Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками в сильном электрическом поле и оптимизация характеристик стримерного лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

2 1 /• Г; Йл1 {ИОНЛЛЪН АЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ км. Б .И. Степанова

УДК 621.315

РУСАКОВ Константин Иванович

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С ПОЛУПРОВОДНИКАМИ 3 СИЛЬНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

СТРИМЕРНОГО ЛАЗЕРА

01.04.21. - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск 1998

Работа выполнена в Институте физики им. Б. И. Степанова Национальной Академии наук Беларуси и в Брестском политехническом институте

Научные руководители:

Член-корреспондент HAH Беларуси доктор физико-математических наук лауреат Государственной премии БССР

профессор В. П. ГРИБКОВСКИЙ

Кандидат физико-математических наук

старший научный сотрудник В. В. ПАРАЩУК

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, профессор JI. Н. ОРЛОВ (ИФ НАНБ) доктор физ.-мат. наук, профессор А. У. ШЕЛЕГ (ИФТТ и ПП НАНБ)

Оппонирующая организация Белорусский государственный университет

Qfl

Защита состоится 1998 года в /4

на заседании Совета по защите диссертаций Д 01.05.01 в Институте физики им. Б .И. Степанова Национальной Академии наук Беларуси по адресу: 220072 Минск, пр. Ф. Скорины, 70. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики HAH Беларуси.

Автореферат разослан 18 "üüjl/Ttöt 1998 года.

Ученый секретарь Совета доктор физ.-мат. наук профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В 1973 г. Ф. Николл обнаружил возникновение лазерного эффекта в монокристаллах сульфида кадмия при развитии в них светящихся каналов, напоминающих неполный электрический пробой, и названных позднее стримерными разрядами. За последнее время исследование стримерных разрядов превратилось в новое научное направление, что связано с необычайностью свойств и сложностью данного явления, возможностью получения новой информации о строении вещества и перспективой широких практических применений.

Стримерный разряд позволяет осуществлять сильное возбуждение широкозонных полупроводников в произвольной точке объема, которое не может быть реализовано другими методами, при этом достигается высокая концентрация неравновесных носителей заряда (п ~1019 см"3), достаточная для создания инверсной населенности и генерации света. При этом скорость генерации неравновесных носителей превышает скорость безызлучателыюй рекомбинации, и данным способом удается возбудить свечение даже в тех кристаллах и условиях, в которых это невозможно осуществить традиционными методами. К настоящему времени примерные разряды наблюдались во многих полупроводниках, а на ряде соединений А2В6 и А3В5 получена генерация. Во многих полупроводниках определена кристаллографическая ориентация разрядов, на некоторых из. них изучено влияние температуры, внешней подсветки, давления (одноосного сжатия), амплитуды к полярности возбуждающих импульсов напряжения, а также радиоактивного об-иучения на развитие стримерных разрядов.

Получение генерации света в широкозонных полупроводниках при (примерном разряде привело к возникновению нового класса оптоэлектронных приборов - стримерных лазеров, применение которых пока сдерживается рядом причин. К основным из них относятся нестабильность излучательных характеристик разряда, деградация приэлектродной области, существенная в случае предельных режимов работы, а также отсутствие однозначного понимания процессов, происходящих как в полупроводниках в частности, и в твердых телах вообще, при неполном электрическом пробое. Пока не существует теории, удовлетворительно объясняющей всю совокупность наблюдавшихся свойств стримерного разряда и генерируемого им излучения.

К таким свойствам относятся кристаллографическая: ориентация разрядов, диаграмма направленности излучения из канала разряда, зависимость ориентации разрядов от внешних факторов и ряд других. При попытке объяснения механизма

стримеров, ни одна из гипотез не учитывает их излучательные свойства и, в част ности, возможности взаимодействия электромагнитных волы микроволновоп диапазона, возбуждаемых в кристалле при формировании разряда, со световьи излучением из канала стримера. Кроме того, высокая интенсивность лазерной излучения в канале (~109-Н012 Вт/см2) приводит к процессам самовоздействия, 1 наибольший интерес здесь представляет режим самоканалирования света, позво ляющий объяснить нитеобразный характер стримера. Однако такая возможност в литературе не обсуждалась. Следует ожидать, что рассмотрение указанных во просов приведет к лучшему пониманию природы разряда в полупроводниках ; явлений, происходящих при сильном возбуждении твердых тел, а также к у луч шениго эксплуатационных характеристик (примерных лазеров и других приборо с использованием стримерных разрядов.

Связь работы с крупными научными программами. Исследовани проводились в рамках тем, входящих в планы важнейших научно - исследовател! ских работ в области естественных наук по республиканским комплексным прс граммам: "Созданье элементов нелинейной оптики и оптоэлектроники, изучен» их рабочих характеристик" - Оптика 2.21 и "Разработка, создание и исследов, ние полупроводниковых лазеров, изучение процессов взаимодействия лазершн излучения и электрических полей с полупроводниками" - Лазер 3.03 "Разработка новых типов полупроводниковых лазеров и исследование нелине! ных оптических процессов в квантоворазмерных системах" - Квант 01.

