Введение к работе
Актуальность теми. Разработка мощных импульсных источников света накосекундаого диапазона, работавши в видимой и ближних ИК и УФ диапазонах спектра, продолжает оставаться актуальней задачей квантовой электроники. При этом желательно иметь возмокность плавно или дискретно менять длину волны излучения.
К решению этой проблемы можно подойти, используя в качестве активной среда полупроводниковые кристаллы. Известно, что существует большое количество полупроводников с больиим значением вероятности излучательной рекомбинации, длина волны излучения которых, определяемая в основном шириной запрещенной зоны, лежит в диапазоне от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области. При накачке полупроводниковых кристаллов быстрыми электронами значительная часть энергии накачки может быть преобразована в свет.
В связи с этим представляет интерес рассмотреть возможность получения мощных импульсов света с помощью полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком /" I /. При использовании в качестве материала активного элемента различных полупроводниковых соединений длина волны генерации таких лазеров может быть выбрана любой в диапазоне от ~ 0,35 мкм до 10 - 20 мкм.
С момента получения генерации в лазерах такого тит на кристаллах сульфида кадмия в I9S4 г. f2j проведено большое количество исследований, посвященных различным аспектам их работы, некоторые модели лазеров доведены до промышленного выпуска и используются в народном хозяйстве.
Наиболее известными являются два типа лазеров: квазинепрерывные сканирующие лазеры для проекционного отображения информации на большом экране Ъ J и мощные импульсные лазеры.
В затаенности от геометрия накачки разделяет два основные конструкции лазеров - с поперечной накачкой, при которой ось оптического резонатора перпендикулярна оси электронного пучка, и с продольной накачкой, при которой эти оси совпадает:.
На некоторые: полупроводниковых штергалах достигнуты значения эффективности преобразования энергии Електронного пучка в сват, близкие к теоретическому проделу (~ЗС$).
В связи с появлением «малогабаритных импульсных источников электронов с эффективностью, превышающей 5СЙ С' ^ 7, появилась возможность разработки малогабаритных лазеров наносеку.ндяого диапазона, работающих на наперед заданной дайне волны или выбора длин волн, с общей еффективпостыо до 5 - 1С$.
В яастстщей работе представлены результаты исследований, проведенных автором, начиная с 1967 года, направленных на создание мощных импульсных полупроводниковых лазерив с электронным возбуждением. Часть работы выполнена в ФИАКе, частз - во ВНШЩВ Госстандарта совместно с коллективами сотрудников отдела 23 и Московского института радиосвязи.
К началу постановки данной работа была получена генерация в лазерах с электронным возбуздешем на некоторых полупроводниковых материалах, было выяснено, что предельная мощность лазеров ограничена разрушением материала активного элемента и для увеличения выходной мощности необходима разработка ыногоэлементных излучателей. Было установлено существенное влияние на параметры генерации усиленного в активном элементе спонтанного излучения, которое приводило к падению эффективности генерации при увеличении поперечного размера актгвного,элемента f5 /. Были внеказр'чг соображения о возможности получения в многоэлемевтЕых лазерах с продольной накачкой большой импульсной мощности с высокой эффективностью и узкой диаграы-
мой направленности & J, однако генерация в многоэлементных лазерах не была получена, а максимальная мощность одноэлементного лазера с продольной накачкой, работающего при азотном охлаждении активного элемента, не превышала 900 Вт /~5_7.
В соответствии с вышесказанным, основной задачей'и предметом предлагаемой диссертационной работы являлось проведенио комплекса исследований, направленных на создание мощных импульсных многоэлементных полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком.
В связи с поставленной общей задачей для ее успешного решения в данной работе были поставлены и решены следу щие задачи более частного характера:
проведены исследования энергетических характеристик одноэлементных лазеров, направленных на поиск оптимальной конструкции многоэлементного лазера;
предложена двумерная модель расчета параметров лазеров (эффективности, мощности генерации, распределения излучения в дальней зоне)?
разработаны многоэлементные конструкции излучателей из. разных полупроводниковых материалов с высокой импульсной мощностью,, проведены исследования их параметров, выяснены особенности их работы;.
