Напівпровідниковий лазер зі змінною довжиною хвилі випромінювання субміліметрового діапазону

Напівпровідниковий лазер зі змінною довжиною хвилі випромінювання субміліметрового діапазону, активний елемент якого є одночасно резонатором і являє собою напівпровідниковий монокристал з паралельними робочими поверхнями та омічними контактами, який відрізняється тим, що активний елемент виконано з монокристалу безщілинного напівпровідника у формі прямокутного паралелепіпеда, до якого за допомогою пуансонів накладається одновісний пружний стиск, при цьому певному значенню стиску відповідає визначена довжина хвилі випромінювання. (19) (21) 98105519 (22) 20.10.1998 (24) 16.04.2001 (33) UA (46) 16.04.2001, Бюл. № 3, 2001 р. (72) Васько Федір Трохимович, Венгер Евген Федорович, Гасан-Заде Салім Гюльрзаєвич, Старий Сергій Васильович, Стріха Максим Віталійович, Шепельський Георгій Анатолійович (73) Інститут фізики напівпровідників Національної академії наук України 35809 ється електропольовим збудженням. Треба зазначити, що всі існуючі напівпровідникові лазери субміліметрового діапазону працюють в імпульсному режимі і при низьких температурах (найчастіше при температурі рідкого гелію). Найближчим за технічним рішенням до пропонованого є напівпровідниковий лазер зі змінною довжиною хвилі випромінювання субміліметрового діапазону, активний елемент якого є одночасно оптичним резонатором і являє собою напівпровідниковий монокристалл германію (Ge р-типу) з паралельними робочими поверхнями і омічними контактами, які нанесені на нього і використовуються для подавання імпульсів електричного струму, що забезпечують електропольове збудження і інвертований розподіл гарячих носіїв струму (див.: Gorniк. Е., Rossкopf V., W. Heiss V. Tunable Lasers and Detectors in the FIR, Infrared Phys. Tecnnol., 1995, v. 36, н. 1, pp. 113-122). В цьому лазері активний елемент розташовано в магнітному полі надпровідного соленоїда, а випромінювальні рекомбінаційні переходи відбуваються між квантовими рівнями Ландау, які утворені магнітним полем соленоїда. Технічні характеристики цього лазера: активний елемент - Ge р-типу з концентрацією акцепторів NА=6·1013 см-3 і розмірами 5х7х25 мм3 розташований в надпровідному соленоїді з напруженістю магнітного поля Н£45 кЕ; робоча температура 4,2 К; інвертований стан гарячих електронів забезпечується електричними імпульсами напругою U£10000 В з тривалістю £1 мкс і частотою повторення приблизно 3 гц, при цьому в об'ємі активного елементу виникає електричне поле напруженістю Е£3500 В/см; спектральний діапазон випромінювання 120-150 мкм; потужність випромінювання в імпульсі Р@100 мВт. Цьому лазеру притаманні такі ж самі головні недоліки, що і всім відомим напівпровідниковим лазерам субміліметрового діапазону, а саме: активний елемент має відносно великі розміри (об'єм становить 200-1000 мм3), що накладає додаткові більш жорсткі вимоги до напівпровідникового матеріалу; для необхідної перебудови енергетичного спектру, на основі якого може бути створений інвертований стан носіїв заряду, активний елемент треба розташовувати в достатньо сильному магнітному полі з напруженістю до 45 кЕ. Такі магнітні поля досягаються лише в надпровідних соленоїдах, які мають значні розміри і потребують потужних джерел струму (до 20-30 А), до того ж, ці джерела повинні бути стабільними за часом; для електропольового збудження і розігріву носіїв застосовуються високовольтні електричні імпульси напругою до 10000 В, які можуть забезпечувати в об'ємі активного елементу електричні поля напруженістю до 3500 В/см. Створення таких імпульсів потребує спеціальних потужних генераторів. Крім того, для забезпечення технічної безпеки як самих пристроїв так і технічного персоналу необхідно застосовувати запобіжні заходи безпеки (підсилювати надійність електричної ізоляції, збільшувати відстані і та ін.); наявність значних імпульсів струму в об'ємі активного елементу лазера. потребує також застосування суттєвого екранування, щоб запобігти електромагнітним "наведенням" на досліджуваному об'єкті; значні розміри надпровідного соленоїда та наявність сильного магнітного поля, а також великі імпульсні електричні поля в об'ємі напівпровідникового активного елементу не дозволяють розташовувати досліджуваний об’єкт понизу випромінювача, тобто потребують значних відстаней або складної каналізації випромінювання, останнє, як відомо, суттєво (на 1-2 порядки) послаблює потужність випромінювання. Натомість при дослідженні напівпровідникових матеріалів для виявлення наявності домішок і їх аналізу зручно розташовувати зразок, що досліджується, поблизу джерела випромінювання, оскільки такі дослідження також виконують при низьких температурах (коли домішки не іонізовані). В основу винаходу поставлено завдання створити напівпровідниковий лазер зі змінною довжиною хвилі випромінювання субміліметрового діапазону шляхом виготовлення його активного елемента з безщілинного напівпровідника у формі прямокутного паралелепіпеда та накладання на нього одновісного пружного стиску за допомогою пуансонів, забезпечити розширення спектрального діапазону випромінювання, зменшення розмірів активного елемента, суттєве спрощення конструкції і зменшення енергоспоживання з одночасним підвищенням рівня технічної безпеки його застосування. Зазначена задача вирішується тим, що напівпровідниковий лазер зі змінною довжиною хвилі випромінювання субміліметрового