Целью работы являлось повышение эффективности примерных нолупр« водниковых лазеров, изучение процессов взаимодействия электромагнитных вол видимого и СВЧ-диапазона в полупроводниках в сильном электрическом поле нелинейных оптических процессов при стримерном разряде.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задач исследовании:

- исследование различных режимов работы сггримерного лазера: высокоча тотного, импульсно-периодического; исследование мощностных и пространстве] но-временных характеристик пахетно-импульсного стримерного лазера на суд фиде кадмия;

- увеличение мощности стримерного полупроводникового лазера и стаб лизация его пространственных характеристик; выяснение возможности формир вания неветвящихся по эквивалентным кристаллографическим направлениям ра рядов;

— поиск способов уменьшения деградации и повышения ресурса раб©] стримерного полупроводникового лазера;

- исследование поляризации излучения стримерных разрядов различных -ипов в кристаллах сульфида кадмия;

- разработка и создание компактных источников накачки для стримерных юлупроводниковых лазеров; .

- определение условий фазового синхронизма электромагнитных волн ви-дамого и СВЧ-диапазона в кристаллах с различной симметрией; расчет зависимо-гги направлений синхронизма от величины и полярности электрического поля, шмеров кристалла, длины СВЧ-волны;

- расчет анизотропии самовоздействия излучения в сильных электрических юлях и изучение возможности его самоканалирования в условиях стримерного >азряда.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

- Впервые получены длинные неветвящиеся разряда в полупроводниках и шработан метод селективного возбуждения стримеров с использованием кри-таллов специальной формы и размеров. Использование метода позволяет увели-[ить интенсивность разряда в несколько раз и заметно уменьшить временной разнос момента его возникновения, а также стабилизировать картину ближнего и [альнего поля излучения.

- Реализован пакетно - импульсный режим работы стримерного лазера с вы-:окой эффективной частотой следования импульсов и повышенной средней мощ-юстью (10 мВт).

- Показано, что использование кристаллической структуры в виде слоев оп->еделенного состава и ориентации позволяет увеличить ресурс работы стримерно-о полупроводникового лазера за счет уменьшения поверхностных разрушений исгивного элемента.

- Предложено учитывать взаимодействие СВЧ и световой волн в сильном лекгрическом поле для объяснения кристаллографической ориентации стример-гых разрядов в кубических и гексагональных полупроводниках, а также законо-(ерностен разрядов в стержневидных кристаллах.

- Установлено, что излучение стримеров поляризовано, и поляризационные □мерения согласуются с предполагаемым механизмом разряда, учитывающим заимодействие волн.

- Рассчитана анизотропия самовоздействия света в кристаллах С<18 в силь-гых электрических полях и показана возможность самоканалирования при стри-(ерном разряде в полупроводниках.

Практическая значимость полученных результатов. Получение .дойных неветвящихся разрядов решает проблему нестабильности разрядов, связан-

ную с крупномасштабным ветвлением, которое приводит к неконтролируемом перераспределению и потерям энергии и является основным препятствием для го вышения мощности лазера. Разработанный метод селективного возбуждения ра: рядов использован для создания мощного стримерного полупроводникового лаз< ра и имеет практическое значение для проведения корректных исследований ш дивидуальяых свойств разрядов.

На основании результатов исследований создан малогабаритный и стоили субнаносекундных световых импульсов в зеленой области спектра, перспектш ный для применений в медицинских целях. По сравнению с существующими аш логами данный прибор характеризуется следующими особенностями: возможш стыо изменять длительность импульсов в пало- и пикосекундных областях; боле широким спектральным диапазоном и возможностью плавной перестройки раб< чей длины волны; низким энергопотреблением, простотой устройства и малым габаритами.

Результаты расчета эффекта взаимодействия света и СВЧ-волн, а также с; мовоздействия света важны для понимания механизма стримерного разряда, также для разработки новых элементов электрооптики: модуляторов света и пр< образователей частоты.

Экономическая значимость полученных результатов заключается в то» что использование разработанного способа возбуждения заданного типа стример ного разряда в гексагональных полупроводниках (а.с. СССР N 1755336 А1, кл. 1 01 Ь 21/66) при выращивании кристаллов, в производстве изделий квантовой, ог то- и акустоэлектроники дает экономический эффект, определяющийся экономие по трудозатратам, обусловленной упрощением физических исследований в ход технологических процессов обработки монокристаллов, а также уменьшение; потерь обрабатываемого материала.

Применение результатов исследований по деградации активных элементе стримерных лазеров может снизить материальные затраты в процессе эксплуатг циии данных приборов вследствие упрощения процесса замены отработанны элементов, а также из-за увеличения ресурса лазеров.

Разработанный полупроводниковый «примерный лазер с пакетнс импульсным возбуждением отличается более низкими стоимостью и габаритам! а также простотой изготовления по сравнению с аналогами в возможных областя применения, что может определять экономический эффект от его использования.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

[. Взаимодействие излучения видимого и СВЧ-диапазона в сильном электрическом поле обуславливает кристаллографическую ориентацию стримерных разрядов в кубических и гексагональных полупроводниках и зависимость картины стримерного разряда от формы и размеров образца. I. Нелинейное взаимодействие излучения стримерного лазера с кристаллом приводит к образованию волноводного канала и к нитевидной форме разряда. $. Возбуждение стримеров определенного кристаллографического направления с использованием тонких стержневидных кристаллов позволяет исключить их ветвление, увеличивает мощность лазерного излучения в продольном варианте генерации и стабилизирует ближнее и дальнее поле излучения стримерных полупроводниковых лазеров. 4. Увеличение средней мощности генерации стримерного лазера в пакета о-импульсном режиме вызвано быстрой релаксацией фотопроводимости сульфида кадмия и возникновением стримероч разных полярностей от импульсов одного электрического цуга.

