Полупроводниковые лазеры с накачкой электронным пучком и их применение для возбуждения лазерно-активных сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УДК 621.373.8

РГБ ОД • ' " 4 ДЕК ш'1-

МИТЬКОВЕЦ

Анатолий Иванович

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ С НАКАЧКОЙ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЛАЗЕРНО-АКТИВНЫХ СРЕД

01.04.21 - Лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск - 2000

Работа выполнена на кафедре общей физики Белгосуниверситета

Научные руководители: кандидат физико-математических наук,

доцент ЖОЛНЕРЕВИЧ Иван Иосифович кандидат физико-математических наук, ГУРСКИЙ Александр Леонидович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор КЛИЩЕНКО Анатолий Петрович

доктор физико-математических наук ГАПОНЕНКО Сергей Васильевич

Оппонирующая организация — Институт электроники НАН Беларуси

Защита состоится «22» «декабря» 2000 г. в 14.00 часов на заседании совета по защите диссертаций Д 02.01.17 при Белгосуниверситете (220050, г Минск, пр Ф СКорины, 4).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгосуниверситета.

Автореферат разослан «20» «ноября» 2000 г.

Ученый секретарь

совета но защите диссертаций,

доктор физ.-мат. наук

И. М. Гулис

. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Полупроводниковые лазеры находят все более широкое.применение в практической деятельности человека,.постепенно вытесняя другие типы лазеров, благодаря ряду преимуществ, таких как высокий кпд, питание от низковольтных источников; высокое быстродействие, простота и компактность. Это в первую очередь относится к инжекционным лазерам и системам на их основе. Полупроводниковые лазеры с электронной накачкой (ПЛЭН), уступая им по некоторым параметрам, обладают, тем не менее, рядом практически важных свойств, не присущих инжекционным лазерам, таким, например, как возможность сканирования лазерным лучом в пространстве, возможность получения генерации с большой площади и во всем видимом диапазоне спектра, а также в ближней УФ и ИК области. ••:../■•,-..

Развитие лазеров с электронной накачкой на основе объемных монокристаллов в настоящее время достигло определенного предела и существенного улучшения их параметров за счет совершенствования технологий выращивания кристаллов не ожидается. Здесь более актуальным направлением является разработка новых способов и технологий изготовления активных элементов с целью улучшения выходных параметров лазеров и продления срока их службы. Выходная мощность полупроводниковых лазеров традиционной конструкции ограничена, главным образом, развитием самоусиливающихся кольцевых мод, разрушающих активный элемент. Одним из путей снижения влияния этого эффекта является создание новых типов резонаторов ПЛЭН. Перспективы существенного улучшения качества кристаллов связаны с разработкой и применением новых методов выращивания тонких монокристаллических полупроводниковых пленок на основе молекулярно-лучевой и репродукционной эпитаксии, а также металлоорганического синтеза, открывающих возможности создания полупроводниковых лазеров с многослойной структурой, обладающих низкими порогами генерации и высоким кпд.

Хотя проблемам физики полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком посвящено достаточно большое количество работ,

в этой области остается еще ряд нерешенных вопросов, связанных с однозначным установлением механизмов рекомбинации, ответственных за возникновение генерации, особенно в широкозонных кристаллах при комнатной температуре, выяснением влияния типа и уровня легирования . на параметры лазеров, определением механизмов и причин деградации активных элементов, бездефектным сопряжением кристаллических границ многослойных структур. Исследования в этом направлении, несомненно, представляют большой научный и практический интерес.

Широкий спектральный диапазон излучения полупроводниковых соединений и их твердых растворов позволяет согласовывать длину волны накачки с полосами поглощения большинства активных лазерных сред. В этом направлении наиболее существенные результаты достигнуты при светодиодной накачке ионов неодима в различных кристаллических матрицах, на основе которых уже созданы эффективные малогабаритные лазеры, хотя и невысокой мощности. Использование для возбуждения лазерных сред излучения мощных многоэлементных ПЛЭН с продольной накачкой электронным пучком позволит повысить выходную мощность таких лазеров. Кроме того, достаточно высокий коэффициент -преобразования энергии электронного пучка в световое излучение (до 35 %) создает предпосылки для разработки лазерных систем" с высоким общим кпд. Вышесказанное определяет актуальность проведения исследований, направленных на изучение процессов генерации в полупроводниковых кристаллах и лазерах возбуждаемых их излучением.

Связь работы с научными программами. В диссертацию входят результаты работ, выполненных в рамках программы Министерства образования и науки РБ "Лазер" ( № гос. регистрации 19941283 ), а также программы, поддерживаемой Фондом фундаментальных исследований Беларуси, "Фотон-31" (№ гос. регистрации 19962323 ).

Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в повышении выходной мощности и кпд полупроводниковых лазеров с электронной накачкой на базе объемных монокристаллов группы А2Вб и эпитаксиаль-ных слоев 2п8е для создания эффективных лазерных систем с селективным возбуждением.

Достижение поставленной цели требовало решения следующих основных задач:

- разработать способы создания положительной обратной связи, позволяющие подавлять кольцевые моды в резонаторе многоэлементных ПЛЭН и провести сравнительный анализ основных параметров генерации таких лазеров с выходными характеристиками излучателей традиционной конструкции;

- изучить пространственное распределение мощности выходного излучения полупроводниковых лазеров с электронной накачкой и предложить схему возникновения положительной обратной связи в резонаторе с микрорельефными отражателями, а также изучить возможность управления диаграммой направленности излучения ПЛЭН посредством изменения параметров резонатора;

- исследовать излучательные характеристики эпитаксиальных слоев гпБе, выращенных методом газофазной эпитаксии из метадлооргани-ческих .соединений, и установить влияние тапа и уровня легирЬвания на эффективность генерации, а .также основные механизмы рекомбинации, ответственные за вынужденное излучение; •...;• . - ; :

- установить зависимость спектрального положения линий излучения:, ПЛЭН от интенсивности возбуждения, химического состава: и толщины активного элемента для обеспечения их согласования со спектрами поглощения лазерных сред; ■ I

- исследовать выходные характеристики лазеров на центрах окраски и ионах неодима с накачкой излучением ПЛЭН.

