Полупроводниковый лазер на монокристалле

Российские ученые разработали новый полупроводниковый электроразрядный лазер.

Сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Института Электрофизики УрО РАН (г. Екатеринбург) разработали конструкцию нового типа лазера – полупроводникового электроразрядного. С некоторым приближением устройство можно назвать более совершенной версией стримерного полупроводникового лазера.

Термин «электроразрядный лазер» более известен в сочетании с газовой средой – получили распространения электроразрядные газовые лазеры. Принцип их работы, условно говоря, заключается в следующем: напряжение, прикладываемое к газовой трубке, ускоряет электроны, активизируя процесс ионизации, в результате возникают условия для оптических переходов, которые способствуют усилению, а потом генерации лазерного излучения. Что касается полупроводников, то известны «стримерные» полупроводниковые лазеры, возбуждаемые наносекундными (10^-7 – 10^-8 с) импульсами высокого напряжения. Эти лазеры содержат генератор высоковольтных импульсов, один электрод которого подсоединен к полупроводниковой пластине, помещенной в жидкий диэлектрик, а второй удален на значительное расстояние для предотвращения пробоя полупроводниковой пластины. Существенным недостатком таких лазеров является возникновение генерации лазерного излучения вдоль определенных кристаллографических направлений и малый диаметр генерирующей области (до десятка микрон), что связанно с распределением электрических полей в кристалле и ограничивает мощность, увеличивает расходимость излучения и не позволяет управлять числом и местом положения генерирующих областей. Сотрудники ФИАН и Института Электрофизики УрО РАН смогли устранить перечисленные недостатки, для чего существенно изменили конструкцию лазера и, в частности, применили возбуждение пикосекундными импульсами.

По словам руководителя разработки, доктора технических наук Александра Насибова, благодаря использованию пикосекундных импульсов увеличивается пробивная прочность, можно сблизить электроды, между которыми расположена полупроводниковая пластина и обеспечить условия, в которых разряд распространяется по направлению силовых линий электрического поля. При этом отпадает необходимость помещать кристалл и электрод в жидкую диэлектрическую среду, появляются дополнительные возможности ионизации полупроводника излучением разряда и электронным пучком, образующимися в разрядном промежутке при приложении высоковольтных пикосекундных импульсов. Под действием пикосекундных импульсов электрического поля и электронного пучка в результате ударной ионизации, туннельного и фотоэффекта образуется плотная электронно-дырочная плазма, в которой возникают условия для усиления и генерации лазерного излучения.

Работа обычных полупроводниковых лазеров основана на p-n переходах, через которые пропускается ток, и в результате инжекции носителей происходит излучение. В полупроводниковом электроразрядном лазере используется монокристалл, то есть p-n перехода нет, работает другой принцип, больше похожий на то, что происходит в газовых лазерах. «Вы прикладываете напряжение, напряженность электрического поля возрастает, электроны разгоняются, происходит ионизация атомов или ионов в зависимости от того, какой кристалл, и в кристалле образуется плазма. А в электронно-дырочной плазме при определенной плотности электронно-дырочных пар возможно усиление и генерация света. Вот эту идею мы и реализуем», – рассказывает Александр Насибов.

В зависимости от приложенного импульсного напряжения и длительности импульсов (десятки-сотни пикосекунд) лазер может излучать световые импульсы мощностью от десятков до сотен киловатт с длиной волны, определяемой шириной запрещенной зоны полупроводника – от 300 нм до 3 мкм. Активный элемент лазера – полупроводниковая пластина – может быть изготовлена из двойного или тройного прямозонного полупроводникового соединения А2В6 (ZnS, ZnSe. CdS, CdSe, ZnSSe, ZnCdS, CdSSe) или А3В5 (GaAs. GaN, GaAlN, GaAlAs, АlN, InN и т.п.).

Предусматривается применение лазера в устройствах оптоэлектроники, оптической связи, при исследовании быстропротекающих процессов в биологических тканях и в регистрирующих приборах.

На иллюстрациях:

Процесс свечения лазерной мишени из селенида цинка на диэлектрической подложке с отверстием круглой формы и диаметром 3 мм.

Схема полупроводникового электроразрядного (ПЭЛ) лазера: 1 – передающая линия, 2 – камера с электродами 3 и 4, 5 – полупроводниковая пластина лазерной мишени (ЛМ), 6 – подложка. ЛМ состоит из плоскопараллельной полупроводниковой пластины 5 и подложки 6, соединенных между собой тонкой диэлектрической прослойкой 7 с одним или несколькими отверстиями. Также ПЭЛ содержит генератор высоковольтных импульсов – на схеме не показан