Личпый вклад соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Он заключается в непосредственном участии в выполнении экспериментальных и теоретических исследований, в обсуждении и анализе результатов работ, в постановке совместно с научными руководителями В. П. Грибков-ским и В. В. Паращуком (в ряде случаев совместно с Г. П. Яблонским и А. А. Гла-дыщуком) задач исследований. Другие соавторы работ участвовали в проведении измерений, подготовке и обработке монокристаллических образцов, или занимались программным обеспечением при проведении расчетов на ЭВМ.

Работа выполнена в лаборатории оптики полупроводников Института физики им. Б.И. Степанова Академии Наук Беларуси и на кафедре физики Брестского политехнического института.

Апробация результатов диссертации. Результаты диссертации докладывались на Всесоюзном семинаре по стримерным разрядам (Минск, 1989); на V Всесоюзной, а также VI и VIII школах "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах" (Николаев, 1991, 1993, 1997); на научно-технических конференциях Брестского политехнического института; на международном семинаре "Открытые системы - избранные вопросы теории и эксперимента" (Брест, 1992); на Международной конференции "Оптика лазеров - 93" (С.-Петербург, 1993); на международной конференции "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии" (Гродно, 1993); на республиканской конференции молодых ученых по квантовой электронике (Минск, 1994); на Межгосударственной научно - техниче-

ской конференции по квантовой электронике (Минск, 1996); на Белорусскс Российском семинаре "Полупроводниковые лазеры и системы на их основе (Минск, 1997).

Опубликованность результатов. Основные результаты диссертационно работы опубликованы в 24 научных работах, среди которых 8 статей, 1 преприн-1 авторское свидетельство на изобретение и 14 тезисов докладов.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введена общей характеристики работы, пяти глав, основных выводов и списка литерг туры, включающего 187 наименований. Она содержит 99 страниц основног текста, 36 рисунков и 2 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко изложены особенности стримерных разрядов в пол) проводниках и стримерных лазеров, охарактеризованы основные достижения проблемы, связанные с созданием стабильно работающих приборов оптоэлектрс ники на базе явления неполного пробоя полупроводников, показана необход! мость проведения дальнейших исследований.

В общей характеристике работы обоснована актуальность темы диссертг ции, сформулированы цели работы и задачи исследований, указана научная ж визна и практическая значимость полученных результатов, изложены защшца< мые положения, приведены сведения об апробации и опубликованное™ результ: тов, о личном вкладе автора, связи работы с республиканскими темами важне» ших НИР, а также о структуре и объеме диссертации.

ГЛАВА 1. СТРИМЕРНЫЕ РАЗРЯДЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ 1 СТРИМЕРНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ. Дан обзор современног состояния экспериментальных и теоретических работ по исследованиям свойст стримерных разрядов в широкозонных полупроводниках. В нем изложены эле! трические модели и возможные механизмы кристаллографической ориентаци стримеров в полупроводниковых кристаллах, приведены экспериментальные дщ ные по условиям и способам возбуждения разрядов. Подробно рассмотрены излз чательные характеристики стримерных лазеров, причины деградации полупрс водников под действием коротких высоковольтных импульсов, а также закош мерности деградации стримерной люминесценции.

Указаны возможные нелинейные оптические явления в сильном электрич< ском поле в полупроводниках, и обращается внимание на необходимость их учел

при построении модели стримерных разрядов. На основании анализа литературных данных в конце главы поставлены задачи исследования. ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА. В ней изложены методические вопросы, связанные с исследованиями, проведенными в работе. Определение кристаллографической ориентации монокристаллов осуществлялось методом световых фитур и по картинам стримерных разрядов, а также на рентгеновском гонио-метре-дифрактометре.

Возбуждение стримерных разрядов в полупроводниковых кристаллах осуществлялось в основном колоколообразными импульсами амплитудой 10-80 кВ с длительностью на полувысоте 150+250 не; кроме того, прямоугольными импульсами регулируемой длительности (10+90 не) амплитудой 25 кВ; импульсами длительностью ~ 2 не амплитудой 25+30 кВ с частотой 2 Гц от согласованной коаксиальной формирующей линии; а также импульсами длительностью ~ 10 не на полувысоте амплитудой от 180 до 350 кВ.

Для повышения мощности стримерного лазера был создан импульсно-периодический генератор, позволяющий получить на выходе последовательность электрических пакетов из 10-5-20 импульсов амплитудой до 200 кВ. Импульсы в пакете следуют квазипериодически, эффективная частота их следования может превышать 107 Гц. Пакетно-импульсный режим реализован также в миниатюрном стримерном лазере на основе пьезоэлектрического генератора.

Измерения энергии импульса излучения в режиме продольной генерации осуществлялись импульсным фотометром типа ФПМ-02 (для одиночных импульсов стримерного лазера). Для определения энергии импульсов излучения пакетно-импульсного лазера, кроме того, использовался высокочувствительный измеритель энергии Rj-7200. Длительность импульсов генерации вдоль канала стримерного разряда измерялась с помощью камеры "Агат-СФ". Исследования поляризации излучения стримерных разрядов в режиме продольной генерации производились с помощью дихроичных поляризаторов и установки на базе фотометра ФПМ-02, точность измерений составляла ~ 0,7°.

Спектры фотолюминесценции сульфида кадмия после воздействия на образцы «примерными разрядами регистрировались фотоэлектрическим способом с использованием автоматизированного комплекса КСВУ-23. Источниками возбуждения служили гелий-кадмиевые лазеры ЛГН-409 (X, = 325 нм), ЛГН-517 (X, = 441,6 нм), лазер на молекулярном азоте ЛГИ-21 (X, = 337,1 нм).