Объект и предмет исследования. Объектами исследования являются- 1) объемные монокристаллы СЖ, /пЯе, Сс1Те, ОаАя, их твердые растворы Сс!58е, ЕпС(18 и эгаггаксиальные слои ZnSe, являющиеся активными средами полупроводниковых лазеров с электронной накачкой; 2) полимерные матрицы с внедренными красителями, кристаллы ЬЩОН) и 1Л;(Ма) с радиационными центрами окраски, кристаллы ИАГ и КГВ и КНФС, активированные ионами неодима, и лазеры с селективным возбуждением на их основе.

Методы исследования. Основными методами экспериментального исследования являлись регистрация и анализ спектров фото- и като-долюминесценции, генерации, поглощения, а также измерение временных, энергетических и пространственных характеристик генерации при различных температурах и интенсивностях оптического и электронного , возбуждения исследуемых объектов.

Научная новизна подученных результатов. Все нижеприведенные результаты получены впервые, их новизна состоит в следующем.

1. Показано, что применение микрорельефной отражающей поверхности вместо плоского серебряного зеркала позволяет повысить выходную мощность излучения полупроводниковых лазеров в несколько раз, что является следствием подавления самоусиливающихся кольцевых мод, выравнивания плотности мощности излучения в резонаторе и уменьшения вклада безызлучательной рекомбинации в приповерхностном слое кристалла.

2. Изучено пространственное распределение энергии выходного излучения полупроводниковых лазеров с микрорельефными отражателями и электронной накачкой, предложена схема осуществления положительной обратной связи в резонаторе лазеров этого типа и дано объяснение наблюдаемому многолепестковому виду диаграмм направленности. Показана принципиальная возможность управления диаграммой направленности излучения ПЛЭН с микрорельефной отражательной поверхностью при помощи выходных зеркал, коэффициент отражения которых в полосе усиления среды зависит от длины волны и направления распространения света.

3. Получено и исследовано лазерное излучение в нелегированных, а также легированных акцепторной примесью азота и донорной примесью хлора эпитаксиальных слоях гпБе, выращенных методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, при возбуждении импульсным электронным пучком. Установлено, что легирование образцов, как донорной, так и акцепторной примесью, приводит к снижению порогов генерации эпитаксиальных слоев, и показано, что эффект наблюдается не только в низкоомных, но и в высокоомных сильно компен-

сированных слоях. Получена одновременная двухчастотная генерация эпитаксиального слоя и подл о лжи арсенида галлия.

4. Определено спектральное положение линий генерации эпитак-сиальных слоев и проведена оценка концентрации неравновесных носителей заряда при пороговом уровне возбуждения. Показано, что при комнатной температуре и плотностях мощности возбуждения выше пороговой основным механизмом излучательной рекомбинации, ответственным за возникновение лазерного излучения, является рекомбинация в электронно-дырочной плазме.

5. Получена и исследована генерация на центрах окраски в кристаллах 1лР(ОН), Ь1Е(М§) при накачке излучением ПЛЭН с микрорельефной отражательной поверхностью. В кристалле иР:Р2+(ОН), помещенном в селективный резонатор, осуществлена плавная перестройка длины волны генерации в диапазоне 895 * 1050 нм с шириной линии излучения 2,4 нм. Проведено исследование эффективности возбуждения генерации в зависимости от длины волны накачки, и установлено, что более эффективным является возбуждение в длинноволновое крыло полосы поглощения вследствие уменьшения стоксового сдвига и величины коэффициента неактивного поглощения. В неселективном резонаторе максимально полученная эффективность преобразования излучения накачки, падающего на поверхность кристалла, в лазерное излучение составила 30%, при этом импульсная мощность генерации равнялась 0,24 МВт.

6. Получена генерация в кристаллах с узкими полосами поглощения и различной концентрацией активатора при возбуждении излучением полупроводниковых лазеров на основе твердых растворов Сс^Бе^х, с накачкой электронным пучком. Для ИАГ:Кс13+ и КГВ:Ш3+ пороги генерации при накачке излучением с длиной волны X = 586 нм равнялись соответственно ~2 и ~1 мДж. Эффективность преобразования излучения накачки в излучение лазера на составила 0.27%. Установлено, что при пороговых уровнях возбуждения ионов №3+ излучением с длительностью импульса 2 не форма импульса генерации имеет пичковую структуру, что определяется скоростями релаксации иона из возбужден-

ных состояний и степенью превышения накачки над ее пороговым значением.

Практическая значимость полученных результатов. Разработаны способы повышения выходной мощности и кпд ПЛЭН на основе объемных монокристаллов Сс18, гпБе, С(188е, гпСсй, СЖе и ОаАя за счет применения микрорельефной отражающей поверхности вместо плоского серебряного зеркала, что позволяет увеличить выходную мощность лазеров в 2-10 раз в зависимости от их химического состава и качества материала активного элемента, при этом снижается количество операций необходимых для изготовления таких лазеров и, соответственно, их себестоимость. Более, чем десятикратное увеличение выходной мощности при коэффициенте преобразования энергии электронного пучка в лазерное излучение 15% получено в ПЛЭН на основе сульфида кадмия. Максимальная плотность мощности многоэлементного лазера достигала 5 МВт/см2, что позволило осуществить генерацию на молекулах красителей, внедренных в полимерную матрицу, центрах окраски и ионах неодима. Установленные закономерности формирования диаграмм направленности и предложенный способ их видоизменения с помощью выходных зеркал, коэффициент отражения которых в полосе усиления среды зависит от длины волны и направления распространения света, могут быть использованы при создании мощных лазеров с заданной диаграммой направленности излучения, например, в мобильных системах воздушной и морской навигации. Результаты исследования пороговых, временных и энергетических характеристик твердотельных лазеров, возбуждаемых излучением ПЛЭН, будут полезны для дальнейших практических разработок эффективных лазеров с селективным возбуждением.

