Главная  Усиленная люминесценция 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [ 32 ] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]

-1- t

Рис. 5.9. Спектры генерации плоскопараллельных пластин монокристаллов ZnSe при 7" = 77 К и различных уровнях возбуждения.

За единицу принято Sii iv = = 2- 10== С-

7.? 2J6 ho, эй

y4-L0. По-видимому, генерация связана с неупругими экситон-экситонными столкновениями. Расчеты коэффициента усиления для этого механизма подтверждают сделанное предположение.

Генерация в области первого фононного повторения экситонной линии также наблюдалась на опыте, в частности в монокристаллах сульфида кадмия.

§ 5.4. ЛАЗЕРЫ МИКРОРЕЗОИАТОРНЫЕ, С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ И НА ДИНАМИЧЕСКИХ РЕШЕТКАХ

Лепестковые и игольчатые лазеры. Генерация в лепестковых и игольчатых лазерах характеризуется особенностями, для объяснения которых требуется расширение наших представлений о процессах, происходящих в активной среде.

Как было показано, при поперечном варианте возбуждения (см. рис. 5.1) в относительно толстых пластинах возникает генерация в плоском резонаторе, образованном двумя гранями пластины. Из двух светящихся пятен излучение распространяется в противоположные


Рис. 5.10. Парциальные микрорезонаторы в пластинчатом (а) и игольчатом (б) лазерах на основе CdS.

Серое пятно - область возбуждения, темные пятна - пятна генерации

стороны. Если же уменьшать толщину пластины до нескольких десятков микрон и меньше, то в гексагональных и слоистых кристаллах количественные изменения приводят к появлению нового качества., Возникают пятна генерации на всех четырех ребрах пластины. Стимулированное излучение распространяется в виде веера по всем направлениям (угол от нуля до 2я) в плоскости, перпендикулярной к длинному ребру пластины (оси С на рис. 5.10). Угол расходимости в плоскостях, содержащих ось С, сравнительно небольшой: 3...15°.

В работах М. С. Бродина и его сотрудников лепестковый лазер изготавливался из монокристаллов CdS, ZrijrCdi-xS, CdSi-xSe и имел характерные размеры: / = 50...1500 мкм, ау = 3...75 мкм. При возбуждении азотным лазером в ультрафиолетовой области (А,г = 337,1 нм) возбуждающее излучение ослаблялось при отсутствии просветления в е раз на глубине, составляющей доли микрона. Поэтому можно было ожидать, что генерировать будут приповерхностные слои в плоском резонаторе, как показано на рис. 5.1, а. Сложную индикатрису генерации можно объяснить, если предположить, что в лепестке образуется микрорезонатор с участием всех четырех граней активной среды (см. рис. 5.10, а). В таком





H = 0,12 w=1MKM t -- 600UKM

.11111111 \3 5 7 9 ft I3fif}


SO 120 5-

Рис. 5.11. Ход лучей в микрорезонаторе на основе Zn,Cdi iS для Лр = 42 (а), Лр = 2 (б) и распределение интенсивности лазерного излучения в плоскости, перпендикулярной к оси С (а) (М. С, Бродин, Н. И. Витриховский, А, А. Кипень и др., 1979 г.)

четырехстороннем резонаторе устанавливаются различные стоячие волны (рис. 5.11, а, б).

Угол скольжения луча О, по отношению к граням / внутри кристалла выражается простой формулой

tgdi = /A/p/, (5.32)

где Np - отношение числа отражений излучения от грани ш к числу отражений от грани /. Покидая кристалл, луч распространяеФся под углом в-,, удовлетворяющим соотношению

sin Ье - п sin bi.

Распределение интенсивности генерации в пределах 0°ве90° показано на рис. 5.11, е. Видно, что положение максимумов всех лепестков индикатрисы соответствует значениям углов Ье, рассчитанным с помощью формулы (5.32), причем число отражений от грани / достигает 15.

Кроме указанных максимумов в индикатрисе излучения заметна и более мелкая структура, объясняемая интерференцией лучей, исходящих из четырех пятен на ребрах, рассматриваемых в качестве когерентных источников света.

Характерно, что размеры генерирующих пятен в направлении оси С (см. рис. 5.10) ограничены толщиной d, значительно меньшей области возбуждения. Возможно, это связано с микронеоднородностями показателя преломления чистых монокристаллов. Установлено, что лепестки сульфида цинка образуют структуру в виде

сандвича со слоями, перпендикулярными к оси С. Очевидно, начинает генерировать один слой с минимальным коэффициентом потерь и подавляет генерацию соседних слоев путем сброса инверсной населенности своим излучением (см. влияние усиленной люминесценции в §2.4).

Детальное исследование спектрального и углового распределения излучения лепестковых лазеров приводит к результатам, не согласующимся с общей теорией оптических резонаторов. Оказывается, спектр генерации в некоторых случаях не зависит от направления распространения излучения, хотя, по теории, каждая лазерная мода описывается своим направлением распространения и длиной волны.