Подробно описаны схемы генераторов возбуждающих импульсов и установок, применявшихся в работе.

ГЛАВА 3. ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ НА ОСНОВ! МОНОКРИСТАЛЛОВ СУЛЬФИДА КАДМИЯ ПРИ СТРИМЕРЖВ ВОЗБУЖДЕНИИ. В главе приведены результаты исследований по уменыпеню деградации кристаллов сульфида кадмия под действием стримерной накачки : рассмотрены методы повышения ресурса стримерных излучателей на их основ« Уменьшение деградации полупроводника с целью повышения срока службы ра бочих тел стримерных лазеров в первую очередь предполагает использование ол тимапьных для данных приборов условий возбуждения разрядов. Вышеуказанны причины определили необходимость проведения исследований зависимости сте пени и характера разрушений полупроводников от формы, полярности, частоты: амплитуды возбуждающих импульсов, от диэлектрической среды, окружающе. кристалл, а также от способа подведения возбуждающего импульса к образцу по лупроводника. Экспериментально установлено, что степень разрушения поверх ности кристалла зависит от типа диэлектрической жидкости, в которую он поме щен. В частности, возбуждение стримерных разрядов в сульфиде кадмия, погр> женном в керосин, дает минимальные разрушения и устойчивую картину разря дов. При одинаковой форме импульса и малой частоте следования в случае поле жительной полярности возбуждающих импульсов стримеры в CdS характериз} ются более низким порогом возбуждения, и обуславливают большие масштаб) разрушений поверхности кристалла, чем для отрицательной полярности. С роста частоты это различие исчезает. Изучены условия образования стримерных разря дов при частичном погружении 1фисталла в диэлектрическую жидкость.

Впервые возбуждены стримеры в CdS при использовании в качеств внешней среды жидкости с диэлектрической проницаемостью (глицерин, еж ~ 50 значительно превышающей е кристалла (~ 10), что позволяет существенно уси лить прикладываемое поле и увеличить интенсивность свечения разрядов. Воз буждение стримеров осуществлялось пакетно-импульсным генератором чере вспомогательный разрядный промежуток. Показано, что применение вспомога тельного разрядного промежутка позволяет в экстремальном режиме работы (пр пакетао-импульсном возбуждении) в 5-10 раз уменьшить разрушения кристалла стабилизировать картину ближнего поля лазерного излучения при незначительно] (не более, чем в 1,5 раза) снижении интенсивности свечения стримерных разря дов.

Изучено влияние защитного слоя с диафрагмой из диэлектрика на характе и степень разрушений кристалла, а также на стабильность ближнего поля свече ния стримеров. С уменьшением размеров диафрагмы (d) отмеченные параметр) улучшаются и в их зависимости от d имеется оптимум (в данном случае малое сп

верстие в диэлектрике чисто геометрически ограничивает область попадания разряда на поверхность полупроводника). Установлено, что использование диафрагмы из фторопласта с размером отверстия я 0,5 мм позволяет не менее чем в 2 раза уменьшить степень разрушений поверхности кристалла и повысить стабильность ближнего поля вследствие уменьшения пространственного разброса области возникновения стримера в образце сульфида кадмия.

В качестве еще одного метода защиты и увеличения срока службы излучающего элемента исследовано использование буферного (защитного) слоя между искрой и поверхностью рабочего кристалла. В результате сильному разрушению в области возбуждения подвергается защитный слой, а не рабочее тело стример-ного лазера. Проведенные эксперименты показали нецелесообразность применения диэлектриков и полупроводников, в которых не возникают стримерные разряды, в качестве буферного материала, предохраняющего активный элемент (примерного лазера от непосредственного контакта с возбуждающей искрой. Наибольший защитный эффект достигается в случае использования однотипного кристалла (сульфид кадмия) определенной ориентации, которая мало изменяет направления распространения стримеров при переходе из буферного в рабочий кристалл. Установлено, что оптимальными для практических применений являются следующие условия возбуждения: и < 50 кВ, ^ < 100 не, Г < 100 Гц, при которых интенсивность свечения заметно не меняется в течение « 2 часов. Показано, что создание микрорельефа в виде фигур травления с размером порядка длины волны света на поверхности перехода между защитным и рабочим кристаллом повышает ресурс излучателя, т.к. разрушения кристаллов в этом случае меньше, чем при переходе стримеров через полированные поверхности.

При изучении влияния уровня стримерной накачки на фотолюминесценцию монокристаллов сульфида кадмия при различной температуре обнаружено возникновение обратимой перестройки спектра фотолюминесценции (78 К), что свидетельствует о возникновении на поверхности кристалла комплексов, связанных с дефектами, и наличии процессов химического разложения поверхности кристаллов сульфида кадмия под действием стримерных разрядов.