На основе результатов проведенных исследований предложен ряд технических решений, защищенных 1 авторским свидетельством на изобретение и 3 патентами РФ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Увеличение выходной мощности и кпд полупроводниковых лазеров с микрорельефной отражающей поверхностью обусловлено подав-

лением самоусиливающихся кольцевых мод и снижением вклада безыз-лучательной рекомбинации в приповерхностном слое активного элемента.

2. Диаграмма направленности излучения полупроводникового лазера с входной для электронного пучка поверхностью, образованной посредством химического растворения кристалла, формируется за счет совместного вклада процессов отражения и дифракции света на пирамидальных элементах микрорельефа, при этом соотношение вкладов отражения и дифракции определяется добротностью резонатора лазера.

3. Снижение порога генерации в эпитаксиальных слоях 7п5е, легированных донорной или акцепторной примесью, по сравнению с неле-гировайными, при возбуждении электронным пучком обусловлено увеличением времени жизни неравновесных носителей заряда вследствие уменьшения концентрации центров безызлучательной рекомбинации, вызванного введением легирующей примеси.

4. Основным механизмом излучательной рекомбинации в полупроводниковых лазерах с микрорельефными отражателями и легирован- ' ных эпитаксиальных слоях 7,пБе. с накачкой импульсным электронным пучком при комнатной температуре является рекомбинация в электронно-дырочной плазме.

Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает ' личный вклад соискателя. Он заключается в непосредственном проведении экспериментальных исследований и анализе полученных результатов, в постановке совместно с научными руководителями (в ряде случаев совместно с В. В. Грузинским и Г. П. Яблонским) задач исследований и в интерпретации результатов. Научным руководителям - И. И. Жолнере-вичу и А. Л. Гурскому - принадлежат выбор направления исследований, обсуждение целей, задач, положений и выводов работы. Другие соавторы работ оказывали методическую помощь в проведении экспериментов и изготовлении кристаллов или исследовали круг вопросов, не вошедших в диссертацию.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований, включенных в диссертацию, докладывались на следующих

научных конференциях и симпозиумах: VI Всес. симпозиум "Люминесцентные приемники и преобразователи ионизирующего излучения", Львов, 1988; IX Респ. конф. молодых ученых по спектроскопии и квантовой электронике, Вильнюс, 1989; V Междунар. конф. "Перестраиваемые по частоте лазеры", Иркутск, 1989; VIH и IX Int. Conf. On Ternary and Multinary Compounds, Kishinev, 1990, Yokogama, 1993; VI Всес. конф. "Оптика лазеров", Ленинград, 1990; XIV Междунар. конф. по когерентной и нелинейной оптике, Ленинград, 1991; Intern. Conf. "Advanced Solid State Lasers", Santa-Fe, New Mexico, 1992; VII Trieste Semiconductor Symposium on Wide-Band-Gap Semiconductors, Trieste, 1992; I and II European Workshop on П-VI Semiconductors, Aachen, 1992, Linz, 1994; Intern. Conf. "Advanced Solid State Lasers / Compact Blue-Green Lasers", New Orleans, 1993; I Int. Symp. On Blue Lasers and Light Emitting Diodes, Chiba, 1996; Юбилейная науч.-тех. конф. БрПИ, Брест, 1996; Междунар. конф. по лазерной физике и спектроскопии, Гродно, 1993, 1997, 1999; II Межгос. конф. по квантовой электронике, Минск, 1998; Междунар. конф. МНТЦ "Конверсия научных исследований в Республике Беларусь", Минск, 1999.

Опубликованность результатов. Основные результаты работы опубликованы в 22 научных работах, в том числе 1 препринте, 8 статьях в научных журналах, 9 материалах конференций. Имеется 1 авторское свидетельство и 3 патента на изобретения.

Общее количество опубликованных по теме диссертации материалов составляет 127 страниц.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Полный объем диссертации составляет 114 страниц, включая 36 рисунков и 4 таблицы на 26 страницах. Список использованных источников, включающий 135 наименований, занимает 12 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Первая глава посвящена аналитическом}' обзору современного состояния развития физики и техники ПЛЭН и их применения для возбуждения генерации в растворах органических красителей.

Во второй главе приведены результаты исследований выходных характеристик ПЛЭН на основе ряда полупроводниковых соединений группы А2В6 и GaAs с микрорельефной отражающей поверхностью вместо плоского серебряного зеркала. Входная по отношению к электронному пучку микрорельефная поверхность создавалась посредством химического растворения кристаллов в кислотах: Оптимальные режимы обработки определялись экспериментально по наиболее четкой картине световых фигур, возникающих при освещении микрорельефа сфокусированным излучением. Использование микрорельефа дает существенные преимущества при изготовлении -ПЛЭН. Травление можно проводить сразу после шлифовки, при этом исключаются трудоемкие и дорогостоящие операции механической и химико-механической (динамической) полировки, а также операция нанесения глухого серебряного зеркала. Для корректного сравнения параметров использовались одни и те же пластины, на одной части поверхности которых формировался микрорельеф, а на другой изготавливалось глухое серебряное зеркало.

Возбуждение полупроводниковых лазеров осуществлялось электронным пучком со следующими параметрами: энергия электронов Еэ ~ 200 кэВ, ток пучка в максимуме импульса до / = 2 кА, длительность импульса но полуширине т = 1,5 не при длительности его переднего фронта Тф = 0,5 не.

Основные параметры многоэлементных ПЛЭН с продольным возбуждением представлены в таблице 1, где приняты следующие обозначения: h -длина резонатора, d - шаг нарезки, R - коэффициент отражения выходной поверхности, X¡- - длина волны максимума полосы генерации, Ет - плотность мощности генерации. Значения кпд излучателей приведены относительно энергии электронного пучка. Измерение энергии излу-

чения ПЛЭН проводились при постоянной величине плотности мощности накачки \УЭ=26 МВт/см2, соответствующей линейному участку люкс-интенсивных характеристик.