Объяснить эту особенность генерации лепестковых лазеров можно, если предположить, что в активной среде происходит межмодовое рассеяние излучения. Генерация начинается на модах, имеющих наименьший коэффициент потерь. Это будут моды, для которых реализуется полное внутреннее отражение на всех гранях резонатора. Но такие моды не имеют выхода из резонатора. В результате плотность генерируемого излучения в активной среде достигает больших значений, а следовательно, растет интенсивность его рассеяния. Рассеянное излучение усиливается активной средой, модулируется резонатором и выходит из него. Иначе говоря, спектр генерации определяется замкнутыми модами, а индикатриса излучения - модами, имеющими выход из резонатора. Поэтому спектр и не зависит от направления" распространения излучения. Одним из механизмов межмодового рассеяния может быть дифракция замкнутых мод на создаваемых ими решетках показателя преломления (М. С. Бродин, 1986 г.).

Аналогичные закономерности справедливы и для игольчатых лазеров на основе сульфида кадмия, с той лишь разницей, что в них микрорезонатор образуется не четырьмя, а шестью боковыми гранями гексагонального кристалла (см. рис. 5.10,6).

Микрорезонатор на электронно-дырочной жидкости. Возбуждая слоистые кристаллы дииодида свинца РЬЬ при гелиевых температурах излучением азотного лазера (Х,в = 337,1 нм), И. С. Горбань с сотрудниками получили генерацию, для объяснения закономерностей которой возникла необходимость предположить образование микрорезонатора на электронно-дырочной жидкости.



Исходя из модовой структуры спектра генерации, было установлено, что размер резонатора /=(5,8 + 0,3) мкм значительно меньше толщины образца. Следовательно, в образце имеются отражающие поверхности. В принципе микрорезонатор может возникнуть в результате расслоения кристалла под воздействием возбуждающего излучения. Но тогда трудно объяснить, почему с ростом накачки расстояние между модами уменьшается, что соответствует увеличению размеров резонатора. Кроме того, генерация наблюдается только в интервале температур 1,4...3 К. Порог генерации в постоянном резонаторе обычно слабо зависит от температуры в этой области (см. §2.3). Здесь же при 7 = 3 К порог скачком возрастает до бесконечности.

Все эти особенности генерации легко объяснить в рамках гипотезы Л. В. Келдыша об образовании в полупроводниках электронно-дырочной жидкости. В данном случае жидкость образуется в возбужденном приповерхностном слое кристалла на глубин около 6 мкм. Граница раздела электронно-дырочная жидкость - газ свободных экситонов характеризуется коэффициентом отражения порядка 0,04, достаточным для появления микрорезонатора. Естественно, с ростом накачки толщина слоя жидкости увеличивается, а меж-модовое расстояние в спектре уменьшается. С повышением температуры выше ЗК существование электронно-дырочной жидкости становится невозможным и генерация исчезает.

РОС-лазеры. Создание в объеме активной среды или на ее поверхности периодических структур не только позволяет отказаться от зеркальных резонаторов, но и открывает новые возможности для улучшения характеристик генерируемого излучения и его практического использования. Первые РОС-лазеры были созданы Г. Котельником и К. В. Шенком в 1971 г. на основе красителя розамина 6 Ж, заключенного в желатиновой пленке с фазовой решеткой. Была получена узкая линия генерации с перестраиваемой частотой в зависимости от величины постоянной решетки согласно формуле (3.35).

В инжекционных лазерах применение фазовых решеток дает возможность кроме сужения линии генерации и уменьшения угла расходимости совместить лазер с другими элементами интегральных схем. Аналогичные

Л, мкм


Рис. 5.12. РОС-лазеры с накачкой инжекционный лазером (а) и лазером на основе Nd : YAG (б):

; - инжекционный лазер; 2 - цилиндрическая линза; 3 - металлическая линза

5 X, МКМ

Рис. 5.13. Зависимости длины волны генерации К,, шага решетки Л от координаты полоски возбуждения (справа) и спектры генерации при возбуждении инжекционным лазером и лазером на основе Nd : YAG (слева)

возможности открываются и перед полупроводниковыми РОС-лазерами с оптической накачкой.

К. Франц, Е. Л. Портной с сотрудниками (1983 г.) для плавной перестройки частоты генерации создали РОС-лазер на основе InGaAsP/InP двойной гетероструктуры, дифракционная решетка которого, созданная на поверхности, характеризовалась переменным шагом Л (рис. 5.12).

Решетка изготавливалась путем интерференционной засветки фоторезиста и химического травления поверхности. Гетероструктура возбуждалась полоской излучения, полученного либо от инжекционного лазера (ширина 20...40 мкм), либо от лазера на основе Nd : YAG (ширина 250 мкм). Генерируемое излучение распространялось перпендикулярно к поверхности активного слоя.

Перемещение возбуждающей полоски вдоль фазовой решетки сопровождается изменением шага решетки в активной среде, а также длины волны генерируемого излучения (рис. 5.13). Реализована перестройка в пределах 42 нм. Меньшая ширина линии генерации, возбуждаемой инжекционным лазером, по сравнению с генерацией при накачке неодимовым лазером объясняется соответственно меньшей шириной полоски возбуждения (см. рис. 5.12) и соответственно меньшим изменением шага А в пределах полоски возбуждения.

Нанесение дифракционных решеток на поверхность полупроводниковых пластин сопровождается, как пра-



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [ 32 ] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]

0.0008