ГЛАВА 4. ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРЕДЕЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ СТРИМЕРНОГО ЛАЗЕРА. Широкое практическое применение стримерных лазеров в качестве мощных источников света пикосекундного диапазона сдерживается существенным недостатком - нестабильностью параметров излучения, обусловленной нестабильностью разрядов в полупроводниках вообще, и существованием их разновидностей (типов), отличающихся кристалло-

графической ориентацией. Возбуждение стримеров различных типов приводит 1 ветвлению разряда, т.е. к потерям энергии, и является серьезным препятствием н; пути к дальнейшему повышению мощности, а конкуренция разных типов стриме ров ведет к нестабильности картины ближнего поля, интенсивности и временны; характеристик лазера. Для решения этой проблемы исследованы свойства стриме ров в стержневидных кристаллах СёБ различной толщины и ориентации. Обнару жено сокращение количества возбуждаемых одновременно типов ¡примерны: разрядов при уменьшении толщины образца, что приводит к возможности выде ления (селекции) заданного типа стримера. Показано, что для эффективной селек ции стримерных разрядов необходимо сочетание формы, размеров, кристаллогра фической ориентации образца и полярности возбуждающих импульсов. На осно вании проведенных исследований разработан способ получения длинных невет вящихся стримерных разрядов в гексагональных полупроводниках, позволяющи! увеличить мощность стримерного лазера с выходом излучения вдоль канала раз ряда и стабилизировать его пространственно-временные характеристики (А.< СССР № 1755336).

Установлено, чгго энергетический выход (мощность излучения) стержне видных излучателей, вырезанных вдоль стримеров разного типа, максимален дл разрядов типа в1 (распространяющихся под углом ~ 90° к оси С). При этом мини мальная степень ветвления и наибольшая стабильность достигается в случае от рицательной полярности возбуждающих импульсов. Определен ресурс стержне видных лазерных элементов, ориентированных вдоль разрядов различных типо (~104 импульсов без смены диэлектрической жидкости). В случае замены диэле» трической жидкости уменьшение начальной энергии излучения составляет ~10° на ~104 одиночных световых импульсов.

Впервые изучены поляризационные характеристики стримерного лазера н сульфиде кадмия с продольной геометрией возбуждения. Установлено, что изл} чение из канала стримерного разряда (с преобладанием вклада центрального пят на диаграммы направленности) плоскополяризовано со степенью «0,97. Ориентг ция вектора напряженности электрического поля излучения Е° на выходе из канг ла стримера одинакова для всех типов разрядов (Е° ± С) и не зависит от полярнс ста возбуждающих импульсов. При прочих равных условиях она соответствуе поляризации свечения фотовозбужденной электронно - дырочной плазмы мопс кристаллов сульфида кадмия, что согласуется с известными представлениями механизме излучательной рекомбинации плазмы неравновесных носителей в кг нале стримерного разряда при комнатной температуре.

п

С целью повышения мощности излучения стримерного лазера исследован импульсно-периодический (пакетно-импульсный) режим возбуждения. Пакет возбуждающих импульсов состоял из квазипериодической последовательности электрических импульсов, обладающих собственной структурой в виде цуга затухающих колебаний с периодом 150 - 200 не. При увеличении напряжения растет эффективная частота следования световых пичков и их амплитуда. Установлено также, что в пакетно-импульсном режиме увеличивается энергетический выход лазерного элемента за счет возбуждения положительных и отрицательных стримеров импульсами одного пакета, вследствие чего импульсная мощность излучения >10 кВт. При длительности импульсов излучениж 100 пс, эффективной частоте ¿107Гц достигнута средняя мощность стримерного лазера ~ 0,01 Вт в зеленой области спектра, что значительно превышает литературные данные.

Изучено влияние оптической подсветки на разряды при временах задержки, соответствующих условиям возбуждения стримеров пакетно - импульсным генератором, и показано, что в канале стримера создаются условия для возбуждения излучения с частотой следования в СВЧ области.

ГЛАВА 5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЧ ВОЛН СО СВЕТОМ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ В СИЛЬНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ. При стримерном разряде в полупроводниковых активных элементах осуществляется высокий уровень возбуждения, при котором концентрация неравновесных носителей в канале разряда достигает ~Ю20 см"3, а интенсивность свечения ~109 Вт/см2 и более. Высокая интенсивность света приводит к реализации не только различных нелинейных процессов, но и к эффектам самовоздействия. На примере кристаллов СёБ рассмотрена возможность самовоздействия света в полупроводниках в условиях стримерного разряда. Получено выражение для критерия эффекта самоканалирования в квазиоптическом приближении с учетом дифракции света и двух членов разложения нелинейной части поляризации по электрическому полю. Показано, что порог эффекта (~ 200 Вт) примерно равен мощности излучения, выходящего вдоль канала стримера в режиме продольной генерации. Рассчитана пространственная зависимость самоканалирования света в сильном электрическом поле. Выявлена существенная анизотропия эффекта с образованием выделенных в объеме кристалла СёБ направлений, примерно совпадающих с путями разрядов и позволяющих объяснить их нитеобразный характер.

С учетом явлений самофокусировки и самодефокусировки выполнены оценки поперечных размеров светового канала (радиус г = 5 4- 10 мкм) и диа-

граммы направленности излучения в направлении его оси (для центрального пятна ©0 ~ 10° и для излучения в конусе 0! ~ 45°). Расчетные данные близки к измеренным параметрам для излучения стримерных лазеров на сульфиде кадмия.

На основании расчетных и экспериментальных данных показана возмож ность образования интенсивных электромагнитных волн СВЧ диапазона в полу проводниковых кристаллах при возбуждении в них стримерных разрядов. Опре делены условия фазового синхронизма СВЧ волн и света в трехмерном случае дл: кубических полупроводников в приближении линейного электрооптического эф фекга. Рассчитанные направления синхронизма соответствуют ориентации стри мерных разрядов в объеме кристалла, а пороговые характеристики - условиям и: возбуждения в различных полупроводниках. В гексагональных кристаллах пуп разрядов совпадают с направлениями синхронизма и максимальной эффективно сти взаимодействия волн в сильном электрическом поле. Эксперименты по воз буждению стримерных разрядов в сульфиде кадмия высоковольтными импульса ми в диапазоне 200-350 кВ показали слабую зависимость ориентации разрядов о их амплитуды и полярности, что коррелирует с данными расчетов направлени синхронизма при значениях напряженности электрического поля выше пробой ных.