Таблица 1

Параметры исследуемых ПЛЭН

№ Материал ь, А, я, Ег, кпд Приме-

образца активного элемента мкм мкм % нм МВт/см2 % чание

1 СаББе 200 1.0 70 619 0.16 0.8 Аё- ■

2 СаББе 150 1.0 50 619 0.23 1.2 покры-

3 СсШе 110 1.0 50 619 0.25 1.3 тие

4 сазяе 210 1.0 30 586 0.25 1.2 (С

5' саэ 185 1.0 70 529 0.21 1.03 ((

6 саБ 110 1.0 70 529 0.16 0.8 и

7 саз 210 1.0 30 529 0.28 1.4 и

8 СсШ 110 0.75 70 529 0.09 0.5 А в-

9 саБ 100 1.0 50 529 0.25 1.3 покры-

10 С<В 100 0.5 50 529 0.33 1.65 тие

11 СёБ 1200 1.0 30 529 0.04 0.2 «4

12 гпБе 200 1.0 50 471 0.22 1.1 а

13 2пС<К 200 1.0 70 518 0.05 0.24

14 СёТе 200 1.0 70 856 0.17 0.86

15 ваАБ 200 0.5 50 894 0.42 2.1

4 СсЕБе 210 1.0 30 586 2.3 11.5 Микро-

7 Сё8 210 1.0 30 529 3.02 25.1 рельеф

7а САБ 110 1.0 50 529 2.93 14.6 <(

11 Сей 1200 1.0 30 529 0.4 2.0 (1

12 гп8е 200 1.0 50 471 2.26 12.5 и

13 гпСдБ 200 1.0 70 518 0.53 2.6 с«

14 СйТс 200 1.0 70 856 0.35 1.74 и

15 О&Ав 200 0.5 50 894 0.86 4.3

Применение нового принципа построения оптического резонатора полупроводниковых лазеров с продольной накачкой электронным пучком, заключающегося в замене глухого плоского зеркала микрорельефной отражательной поверхностью, позволяет увеличить выходную мощ-

и

ность и кпд лазеров в 2-10 раз в зависимости от химического состава и качества материала активного элемента. Более чем десятикратное увеличение выходной мощности,при коэффициенте.преобразования энергии электронного пучка в лазерное излучение 15% получено в лазере на основе сульфида кадмия.' Максимальная плотность мощности многоэлементного лазера достигала 5 МВт/см?. 1

Характер изменения поло5кения и формы линий излучения одинаков для всех исследуемых соединений. Превышение порога генерации характеризуется резким возрастанием интенсивности и сужением линии излучения до 2 нм. Дальнейшее повышение мощности возбуждения сопровождается длинноволновым сдвигом максимума линии генераций с одновременным ее ушйрением. При плотности мощности накачки V/, = 70 МВт/см2 сдвиг спектра генерации составлял 6 нм, а ширина линии по полувысоте - 5 нм. Повышение мощности возбуждения до 150 МВт/см2 не приводило к заметному сдвигу линии излучения и сопровождалось лишь незначительным ее уширением (на' 1-1,5 нм).

Замена глухого зеркала микрорельефной отражательной поверхностью в многоэлементном ПЛЭН приводит к сильному уширению диаграммы направленности (ДН) по сравнению с излучателем традиционной конструкции. Основной причиной уширения ДН ПЛЭН является неоптимальность применяемого микрорельефа из-за отклонения реально получаемой величины угла наклона граней пирамид от 45°. Этот угол определяется особенностями химического растворения кристаллов и в настоящее время не найдено способа его коррекции в желаемую сторону. Для сужения спектров и ДН излучения ПЛЭН было предложено использовать выходные зеркала, отражательные свойства которых избирательны по направлению и длине волны в пределах контура полосы усиления. Было изучены пространственное распределение выходной мощности излучения ПЛЭН с такими зеркалами и индикатриса отражения микрорельефной поверхности в случае, когда отсутствует оптическое усиление в активной среде. На основе полученных данных предложены схемы хода лучей в резонаторе при возникновении положительной обратной связи и в рамках геометрической оптики дано объяснение осо-

бенностей формирования максимумов ДН. Показана принципиальная возможность управления видом диаграммы направленности.

В третьей главе представлены результаты исследований генерационных характеристик эпитаксиальных слоев 2пБе, выращенных методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, целью которых являлось выяснение влияния легирования на величину лазерного! порога, спектральные характеристики излучения и механизмы реком-5 бинации. Нелегированные и легированные азотом и хлором образцы выращивались в реакторе низкого давления при температурах, лежащих в интервале 330-360 С, на подложках из ОаАв толщиной 500мкм. Возбуждение эшггаксиальных слоев ZnSe электронным пучком осуществлялось по поперечной схеме. Резонаторы формировались путем скалывания кристаллов по плоскостям спайности.

При комнатной температуре была получена генерация как в нелегированных, так и в легированных эпитаксиальных слоях. Порог возбуждения генерации легированных образцов оказался в 3-5 раз ниже по сравнению с нелегированными образцами с такой же длиной резонатора и толщиной активного слоя. Причем, снижение порога генерации наблюдалось как в образцах, легированных акцепторной примесью азота, так и донорной примесью хлора. Характерные значения порога возникновения генерации для легированных образцов составляли 1-3 МВт/см2. Одновременно с генерацией слоя 2пБе наблюдалась также генерация из монокристаллической подложки ОяАб мощностью более 5 кВт. Снижение порога генерации в легированных образцах объясняется снижением концентрации центров безызлучательной рекомбинации, приводящим к увеличению времени жизни (и соответственно концентрации) ННЗ. Последнее может являться как результатом "залечивания" центров безызлучательной рекомбинации легирующей примесью (например, заполнением вакансий), так и снижением плотности дислокаций, также являющихся эффективными центрами безызлучательной рекомбинации.