діапазону вміщує активний елемент, який є одночасно оптичним резонатором і виконаний з монокристалу безщілинного напівпровідника у формі прямокутного паралелепіпеда і до нього за допомогою спеціальних пуансонів накладається одновісний пружний стиск, при цьому, певному значенню стиску відповідає визначена довжина хвилі випромінювання. Пропонована конструкція напівпровідникового лазера зі змінною довжиною хвилі випромінювання субміліметрового діапазону дозволяє значно розширити спектральний діапазон випромінювання, зменшити розміри активного елемента і, тим самим, послабити вимоги до застосованого напівпровідникового матеріалу, суттєво спростити конструкцію і зменшити енергоспоживання за рахунок: повної відмови від магнітного поля і тим самим від надпровідного соленоїда та заміни спеціального потужного генератора високовольтних імпульсів на звичайний серійний генератор, оскільки потребує застосування імпульсів менших за напругою на 2 порядки, що одночасно підвищує рівень технічної безпеки застосування лазера. Напівпровідниковий лазер зі змінною довжиною хвилі випромінювання субміліметрового діапазону, що пропонується, ілюструється кресленням. На фігурі схематично зображено конструкцію напівпровідникового лазера зі змінною довжиною хвилі випромінювання субміліметрового діапазону, що вміщує активний елемент 1, який виконано з монокристалу безщілинного напівпровідника у формі прямокутного паралелепіпеда та має омічні кільцеві контакти 2. За допомогою пуансонів 3, що складаються з плоскопаралельних пластин із відпаленої міді 4 та сапфіру 5, до активного елементу 2 35809 1 накладається одновісний пружний стиск Р. Електричні імпульси подаються на контакти 2 від звичайного стандартного генератора 6. Пропонований напівпровідниковий лазер зі змінною довжиною хвилі випромінювання субміліметрового діапазону функціонує наступним чином. Одновісний пружний стиск Р за допомогою пуанссонів 3, що складаються з мідних 4 та сапфірових 5 пластин, накладається до активного елементу 1, що виконано з безщілинного напівпровідника, і докорінно змінює його енергетичну структуру та притаманні йому власні механізми рекомбінації, при цьому значно зростає вірогідність випромінювальних рекомбінаційних переходів. Через омічні контакти 2 до активного елементу і подаються від стандартного генератора 6 імпульси струму, що утворюють в об'ємі активного елементу електричне поле Е (електропольове збудження) і, врештірешт, забезпечують розігрів носіїв та їх інвертований розподіл. Активний елемент 1 виконано у формі прямокутного паралелепіпеда і він є широкополосним резонатором для електромагнітних хвиль субміліметрового діапазону. Починаючи з деяких значень Р і Е, коли інтенсивність випромінювальних рекомбінаційних переходів перевищить витрати на поглинання в об'ємі активного елементу, виникає стимульоване випромінювання субміліметрового діапазону і при подальшому підвищенні стиску змінюється довжина хвилі випромінювання, при цьому певному значенню стиску відповідає визначена довжина хвилі випромінювання, а його потужність практично не змінюється. Даний напівпровідниковий лазер зі змінною довжиною хвилі випромінювання субміліметрового діапазону має такі переваги порівняно з аналогами та прототипом: розширюється спектральний діапазон випромінювання; значно зменшується об'єм активного елементу; підвищується надійність пристрою за рахунок суттєвого спрощення конструкції (відсутність надпровідного магніту, який є достатньо технічно складним пристроєм з суттєвими розмірами); немає потреби в спеціальному потужно му високовольтному імпульсному генераторі; зменшується питоме енергоспоживання, тому що не потрібні потужні джерела живлення для надпровідного магніту та генератора; підвищується безпечність технічної експлуатації пристрою - лазера; є змога розташовувати досліджуваний об'єкт поблизу (на відстані декількох мм) випромінювача, тому що відсутнє сильне магнітне поле і застосовано значно менші за напругою (на 2 порядки) електричні імпульси; відпадає потреба в застосуванні складних заходів для екранування досліджуваного об'єкту від електромагнітних "наведень". Винахід ілюструється прикладами. Приклад 1. Напівпровідниковий лазер зі змінною довжиною хвилі випромінювання субміліметрового діапазону, активний елемент якого виконанo з монокристалу безщілинного напівпровідника CdхHg1-хTe (із складом х=0,14 та NAND=1,2·1016cм-3) у формі прямокутного паралелепіпеда з розмірами 0,8х0,8х9,0 мм3 (об'єм приблизно 7 мм3). Паралельність граней не гірше 1,5'. Активний елемент має кільцеві омічні контакти, що нанесені по периметру вузького перерізу на відстані 7 мм. Через електричні контакти від стандартного генератора надходять імпульси напругою U£40 в з тривалістю £1 мкс та частотою повторення £3 Гц, які і забезпечують в активному об'ємі електричне поле напруженістю Е 60 В/см. Вздовж довгої грані до активного елементу прикладається одномісний пружний стиск Р£З,5 кбар. Робоча температура 4,2 К. Потужність випромінювання в імпульсі Р@200 мВт. Спектральний діапазон випромінювання 70150 мкм. Приклад 2. Матеріал активного елементу CdхHg1-xTe з х=0,12 та NA-ND=1,7·1016 cм-3. Розміри 0,7х0,8х6,0 мм3. Відстань між контактами приблизно 6 мм. Паралельність граней не гірше 30". Потужність випромінювання в імпульсі Р@450 мВт. Інші параметри такі ж, як і в прикладі 1. Фіг. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 3