Рассчитаны спектр СВЧ волн и зависимость направлений фазового синхрс низма от дайны волны в кристаллах сульфида кадмия. В области длинноволново границы спектра при характерной толщине кристалла с! < 1 мм общее количеств направлений синхронизма снижается, что обуславливает возможность их села ции (выделения). Минимальный размер ё, при котором осуществимо взаимоде! ствие, порядка толщины канала стримера и определяется коротковолновой грант цей спектра. Расчетные данные согласуются со свойствами разрядов в кристалла произвольной формы и размеров, в том числе тонких стержневидных кристаллов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Рассмотрены условия фазового синхронизма для случая взаимодействия СВ1 волн и света в сильном электрическом поле в полупроводниковых активнь средах и показано, что в кубических полупроводниках возможно сутцесгвов ние выделенных направлений синхронизма волн в объеме. Установлено, ч пороговые условия эффекта зависят от типа кристалла, а в гексагональных п лупроводниках анизотропия взаимодействия волн определяется условиями ф зового синхронизма и максимальной эффективности взаимодействия волн.

2. Выявлена зависимость направлений синхронизма от величины и знака электрического поля, размеров кристалла, длины взаимодействующих волн. С уменьшением толщины кристалла или при приближении длины СВЧ-волны к длинноволновому краю спектра сокращается общее количество направлений синхронизма, причем минимальный размер образца определяется коротковолновой границей СВЧ-спектра (<5+10 мкм).

3. Показано, что в сильных электрических полях возможно анизотропное самока-налирование света в кристаллах Сс18. Пороговая плотность излучения, направления и размеры светового канала соответствуют аналогичным характеристикам стримерных треков. Самоканалирование излучения обуславливает нитеобразный характер разряда.

4. Обнаружено влияние размеров и формы лазерного элемента из СёБ на количество треков стримеров и их типов. Показана возможность управления этим процессом и получены одиночные треки разрядов, распространяющихся на всю длину кристалла. Разработан метод селективного возбуждения стримеров различных типов, позволяющий существенно снизить нестабильность ближнего и дальнего поля и увеличить мощность излучения из канала стримерного разряда в 2-3 раза.

5. Реализован пакетно-импульсный режим действия стримерного лазера, обеспечивающий повышение эффективной частоты следования в цуге до 107 Гц, увеличение средней мощности излучения на 2-3 порядка (до 10 мВт)по сравнению с известными данными и пиковой мощности до ~104 Вт при 300 К. Увеличение средней мощности генерации стримерного лазера в пакетно-импульсном режиме вызвано быстрой релаксацией фотопроводимости сульфида кадмия и возникновением стримеров разных полярностей от импульсов одного электрического цуга.

6. Предложен метод повышения ресурса стримерного лазера на сульфиде кадмия, основанный на использовании защитного слоя из однотипного полупроводника с кристаллографической ориентацией, соответствующей минимальным изменениям направлений распространения стримеров на границе перехода защитный слой - излучатель. Увеличен на порядок (до 106 световых импульсов) ресурс пакетно-импульсного лазера.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

[1] Паращук В. В., Русаков К. И. Мощный пакетно - импульсный полупро водниковый стримерный лазер // Межвуз. сб. "Лазерная и оптико электронная техника".- Мн.: Университетское.- 1989,- С. 97 - 100.

[2] Грибковский В. П., Паращук В. В., Русаков К. И. Стримерный лазер 1 селективным возбуждением // Межвуз. сб. "Лазерная и оптико-элек1ронна техника".- Мн.: Белгосуниверситет,- 1992,- С. 9 - 11.

[3] Грибковский В. П., Паращук В. В., Русаков К. И. Формирование длинны неветвящихся разрядов в полупроводниках // Физика импульсных разря дов в конденсированных средах: Тез. докл. 5-й Всесоюзн. школы.- Никола ев, 1991.-С. 106.

[4] Русаков К. И. Селекция стримеров в монокристаллах С(18 // научно-тех! конференция, поев. 25-летию института: Тез. докл. конф. БрПИ.- Брест

1991.-Ч. 1.-С. 48.

[5] Русаков К. И. Влияние деградации на интенсивность сгримерного излуче ния в монокристаллах сульфида кадмия // Открытые системы - избранны вопросы теории и эксперимента: Тез. докл. междунар. семинара.- Брес

1992.-С. 42.

[6] Гладыщук А. А., Грибковский В. П., Паращук В. В., Русаков К. И., Русакс ва 3. В. Энергетические характеристики сгримерного свечения в С<1 вдоль канала разряда // 20 научно-техн. конференция БрПИ: Тез. дою коаф,-Брест, 1992,-Ч. 2.-С. 48 - 49.

[7] А. с. 1755336 А1 СССР, МКИ Н 01Ъ 21/66. Способ возбуждения зада* нош типа сгримерного разряда в гексагональных полупроводниках / В. Г Грибковский, В. В. Паращук, К. И. Русаков (СССР).-№ 4878458/25; Зг явлено 30.10.90; Опубл. 15.08.92, Бюл.№30.-С.3.