В соответствии с приведенными оценками концентрации ННЗ в пороге генерации и их критической концентрации, при которой наблюдается распад экситонов, а также на основании спектрального положения линий генерации сделан вывод, что единственно возможным меха-

низмом развития генерации во всех исследованных образах гпБе при применяемых интенсивностях возбуждения (\У3 > 2 МВт/см2) и комнатной температуре является рекомбинация в электронно-дырочной плазме.

В четвертой главе приведены результаты исследования выходных характеристик твердотельных лазеров, возбуждаемых излучением ПЛЭН. Достаточно высокий коэффициент преобразования энергии электронного пучка в световое излучение (до 35 %) создает предпосылки для разработки лазерных систем с высоким общим кпд. Например, теоретический предельный кпд лазерной системы на основе родамина 6 0с накачкой излучением СсЙ составляет порядка 10 %. Повышение выходной мощности излучения ПЛЭН с микрорельефными отражателями позволило осуществить генерацию на молекулах красителей в полиметилметак-рилате, центрах окраски в кристаллах Ш7 и ионах неодима в кристаллах ИАГ, КГВ и КНФС. В экспериментах применялась поперечная схема накачки. Активные элементы располагались непосредственно у поверхности кварцевой подложки ПЛЭН толщиной 3 см. Основные характеристики твердотельных лазеров с селективным возбуждением представлены в таблице 2.

Таблица 2

Актив- Тг, Ег, Размеры Концент- Л,

ный эле- НМ НС нм НС мДж активного рация ак- %

мент элемента, мм тиватора

529 2.0 923 4.0 0.21 11 х13x27 1.2х1016 2.5

(ОН) см-3

Ш:Р2+ 586 2.0 923 4.0 1.05 11x13x27 1.2х10!б 12.3

(ОН) см-3

1лР:Р2+ 619 2.0 923 4.0 0.87 11 х13х27 1.2х10'6 15.3

(ОН) см"3

1лР:Р2+ 665 2.0 923 4.0 0.44 11x13x27 1.2x1016 7.6

(ОН) см"3

1лР;Р2+ 619 8.0 923 5.0 1.2 4x12x18 1.8х1016 30.0

(ОН) см-3

1лГ: (Мв> 586 2.0 688 5.0 0.17 3x6x11 1.8х1016 см'3 1.8

КХЖ: Ш3+ 586 2.0 1067 150 8.3x10"3 1.4x4.5x12 10% 0.27

Ш3+ 586 2.0 1064 250 1,9х10"3 3x4.5 х12 1 % 0.14

КНФС: Ш3+ 586 2.0 1060 940 2.4x10"3 3x5x14 2.5 % 0.15

А1203: Т13+ 529 8.0 776 - - 3x5x11 0.12 % -

В таблице приняты следующие обозначения: лн - длина волны из! лучения накачки; тн - длительность импульса накачки; Яг - длина волны генерации в максимуме; тг - длительность импульса генерации; Ег - мак; симальная энергия генерации; г) - эффективность преобразования излу-, чення накачки, падающего на поверхность кристалла, в лазерное излучение.

В кристалле ЫР(ОН):Р2+, помещенном в селективный резонатор, образованный плоским зеркалом и дифракционной решеткой 600 штр/мм, установленной по автоколлимационной схеме, осуществлена^ плавно перестраиваемая генерация в спектральном диапазоне 0,895 - 1,05 мкм с полушириной линии излучения 2,4 нм. В неселективном резонаторе при накачке излучением с длительностью 8 не максимальная энергия генерации равнялась 1,2 мДж, что соответствует 30% преобразования энергии излучения падающего на поверхность кристалла в лазерное излучение. Генерацию на ионах неодима в кристаллах ИАГ, КГВ и КНФС с различной концентрацией активатора удалось получить только после проведения согласования спектров поглощения и накачки посредством подбора состава полупроводникового соединения и толщины активного элемента.

Длительность импульса генерации лазера, как и его эффективность в целом во многом определяются временными параметрами излучения накачки и временем жизни возбужденного состояния активной среды. В наших экспериментах накачка активных сред осуществлялась излучени-

ем с длительностью импульса равной или на много меньшей длительности жизни возбужденного состояния среды. При возбуждении ионов неодима наблюдалась существенная задержка импульса генерации по отношению к импульсу накачки длительностью 2 не, а его форма изменялась в зависимости от мощности возбуждения. Показано, что временное развитие импульса генерации определяется скоростями безызлучатель-ной рекомбинации ионов из возбужденных состояний и степенью превышения накачки над ее пороговым значением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с целью и задачами исследования автором получены следующие новые научно обоснованные результаты.

1. Впервые разработаны методы повышения выходной мощности и кпд ПЛЭН на основе объемных монокристаллов Сс18, 7п8е, СсйБе, ZnCdS, СёТе и ваЛя за счет применения микрорельефной отражающей поверхности вместо плоского серебряного зеркала, что позволило увеличить выходную мощность лазеров в 2-10 раз в зависимости от их химического состава и качества материала активного элемента. Более чем десятикратное увеличение выходной мощности при коэффициенте преобразования энергии электронного пучка в лазерное излучение 15% получено в лазере на основе сульфида кадмия, что обусловлено подавлением самоусиливающихся кольцевых мод, выравниванием плотности мощности излучения в резонаторе и уменьшением вклада безызлучательной рекомбинации в приповерхностном слое. Максимальная плотность мощности многоэлементного ПЛЭН достигала 5 МВт/см2. Установлено, что при комнатной температуре и плотностях мощности накачки, превышающих пороговую, основным механизмом излучательной рекомбинации в исследованных ПЛЭН, является рекомбинация в электронно-дырочной плазме [6, 9,19-22].

