Введение к работе
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 широко
зонных полупроводников в произвольной точке объема, которое не может быть
реализовано другими методами, при этом достигается высокая концентрация не
равновесных 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 спо
собом удается возбудить свечение даже в тех кристаллах и условиях, в которых
это невозможно осуществить традиционными методами. К настоящему времени
стримерные разряды наблюдались во многих полупроводниках, а на ряде соеди
нений АгВ6 и АзВ5 получена генерация. Во многих полупроводниках определена
кристаллографическая ориентация разрядов, на некоторых из. них изучено влия
ние температуры, внешней подсветки, давления (одноосного сжатия), амплитуды
и полярности возбуждающих импульсов напряжения, а также радиоактивного об-
ігучения 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 волн микроволновой диапазона, возбуждаемых в кристалле при формировании разряда, со световьи излучением из канала стримера. Кроме того, высокая интенсивность лазерной излучения в канале (~109-f 1012 Вт/см2) приводит к процессам самовоздействия, і 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 улуч шению эксплуатационных характеристик стримерных лазеров и других приборо с использованием стримерных разрядов.
Связь работы с крупными научными программами. Исследовани проводились в рамках тем, входящих в планы важнейших научно - исследователі ских работ в области естественных наук по республиканским комплексным прс граммам: "Созданье элементов нелинейной оптики и оптоэлектроники, изученв их рабочих характеристик" - Оптика 2.21 и "Разработка, создание и исследов; ние полупроводниковых лазеров, изучение процессов взаимодействия лазерної излучения и электрических полей с полупроводниками" - Лазер 3.03-"Разработка новых типов полупроводниковых лазеров и исследование нелинеі ных оптических процессов в квантоворазмерных системах" - Квант 01.
Целые работы являлось повышение эффективности стримерных 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 (примерного лазера: высокоча тотного, импульсно-периодического; исследование мощностных и пространстве] но-временных характеристик пакетно-импульсного стримерного лазера на сул 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 работ 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-шмого и СВЧ-диапазона в кристаллах с различной симметрией; расчет зависимости направлений синхронизма от величины и полярности электрического поля, >азмеров кристалла, длины СВЧ-волны;
расчет анизотропии самовоздействия излучения в сильных электрических юлях и изучение возможности его самоканалирования в условиях стримерного шряда.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
Впервые получены длинные неветвящиеся разряды 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 раз-ірос момента его возникновения, а также стабилизировать картину ближнего и іальнего 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-іеделенного состава и ориентации позволяет увеличить ресурс работы стримерно-о полупроводникового лазера за счет уменьшения поверхностных разрушений наивного 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-іерностей разрядов в стержневидных кристаллах.
Установлено, что излучение стримеров поляризовано, и поляризационные ізмерения согласуются с предполагаемым механизмом разряда, учитывающим заимодействие волн.
Рассчитана анизотропия самовоздействия света в кристаллах CdS в силь-[ых электрических полях и показана возможность самоканалирования при стри-іерном 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 П( вышения мощности лазера. Разработанный метод селективного возбуждения ра: рядов использован для создания мощного (примерного полупроводникового лазі pa и имеет практическое значение для проведения корректных исследований ш дивидуальных свойств разрядов.
На основании результатов исследований создан малогабаритный источим субнаносекундных световых импульсов в зеленой области спектра, перепек ный для применений в медицинских целях. По сравнению с существующими аік логами данный прибор характеризуется следующими особенностями: возможне стыо изменять длительность импульсов в нано- и пикосекуидяых 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 cs 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 тої что использование разработанного способа возбуждения заданного типа стриме{ ного разряда в гексагональных полупроводниках (а.с. СССР N 1755336 А1, кл. 1 01 L 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 эксплуап циии данных приборов вследствие упрощения процесса замены отработанны элементов, а также из-за увеличения ресурса лазеров.
Разработанный полупроводниковый стримерный лазер с пакетне импульсным возбуждением отличается более низкими стоимостью и габаритамі 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. ^. Увеличение средней мощности генерации стримерного лазера в пакетно-импульсном режиме вызвано быстрой релаксацией фотопроводимости сульфида кадмия и возникновением стримероч разных полярностей от импульсов одного электрического цуга.
Личный 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).
Опубликовашгость 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.
