. A. Popov, V. Sherstnev, Yu. Yakovlev, R.Mucke, P.Werle. "High-power InAsSb/InsSbP double-heterostructure laser for continuous wave operation at 3,6pm". Appl.Phys. Lett., 68, 2970 (1996).
43. А.П. Данилова, Т.Н.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев «Лазеры на основе InAsSb/InAsSbP гетероструктур с большим диапазоном токовой перестройки частоты генерации». Письма ЖТФ 25(19), стр. 17-23, (1999)
44. А.П.Астахова, А.Н.Баранов, А.Висе, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, Н.Д.Стоянов, Ю.ПЯковлев «Тепловая и токовая перестройка длины волны излучения квантово-размерных лазеров диапазона 2.0-2.4 мкм». ФТП 37(4), 502-507, (2003)
45. А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, П.Кубат, С.Цивиш, Ю.ПЯковлев «Уширение линии генерации в перестраиваемых током лазерах на основе гетероструктур InAsSbP/InAsSb/InAsSbP». ФТП 34(12), стр. 1468-1471, (2000)
46. А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, П.Кубат, К.Д.Моисеев, С.Цивиш, Ю.ПЯковлев. «Перестраиваемые током лазеры на 3.3 мкм с узкой линией излучения». ФТП 35, стр. 375-379, (2001)
47. А.П.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, С.Цивиш, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев «Одномодовый перестраиваемый на 100 Angstrem лазер на основе InAsSb/InAsSbP (lambda ~ 3.2 мкм)». ФТП 34(2), стр. 243-248, (2000)
48. П.Г.Елисеев, А.П.Богатов «Явления в полупроводниковых лазерах, связанные с нелинейной рефракцией и влиянием носителей заряда на показатель преломления». Труды ФИАН, 116, стр. 15-51 (1986)
49. F.Stem. Radiative recombination in semiconductors (1965), p. 165.
50. W.W.Anderson "Mode confinement and gain injunction lasers" IEEE J. Quant. Electron., 1(6), 228-236 (1965)
51. P.P.Paskov. Sol.St.Commun., 82,739 (1992)
52. А.Н.Баранов, Т.Н.Данилова, О.Г.Ершов, А.Н.Именков, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. «Структура пространственных мод в длинноволновых полосковых лазерах на основе InAsSb/InAsSbP». Письма ЖТФ 19(17), 30-36, (1993)
53. А.П.Астахова, Т.Н.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев «Перестраиваемый лазер на основе InAsSb/InAsSbP с высокой направленностью излучения в плоскости р-п-перехода». ФТП 34(9), стр. 1142-1144,(2000)
54. А.П. Данилова, Т.Н.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев. «Коротковолновая токовая перестройка лазеров на основе гетерострукгур InAsSb/InAsSbP, вызванная неоднородностью инжекции». ФТП 33, стр. 1088-1092, (1999)
55. Т.Н.Данилова, О.И.Евсеенко, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев «Влияние однородности накачки на перестройку током длины волны излучения диодных лазеров на основе InAsSb / InAsSbP». Письма ЖТФ 24(6), стр. 77-84, (1998)
56. А.П.Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, С.Цивиш, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев «Одномодовый перестраиваемый на 100 Angstrem лазер на основе InAsSbflnAsSbP (,lambda ~ 3.2 мкм)». ФТП 34(2), стр. 243-248, (2000)
57. A.P.Danilova, A.N.Imenkov, T.N. Danilova, N.M.Kolchanova, V.V.Stepanov, Yu.P. Yakovlev "Fast tuning of З.Зцт InAsSb/InAsSbP diode lasers due to nonlinear optical effects". Spectrochemica Acta, Part A, 55,2077-2082 (1999)
58. П.Г.Елисеев, А.П.Богатов. « Вьшужденное рассеяние излучения на волнах населенности вынужденного состояния». Квант. Электрон., 10(4), 865-867 (1983)
59. А.П. Данилова, А.Н.Именков, Н.М.Колчанова, М.В.Степанов, В.В.Шерстнев, Ю.П.Яковлев «Диодно-лазерная спектроскопия в двух модах на основе лазера InAsSb/InAsSb вблизи длины волны 3.6 мкм». ФТП 33(12), стр. 1469-1474, (1999)
60. В.Л.Бонч-Бруевич, С.Г.Калашников, Физика Полупроводников (М., Наука, 1977) с.592
61. C.H.Henry. *Theory of spontaneous emission noise in open resonators and its application to lasers and optical amplifiers" IEEE J.Ligthwave Techn., LT-4(3), 288- 297 (1986)
62. A.L.Schawlow, C.H.Tawnes. "Infrared and Optical Masers". Phys. Rev., 112, 1940-1949 (1958)
63. D.Welford, A. Mooradian. "Observation of linewidth broadening in (GaAl)As diode lasers due to electron number fluctuations". Appl.Phys.Lett. 40, 560-562 (1982)
64. Попов А.А., Шерстнев B.B., Яковлев Ю.П., ЦивишС., ЗелингерЗ. «Наблюдение отрицательной характеристической температуры порогового тока диодных лазеров для спектральной области 2.8 мкм». Письма ЖТФ 23(22), стр. 72-79 (1997).
65. Arthur G.Maki and Joseph S.Wells "Wavenumber Calibration Tables From Heterodine Freguency Measurements" NIST Special Publication 821, Washington, DC 20548, December 1991
66. G.Guelachvili, K.Narahari Rao "Handbook of Infrared Standards II with Spectral Coverage of 1.4-4p.m and 6.2-7.7|am" (Academic Press, New York, 1993)
67. J.-M.Flaud, C.Camy-Peyret and R.A.Toth "Water Vapor Line Parameters From Microwave To Medium Infrared", Preface by J.N.Howard (Pergamon Press, Oxford, 1981)
68. A.Popov, V.Sherstnev, Yu.Yakovlev, S.Civis, Z.Zelinger " InAsSbP/InAs lasers (2,9^m) for spectroscopy of ammonia: low temperature investigations) Specrtochemica Acta Part A 54 pp. 821-829(1998)