2. На основании результатов исследования пространственного распределения мощности выходного излучения полупроводниковых лазеров с электронной накачкой и результатах измерения индикатрисы отражения света микрорельефной поверхностью предложена схема хода лучей

при возникновении положительной обратной связи в резонаторе Щ1ЭН с микрорельефными отражателями и в рамках геометрической оптики дано объяснение многолепестковому виду диаграмм направленности. Показана принципиальная возможность управления диаграммой направленности излучения ПЛЭН с микрорельефной отражательной поверхностью при помощи выходных зеркал, коэффициент отражения которых в полосе усиления среды зависит от длины волны и направления распространения света [7,10, 15,18].

3. Впервые при комнатной температуре получено и исследовано лазерное излучение в нелегированных, а также легированных азотом и хлором эпитаксиальных слоях гпБе, выращенных методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, при возбуждении электронным пучком. Установлено, что легирование эпитаксиальных слоев гпБе как донорной, так и акцепторной примесью приводит к снижению порога генерации в несколько раз, причем оно наблюдается не только в шзкоомных, но и в высокоомных сильно компенсированных слоях. Такое уменьшение порога обусловлено увеличением времени жизни неравновесных носителей заряда вследствие уменьшения концентрации бе-зызлучательных центров рекомбинации, подавляемых легирующей примесью [11, 12].

4. Показано, что спектральное положение линий генерации эпитаксиальных слоев гп8е:С1 и смещено в длинноволновую область спектра по отношению к положению линий лазерного излучения нелегированных слоев на величину ~2 нм при одинаковых уровнях возбуждения. Оценки концентрации ННЗ и спектральное положение линий генерации показывают, что при комнатной температуре и плотностях мощности возбуждения выше пороговой основным излучателышм механизмом рекомбинации, ответственным за возникновение лазерного излучения, является рекомбинация в электронно-дырочной плазме. [13,14,16].

5. Впервые при накачке излучением ПЛЭН получена генерация на центрах окраски в кристаллах Ь1Р(ОН) и и на ряде красителей, внедренных в полимерную матрицу. В кристалле 1лР:Р2+(ОН), помещенном в селективный резонатор, осуществлена плавная перестройка длины

волны генерации в диапазоне 895+1050 нм с полушириной линии излучения 2,4 нм. В неселективном резонаторе эффективность преобразования излучения накачки, падающего на поверхность кристалла, в лазерное излучение составила 30%, что позволяет создать лазерную- систему с общим кпд 3% и импульсной мощность генерации 0,24 МВт [1-3, 17].

6. Впервые получена генерация в лазерных кристаллах, активированных ионами неодима, с узкими полосами поглощения и различной концентрацией активатора при возбуждении излучением полупроводниковых лазеров на основе твердых растворов CdSxSei_x, с накачкой электронным пучком. Для HAT;Nd3+ и KTB:Nd3+ пороги генерации при накачке излучением с длиной волны А.=586 нм равнялись соответственно ~2 и ~1 мДж. Эффективность преобразования излучения накачки в излучение лазера на КГБ: Nd3+ составила 0.27% [4, 5, 8, 17].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Полупроводниковые излучатели с электронной накачкой на CdSxSei.x

и их применение для возбуждения генерации в красителях и ионных кристаллах / Грибковский В. П., Грузинский В. В., Давыдов С. В., Кулак И. И., Митьковец А. И., Морозов В. А., Ставров А. А., Шкада-ревич А. П., Яблонский Г. П. - Минск, 1990. - 33 с. - (Препринт / ИФ АН БССР; №618).

2. Кулак И .И., Митьковец А. И., Морозов В. П. Перестраиваемый лазер

на кристаллах LiF:F2+(OH) с катодолюминесцентной накачкой // Письма в ЖТФ. -.1989, -.Т. 15, № 24. - С. 21-24.

3. Генерация на кристаллах HAT:Nd3+ и KGdW:Nd3+ при накачке полу-

проводниковыми лазерами / Давыдов С. В., Кулак И. И., Митьковец

A. И., Ставров А. А., Шкадаревич А. П., Яблонский Г. П. // Квантовая электроника. -1991. - Т. 18, № 1. - С. 20-21.

4. High-efficiency electron-beam-pumped semiconductor laser emitters / Gurskii A. L., Lutsenko E. V., Mitkovets A. I., Yablonskii G. P. // Physica

B. - 1993. - Vol. 185, № 1-4. - P. 505-507.

4. High-efficiency electron-beam-pumped semiconductor laser emitters / Gurskii A. L., Lutsenko E. V., Mitkovets A. I., Yablonskii G. P. // Physica B. - 1993. - Vol. 185, № 1-4. - P. 505-507.

5. Semiconductor electron-beam-pumped lasers based on ZnCdS compounds /

Gribkovskii V. P., Gurskii A. L., Davydov S. V., Lutsenko E. V., Kulak I. 1., Mitkovets A. I., Yablonskii G. P., Gremenok V. F. // Jpn. J. Appl. Phys. .. , -1993. - Vol. 32, Suppl. 32-3. - P. 521-523.

6. Electron-beam-pumped laser emitters with microrelief mirrors based on II-

VI semiconductors / Gribkovskii V. P., Gurskii A. L., Lutsenko E. V., Kulak I. I„ Mitkovets A. I., Yablonskii G. P. // Advanced Materials for Optics and Electronics. - 1994. - Vol. 4, № 5- - P. 365-371.

7. Electron-beam-pumped lasing in ZnSe epitaxial layers grown by metal-organic vapour phase epitaxy / Gurskii A. L., Gruzinskii V. V., Gavrilenko A. N., Kulak 1.1., Mitkovets A. I., Yablonskii G. P., Scholl M., Heuken M. // J. Appl. Phys. - 1995. - Vol. 77, № 10. - P.5394-5397.

8. Electron beam pumped room temperature lasing of MOVPE-grown ZnSe /

Gurskii A. L., Gruzinskii V. V., Gavrilenko A. N., Kulak I. I., Mitkovets A. I., Yablonskii G: P., Scholl M., Heuken M.7/ Material Science Forum. - 1995. - Vols. 182-184. - P. 323-326.