[8] Паращук В. В., Русаков К. И., Грибковский В. П. Полупроводниковы стримерный лазер для медицинских целей // Оптика лазеров-93: Тез. дою конф.- С.-Петербург, 1993.- Ч.Н.- С. 641.

[9] Гладыщук А. А., Русаков К. И., Русакова 3. В. Поляризация излучени стримерлых разрядов в монокристаллах сульфида кадмия // Физика т пульсных воздействий на конденсированные среды: Тез. докл. VI нау школы.- Николаев, 1993,- С. 18.

[10] Грибковский В. П., Паращук В. В., Русаков К. И. О взаимодействи электрического поля и света при стримерном разряде // Современные пр< блемы лазерной физики и спеетроскопии: Тез. докл. междунар. конф Гродно, 1993,- С. 223.

[11] Русаков К. И. О возможном механизме кристаллографической ориетч ции электрических разрядов в примерных лазерах // Республиканец

конференция молодых ученых по квантовой электронике: Тез. докл. конф.-Минск, 1994,-С. 14.

[12] Глады щук А. А., Ракович Ю. П., Русаков К. И., Русакова 3. В. Влияние стримерной накачки на фотолюминесценцию монокристаллов сульфида кадмия // XXI научно-техн. конференция БрГШ: Тез. докл. конф,- Брест, 1994,- 4.1.-С. 107.

[13] Грибковский В. П., Паращук В. В., Прокопеня А. Н., Русаков К. И. О кристаллографической направленности стримерных разрядов в полупроводниках // XXI научно-техн. конференция БрПИ: Тез. докл. конф.- Брест, 1994,-Ч. 1.-С. 108.

[14] Грибковский В. П., Прокопеня А. Н., Русаков К. И., Паращук В. В. Взаимодействие электрического поля со светом и направленность стримерных разрядов // Журн, прикл. спектр.- 1994.- Т. 60, № 3-4 - С. 362 - 368.

[15] Грибковский В. П., Паращук В. В., Русаков К. И. О кристаллографической ориентации стримерных разрядов //ЖТФ.-1994.-Т. 64, В. 11,-С. 169-171.

[16] Грибковский В. П., Прокопеня А. Н., Русаков К. И., Паращук В. В. Стримерный лазер с селективным возбуждением // Изв. Российской АН. Сер. физич.- 1995,- Т. 29, № 6,- С. 30 - 33.

[17] Прокопеня А. Н., Русаков К. И. Осцилляции электрического поля при возбуждении стримерных разрядов в полупроводниковых кристаллах // научно-техн. конференция, поев. 30-лет. Брестского политехи, ин-та: Тез. докл. конф.- Брест, 1996,- Ч. II,- С. 31.

18] Русаков К. И., Луценко Е. В., Паращук В. В., Гладыщук А. А. Использование формирующей линии и пьезоэлектрического генератора в качестве источников накачки для стримерных лазеров // научно-техн. конференция, поев. 30-лет. Брестского политехи, ин-та: Тез. докл. конф.- Брест, 1996.- Ч. И,- С. 34.

19] Русаков К. И., Паращук В. В. Оптимизация условий работы стримерных полупроводниковых лазеров на сульфиде кадмия // научно-техн. конференция, поев. 30-лет. Брестского политехи, ин-та: Тез. докл. конф.- Брест, 1996.- Ч. И,- С. 35.

20] Паращук В. В., Грибковский В. П., Русаков К. И., Прокопеня А. Н. Излу-чателыше процессы при примерном разряде в полупроводниках // Межгосударственная научно-техн. конф. по квант, электронике: Тез. докл. конф.- Минск, 1996,- С. 29.

21] Паращук В. В., Грибковский В. П., Русаков К. И., Прокопеня А. Н. Взаимодействие СВЧ волн со светом и нелинейные оптические процессы в полупроводниках в сильном электрическом поле.- Препринт № 709 / Ин-т

физики им. Б.И. Степанова АН Беларуси,- Минск, 1997.- 26 с.

[22] Паращук В. В., Грибковский В. П., Русаков К. И., Прокопеня А. Н. Из-лучательные процессы при разряде в полупроводниках // Докл. АН Беларуси,- 1997,- Т. 41, № 3.- С. 47 - 51.

[23] Гладыщук А. А., Луценко Е. В., Паращук В. В., Русаков К. И. Миниатюрный стримерный лазер // Научио-техн. конф. молодых ученых и специалистов "Молодежь и научно-технический прогресс": Сборн. мат-лов конф. - Брест, 1997,- С. 79-80.

[24] Паращук В. В., Грибковский В. П., Русаков К. И. Самоканалирование света при стримерном разряде в полупроводниках // Lietuvos fizikos zurnalas.- 1997.- Vol. 37, № 4. - P. 343-347.

РЕЗЮМЕ

диссертации Русакова Константина Ивановича

"ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С ПОЛУПРОВОДНИКАМИ В СИЛЬНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СТРИМЕРНОГО ЛАЗЕРА"

Взаимодействие света и СВЧ-bojih, процессы самовоздействия света, стримернын лазер, им

пульснопериодический режим

В диссертации исследованы режимы работы стримерных полупроводнике вых лазеров, изучены нелинейные оптические процессы, а также возможной взаимодействия света и СВЧ волн в лазерных полупроводниковых кристалла; Целью работы являлось повышение мощности, стабильности и ресурса стриме] ных полупроводниковых лазеров.