проведены исследования характера уширения линии усиления в лазерах с накачкой электронным пучком;
проведены исследования факторов, определяющих расходимость излучения лазеров с электронным возбуждением?
проведены исследования влияния акустических свойств кристаллов на параметры генерации?
реализован импульснс—периодический режим работы многоэ-
лементных полупроводниковых лазеров;
провед-зно изучение когерентных свойств излучения лазеров с электронной нзкачкой;
проведено изучение динамики генерации, а также динамики коэффициента'усиления полупроводника в процессе импульса накачки;
показа. :а возможность некоторых применений излучения мно-гоэлекентных лазеров, в частности, для накачки лазеров на красителях.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней:
- получена генерация многоэлементных лазеров с накачкой
электронным пучком на длинах волн от 840 w до 350 нм'на кристал
лах Gafis, CdSSe, CdSf Іл$Є, 2hOt ?*$.
- достигнута импульсная мощность генерации на уровне 10 - 15 МВт на ряде полупроводниковых кристаллов. Максимальная энергия светового тщульса, равная 250 мДж, полу%на в лазере на кристаллах сульфида кадмия (длительность импульса ~- 15 не, длина одна 525 нм);
предложена двумерная модель расчета параметров лазеров, учитывающая усиление спонтанного излучения в активной среде;
предложена модель неоднородного уширения лидии усиления в лазерах на кристаллах сульфида кад:.ия;
получена генерация многоэлементного полупроводникового лазера с неустойчивым резонатором?
-получена расходимость одноэлементного лазера на ароениде галлия с продольной накачкой, еоответаедаощая генерации основной поперечной моды (7»);
- исследовано влияние на расходимость излучения лазеров'
5 различных факторов: геометрии резонатора, перекосов зеркал, неоднородностей активной среды, составных резонаторов, геометрических параметров многоэлэмеятяых излучателей;
показано влияние на параметры лазеров акустических колебаний, возникающих в кристалле в процессе накачки электронным импульсом;
достигнуто значение средней мощности излучения в Т Вт при работе многоэлементного лазера в имцульснс—периодическом режиме;
показана возможность использования излучения импульсных многоэлементных лазеров для накачки-лазеров на крашгтелях, а .также для исследования динамики свойств полупроводниковых кристаллов в течение импульса накачки.
Практическая пенносуь диссертационной работы состоит в получении научной информации, направленной на создание приборов нового типа - импульсных мощных многоэлементных полупроводниковых лазеров наносекундного диапазона, предназначенных для их использования в интерферометрии, медицине,- навигации, в научных исследованиях, для накачки лазеров других типов п т.д.
Научные положения, выносимые на адшитуг
-
Реализация генерации в многоэлементных лазерах о накачкой электронным пучком яа ряде полупроводниковых соединений.
-
Достижение энергии светового импульса в 250 мДя в лазера на ёульфиде кадмия, (мощность -vI7 МЭг).
-
Установление неоднородного характера уширения линии усиления в лазерах на сульфиде кадмия с накачкой электронным пучком.
-
Установление влияния акустических колебания, возникающих в кристаллах в процессе накачки импульсным электронным пучком,
. ка некоторые параметры лазеров с электронным возбуждением (мощность излучения, расходимость, деградацию активных элементов). 5. Достижение ди$фракцаоннол расходимости' (V) в одноэлементном лазере на арсоциде галлия с продольной накачкой. S. Установление влияния различных факторов на диаграмму направленности излучения полупроводниковых лазероБ с накачкой электронным пучхом: геометрии резонатора и активного элемента, неодно— родностей активной среды, составного резонатора и непараллель-яоети поверхностей образца, динамических возмущений б процессе импульса накачки.
-
Достижение гензрацаї в многоэлементном лазере на сульфиде кадмия с неустойчивым резонатором.
-
Достижение средней ыоаности в I Вт в ыногоэлекентном лазере юішульсно-пвриодаческого действия.
-
Реализация генерации в лазерах на красителях- в растворах и твердых матрицах с накачкой излучением импульсных многоэлементных по^'упрозодииковых лазеров.' '
Объем и структура работы.