9. Направленность и модовая структура излучения полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком / Гурский A. JL, Жолнере-вич И. И., Козловский В. И., Кулак И. И., Луценко Е. В., Митьковец А. И., Яблонский Г. П. //ЖПС. - 1999. - Т. 66, № 5. - С. 690-695.

10. Лазеры на кристаллах LiF:F2+(OH) с катодогаоминесцентной накачкой / Кулак И. И., Митьковец А. И., Морозов В. П., Яблонский Г. П. // Тр. Межд. конф. "Перестраиваемые по частоте лазеры" Иркутск, 1989 г. / Институт теплофизики. - Новосибирск, 1990. - Ч. 1. - С. 89-92.

11. Electron-beam-pumped laser emitters based on CdSSe crystals / Gurskii A. L., Davydov S. V., Kulak I. I., Mitkovets A. I., Stavrov A. A., Shkadarevich A. P., Yablonskii G. P. // Proc. 8th Int. Conf. on Ternary and Multinary Compounds, Kishinev, 1991 r. / Shtiintsa Press. - Kishinev, 1992.-Vol. 2.-P. 527-530.

12. Solid state tunable lasers under catodoluminescent pump / Kulak I. I., Mitkovets A. I., Shkadarevich A. P., Yablonskii G. P. // Proc. Conf. "Advanced solid state lasers", Santa-Fe. - New Mexico, 1992. - P. 162164.

13. Power and spatial characteristics of electron-beam-pumped semiconductor lasers / Gurskii A. L., Davydov S. V., Kulak I. I., Mitkovets A. I., Lutsenko E. V., Yablonskii G. P. // Proc. Int. Conf. "Advanced Solid State Lasers / Compact Blue-Green Lasers", New Orleans, USA. - Technical Digest Series, 1993. - Vol. 2. - P. 426-428.

14. Photoluminescence and stimulated emission of ZnSe and ZnSe:N epilayers grown by MOVPE using nitrogen as carrier gas / Gurskii A. L., Lutsenko E. V, Kulak 1.1., Mitkovets A. I., Yablonskii G. P., Taudt W„ Hamadeh H., Heuken M. // Proc. Int. Symp. on Blue Lasers and Light Emitting Diodes, Cliiba. - Japan, 1996. - P. 194-197.

15. Room-temperature electron-beam-pumped lasing of doped ZnSe epitaxial layers grown by MOVPE / Yablonskii G. P., Gruzinskii V. V., Gurskii A. L., Gavrilenko A. N., Kulak I. I., Mitkovets A. I., Taudt W„ Soellner J., Heuken M. // Лазерная физика и спектроскопия. Труды Междунар. конференции. - Минск, .1997. - Т.1. - С. 192-195.

16. Лазеры с электронной и оптической накачкой на основе соединений II-VI и гетероструктур с квантовыми ямами / Гурский А. Л., Луценко Е. В., Марко И. П., Яблонский Г. П., Кулак И. И., Митьковец А. И., Калиш X., Хайме К., Хойкен М. // Труды. Междунар. семинара "Конверсия научных исследований в Беларуси в рамках деятельности МНТЦ". - Минск, 1999. - 4.1. - С. 95-98.

17. Твердотельные лазеры с накачкой полупроводниковыми излучателями / Жолнеревич И. И., Кулак И. И., Митьковец А. И., Луценко Е. В. // Матер. IV Межд. конф. по лазерной физике и спектроскопии. -Гродно, 1999. - Ч. 2 - С. 230-232.

18. Полупроводниковые лазеры на CdS с селективными зеркалами / Гурский А. Л., Жолнеревич И. И., Кулак И. И., Козловский В. И., Митьковец А. И., Яблонский Г. П. // Матер. IV Межд. конф. по лазерной физике и спектроскопии. - Гродно, 1999. - Ч. 2 - С. 221-223.

19. A.c. 1653514 СССР, МКИ3 HOIS 3/18. Полупроводниковый лазер с электронной накачкой и способ его изготовления / Грибковский В. П., Грузинский В. В., Гурский А. Л., Давыдов С. В., Кулак И. И., Митьковец А. И., Ставров А. А., Шкадаревич А. П. (СССР). - № 4712972/25; Заявлено 03.07.89; Разрешение на открытую публикацию от 03.11.94.

20. Патент 2017267 РФ, МКИ5 H01L 21/306. Способ изготовления полупроводникового лазера с электронной накачкой / Грибковский В. П., Грузинский В. В., Гурский А. Л., Луценко Е. В., Кулак И. И., Митьковец А. И., Ставров А. А., Шкадаревич А. П., Яблонский Г. П. (РБ).

- № 5009254/25; Заявлено 17.09.91; Опубл. 30.07.94, Бюл. № 14. -3 с.

21. Патент 2017268 РФ, МКИ5 H01L 21/306. Способ изготовления полупроводникового лазера с электронной накачкой / Грибковский В.П., Грузинский В. В., Гурский А. Л., Луценко Е. В., Кулак И. И., Митьковец А. И., Ставров А. А., Шкадаревич А. П., Яблонский Г. П. (РБ).

- № 5009255/25; Заявлено 17.09.91; Опубл. 30.07.94, Бюл. № 14. -3 с.

22. Патент 2013837 РФ, МКИ5 H01S 3/18. Способ изготовления полупроводникового лазера с электронной накачкой / Грибковский В. П., Грузинский В. В., Гурский А. Л., Луценко Е. В., Кулак И. И., Митьковец А. И., Ставров А. А., Шкадаревич А. П., Яблонский Г. П. (РБ).

- № 5009655/25; Заявлено 17.09.91; Опубл. 30.05.94, Бюл. № 10. -3 с.

РЕЗЮМЕ МИТЪКОВЕЦ Анатолий Иванович

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ С НАКАЧКОЙ

ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЛАЗЕРНО-АКТИВНЫХ СРЕД

Ключевые слова: полупроводниковый лазер, электронная накачка, микрорельеф, диаграмма направленности, эпитаксиалышй слой, механизмы рекомбинации, центры окраски, ионы неодима, селективное возбуждение.