Созданы источники накачки для стримерных лазеров: на формирующей и; носекундной линии, импульсно-периодический. Реализован пакетно-импульсны режим работы (примерного лазера с высокой эффективной частотой следован! (до 107 Гц) и средней мощностью 10 мВт в зеленой области спектра. Предложен исследован способ повышения ресурса стримерного лазера за счет использоваш многослойной кристаллической структуры определенной ориентации. Изуче! поляризация излучения разряда в CdS. Выдвинута и обоснована идея о реализащ при стримерном разряде взаимодействия оптических и СВЧ волн, а также проце

сов самовоздействия света, позволяющая объяснить основные свойства стримерных разрядов и генерируемого ими излучения.

Впервые получены невеггвящиеся разряды в кристаллах С<1Б, разработан и защищен авторским свидетельством способ селективного возбуждения стримеров в гексагональных полупроводниках, позволяющий повысить стабильность и мощность стримерного лазера.

РЭЗЮМЭ

дысертацьп Русакова Канстаншна 1ванав1ча

"УЗАЕМАДЗЕЯННЕ ЭЛЕКТРАМАГН1ТНЫХ ХВАЛЯУ 3 ПАУПРАВАДН1КАМ1 У МОДНЫМ ЭЛЕКТРЫЧНЫМ ПОЛГ I АПТЫМ13АЦЫЯ ХАРАКТАРЫСТЫК СТРЫМЕРНАГА ЛАЗЕРА"

Узаемадзеянне святла 1 ЗВЧ-хвалжу, працэсы самауздзеятм святла, стрымерны лазер, ¡мпульсиа-перыядычны рэжым

У дысертацьп даследаваиы рэжымы работы стрымерных пауправадшковых лазерау, вывучаны нелшейныя аптычныя працэсы, а таксама магчымасць узаемадзеяння святла i ЗВЧ хваль у лазерных пауправадшковых крыпггалях. Мэтаю працы з'явшася павышэнне магутнасщ, стабшьнасщ 1 рэсурса стрымерных лазерау.

Створаны крышцы напампоування для стрымерных лазерау: на фарм1'руючай нанасекунднай лшп, ¡мгтульсна-перыядшны. Ажыццеулянм пaкeтнa-iмпyльcны рэжым работы стрымернага лазера з высокай эфекгыунай часцшей праходжання (да 107 Гц) 1 сярэдняй магутнасцю 10 мВт у зяленай вобласщ спектра. Прапанаваны 1 даследаваны спосаб павышэння рэсурса стрымернага лазера за кошт выкарыстання шматпластовай крыштгшчиай структуры гоунай арыентацьп. Вывучана палярызацыя выпрамянення разрада у СёБ. Прад'яуляна 1 абгрунтавана щэя аб рэалпацьп пры стрымернам разраде узаемадзеяння аптычных 1 ЗВЧ хваль, а таксама працэсау самауздзеяння святла, цгго дазваляе растлумачыць асноуныя уласшпасщ стрымерных лазерау I генерыруемага 1М1 выпрамянення.

Упершыню атрыманы неадгалшаваныя разрады у крышталях С<18, распрацаваны 1 абаронены аутарсмм пасведчаннем спосаб селектыунага узбуджэння стрымерау у гексаганалышх пауправадтках, шго дазваляе павысщь стабтьнасць 1 магутнасць стрымернага лазера.

SUMMARY

of the thesis by K.I. Rusakov

"ELECTROMAGNETIC WAVES AND SEMICONDUCTORS INTERACTION IN STRONG ELECTRICAL FIELD AND OPTIMIZATION OF STREAMER LASER

Light and SIIF waves interaction, light self-influence processes, streamer laser, pulse-periodic pumpinj

In the thesis the operating conditions of streamer semiconductor lasers have beet investigated and the nonlinear optical processes have been studied, as well as the possi bility of light and SHF waves interaction in laser semiconductor crystals. The aim of thi: work is to increase the power, stability and operating life of streamer semiconductor la sers.

The sources of pumping for streamer lasers have been created: on forming nano second line, pulse-periodic. The pulse-packed mode of operation of streamer lasers witl high efficient repetition frequency (up to 107 Hz) and average power of 10 mWt in greei spectrum area has been realized. It has been proposed and explored the method of in creasing of streamer laser operating life by using of multilayer crystal structure with th< specific orientation. The polarization of discharge radiation in CdS has been studied. I is proposed and motivated the idea that at streamer discharges there are an optical an< SHF interaction as well as light self-influence processes, which allows to explain th main characteristics streamer discharges and radiation generated by them.

For the first time the non-branching discharges have been generated in CdS crys tals, it has been developed and protected by the author's certificate the method of selec tive excitation of streamers in hexagonal semiconductors, allowing increase of stabilit and power of streamer laser.

CHARACTERISTICS'

V

U

РУСАКОВ КОНСТАНТИН ИВАНОВИЧ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С ПОЛУПРОВОДНИКАМИ В СИЛЬНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

СТРИМЕРНОГО ЛАЗЕРА'

Под1гисано к печати 11. ОЬ 1998 г. Формат 60x90 1/16 Тип бумаги - типографская. Печать офсетная. Объем 1,3 печ. л. Уч. изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 25 Бесплатно.

Институт физики им. Б.И. Степанова HAH Беларуси 220072 Минск, пр. Ф. Скорины, 70.

Отпечатано на ризографе Института физики им. Б.И. Степанова HAH Беларуси Лицензия ЛП № 20 от 20.08.1997 г.