Исследованы характеристики излучения полупроводниковых лазеров с микрорельефной отражательной поверхностью на основе объемных монокристаллов Сс18, гпБе, Сс1Я8е, 2пС(18, Сс1Те, ОаАэ с продольным возбуждением электронным пучком. Показано, что применение отражательной микрорельефной поверхности вместо плоского серебряного зеркала позволяет увеличить выходную мощность и кпд лазеров в 2-10 раз в зависимости от их химического состава и качества материала активного элемента. Максимальная плотность мощности многоэлементного лазера достигала 5 МВт/см2. Впервые при накачке их излучением получена генерация на центрах окраски в кристаллах 1лБ(ОН) и LiF(Mg), на ряде красителей, внедренных в полимерную матрицу, и в кристаллах ИАГ, КГВ и КНФС, активированных ионами неодима.

Впервые при комнатной температуре получено и исследовано лазерное излучение в нелегированных, а также легированных азотом и хлором эпитаксиальных слоях ХпБе, выращенных методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, при возбуждении электронным пучком. Установлено, что легирование эпитаксиальных слоев гпЗе как донорной, так и акцепторной примесью приводит к снижению порога генерации в несколько раз.

Результаты исследований найдут применение при создании мощных полупроводниковых лазеров с микрорельефной отражательной поверхностью и будут полезны для дальнейших практических разработок эффективных лазеров с селективным возбуждением.

SUMMARY

MITKOVETS Anatolii Ivanovich

SEMICONDUCTOR ELECTRON-BEAM-PUMPED LASERS AND THEIR USÉ FOR EXCITATION OF LÀSER ACTIVE MEDIA Key words: semiconductor laser, electron-beam-pump, microrelief, direction diagram, epitaxial layer, recombination mechanism, colour centres, neodym ions, selective excitation.

The power characteristics of semiconductor lasers with microrelief reflective surface based on CdS, ZnSe, CdSSe, ZnCdS, CdTe, GaAs bulk crystals under longitudinal electron beam excitation have been investigated. The use of a microrelief reflective surface instead of a totally reflecting mirror permits increasing the power characteristics of laser radiation by 2-10 time depending on their chemical composition and quality of active element. The maximum achieved power density of multielement laser is 5 MW/cm2. The stimulated emission under their excitation has been obtained for the first time from colour centres in LiF(OH), LiF(Mg) crystals and neodym ions in YAG, KGdW, CNPG crystals.

' Stimulated emission and laser action under electron beam excitation at room temperature were investigated for the first time in undoped, nitrogen and chlorine doped ZnSe epitaxial layers grown by metal-organic vapour-phase epitaxy. It was shown that the doping of ZnSe epitaxial layers both the donor and the acceptor impurity lead to reducing of laser threshold in some time. ■ The results of searches will find application at creation powerful semiconductor lasers with microrelief reflective surface and will be useful for further practical development of effective lasers under selective excitation.

РЭЗЮМЭ МЩКАВЕЦ Анатолш 1ванав1ч

ПАУПРАВОДШКОВЬШ ЛАЗЕРЫ С НАПОМПОУВАННЕМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ IIX ПРЫМЯНЕННЕ ДЛЯ УЗБУДЖЭННЯ ЛАЗЕРНА-АКТЫУНЫХ ЛСЯРОДДЗЯУ

Юпочавыя словы: пауправадшковы лазер, электроннае налом-поуванне, мжрарэльсф, дыяграма наюраванасщ, эттакияльны слой, мехашзмы рэкамбшацьп, цэнтры афарбоування, юны неадыма, селек-тыунае узбуджэнне.

Даследаваны характарыстьш выпраменьвання пауправадшковых лазерау. с м1крарэльефнай адб1вальнай паверхняй на аснове аб'емных ма-накрышталяу CdS, Zn.Se, СёБЗе, гп^Б, CdTe, ОаАз с падоужным узбуд-женнем электронным пучком. Паказана, што прымененне адб1вальнай мжрорэльефнай паверхш замест плоскага сярэбрэнага люстэрка дазваляе павял1чыць выхадную магутнасць 1 ккд лазерау у 2-10 раз у залежнасщ ад ¡х х1м1чнага складу I якасщ матэрыяла актыунага элемента. Максь мальная шчыльнасць магугаасщ мнагаэлементнага лазера дасягала 5 МВт/см2. Упершыню пры напампоуванш ¡х выпраменьваннем атрыма-на генерацыя на цэнтрах афарбоування у крышталях 1лР(ОН) 1 LiF(Mg), на радзе фарбавалыпкау, укараненых у ишпмерпую матрыцу, 1 у крышталях ИАГ, КГБ 1КНФШ, актываваных юнам1 неадыма.

Упершыню пры хатняй тэмпературе атрымана 1 даследавана лазер-нае выпраменьванне у нелеправаньгх, а таксама леправаных азотам 1 хлорам эштаксшльных слаях Zn.Se, вырашчаных метадам газафазнай эштакси з металааргашчных злучэннняу, пры узбуджэнш электронным пучком. Вызначана, што леправанне эштакс1яльных слаеу Zn.Sc як до-нарнай, так 1 акцэптарнай прымессю нрыводзщь да пашжэння парога генерацн у некалыа разоу.

Вынш даследванняу знойдуць прымяненне пры стварэнш модных пауправадшковых лазерау з мйсрарэльефнай адбшальнай паверхняй 1 будут. карысны для дальнейшых практычных распрацовак эфекгыуных лазерау з селектыуным узбуджэннем.

МИТЬКОВЕЦ Анатолий Иванович

' ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ С НАКАЧКОЙ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЛАЗЕРНО-АКТИВНЫХ СРЕД

Подписано в печать3.11.2000. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Зак. 543.

Отпечатано в Издательском центре БГУ.

Белорусский государственный университет. Лицензия ЛВ № 315 от 14.07.98. 220050, Минск, пр. Ф. Скорины, 4.