Лазери з накачкою електронним пучком

Вище ми вже вказували на те, що одним із методів накачки напівпровідникових лазерів є збудження нерівноважних електронів і дірок у монокристалах при гальмуванні в них пучка прискорених електронів.

Цей тип лазерів у технічному виконанні значно складніший ніж інжекційні лазери. Проте перспективи їх практичного використання настільки привабливі, що цілком виправдовують зусилля, які витрачаються не перемаганням цілого ряду труднощів, зв’язаних з їх розробкою.

Розглянемо принцип дії і основні конструкції резонаторів у лазерів з накачкою електронним пучком. Як було сказано вище, в інжекційних лазерах надлишкові електрони і дірки утворюються у кристалі в результаті легування, і прикладене електричне поле приводить тільки до їх просторового розподілу. В лазерах з накачкою електронним пучком нерівноважні носіїв генеруються при передаванні енергії від електронів пучка електронами і дірками, які утворюються в результаті іонізації атомів кристалічною решіткою. Такий спосіб генерації носіїв дозволяє порівняно просто одержати достатню концентрацію нерівноважних електронів і дірок в активній області і виконати умови генерації. Тому вихідними матеріалами для лазерів з накачкою електронним пучком можуть служити самі різноманітні напівпровідникові кристали. Практично при виборі вихідного кристала повинна бути виконана єдина умова – щоб випромінювальні переходи при рекомбінації носіїв були прямими. Бажано, щоб кристал при цьому мав задовільні механічні характеристики, які б дозволяли полірувати (або скалювати) грані резонатора, і технологія вирощування дозволила б отримувати зразки потрібної геометричної форми і розміру.

В даний час найбільше поширення отримали два типи лазерів з накачкою з електронним пучком, які умовно можна назвати лазерами з поперечною і поздовжньою накачкою (рис.)

В лазерах з поперечною накачкою умови самозбудження виконується, якщо величина коефіцієнта підсилення у максимумі іонізації кривої стає рівною коефіцієнту втрат. Однак із-за того, що глибина проникнення електронів у кристал, особливо при енергіях менших приблизно 50 кеВ, виявляється порівняною з довжиною хвилі генерованого випромінювання, основним видом втрат виявляються дифракційні втра-

ти. З урахуванням дифракційних втрат порогова умова генерації може бути записана у вигляді:

, (31)

де  - безрозмірний множник, більший 1, який залежить від енергії електронного пучка і довжини резонатора і який враховує зростання страт енергії в резонаторі.

Розрахунок величини  досить складна електродинамічна задача. Тому ми приведемо тут (рис) результати обчислень , виконані з використанням ЕОМ для випадку резонатора із арсеніда галія. Не дивлячись на те, що із зменшенням енергії електронів нижче 40-50 кеВ густина іонізаційних втрат, а, отже, величина фактора підсилення  збільшується (приблизно як 1/Е), дифракційні втрати зростають ще швидше (приблизно як 1/Е⁴). Тому при зменшенні енергії електронів густина порогового струму накачки досить швидко збільшується (приблизно як 1/Е³) (рис.).

Одним із методів значення порогу генерації в лазерах з поперечною накачкою є штучне значення дифракційних втрат шляхом утворення хвилеводної структури в активній області. Використання хвилеводної структури резонатора дозволяє знизити пороговий струм в області малих енергій на 1-2 порядки, що дуже важливо для цілого ряду практичного використання лазерів подібного типу.

Одним із недоліків лазерів з поперечною накачкою є неоднорідність розподілу інтенсивності генерації при переміщенні електронного пучка вздовж кристала, зумовлена наявністю міклосколів на ребрах кристала, які утворюють грані резонатора. Ці мікросколи, які навіть не завжди видно за допомогою мікроскопа і які утворюються при виколюванні або поліруванні резонаторних граней, приводять до утворення дефектів резонатора, а оскільки при напругах 20-30 кеВ глибина проникнення електронів в кристал порядка декількох мікрон, то навіть мікронні дефекти істотним чином проявляються на добротності резонатора. Природно, що цей недолік не є принциповим і при удосконаленні технології виготовлення може бути усунутий.

У лазерах з поперечною накачкою ширина спектру генерації і діаграма напрямленості випромінювання майже аналогічні спектру генерації і напрямленості випромінювання інжекційних лазерів, оскільки структура резонаторів у них дуже близькі.

Вкажемо також на залежність вихідної потужності лазера від геометричних розмірів електронного ручка D. Як показує експеримент, діаметр пучка не може бути довільним. При збільшенні D і збереженні густини струму у плямі фокусування, вихідна потужність лазера спочатку збільшується (рис), а потім різко падає. Цей ефект зв’язаний з підсиленням спонтанного випромінювання (квантових шумів лазера), яке поширюється поперек осі резонатора. Підсилений шум приводить до насичення коефіцієнта підсилення і, як наслідок, до зменшення ККД лазера. З іншого боку, зменшення апертури електронного пучка на кристалі при гострому фокусуванню приводить до різкого зростання дифракційних втрат. Таким чином існує оптимальний діаметр плями фокусування, величина якого залежить від енергії електронного пучка, коефіцієнтів відбування дзеркал і внутрішніх втрат.

Основні характеристики лазерів із збудженням електронним пучком – тривалість імпульсу, імпульсна і середня потужність, можливість сканування променя у просторі – істотно залежать від конструкції і характеристик електронно-оптичних систем, які формують пучок. У теперішній час для формування електронних пучків в основному використовуються: 1) високовольтні діодні електронні пучки; 2) оптика електронно-променевих приладів; 3) різні прискорювачі електронів.

Перший метод дозволяє створити пучки електронів з діаметром до декілька сантиметрів і густиною струму у сотні і тисячі ампер на квадратний сантиметр, з енергією електронів у пучку в декілька сотень кілоелектронвольт і потужністю пучка і декілька сотень мегават в імпульсі. Можливості подібних джерел накачки напівпровідникових лазерів поки що у повній мірі не використані. Проте із проведених експериментів і теоретичних оцінок граничних параметрів лазерів випливає, що такі пристрої здатні генерувати світлові імпульси з потужністю в десятки мегават і розбіжністю в декілька кутових хвилин. Це значить за своїми основними параметрами напівпровідникові лазери з електронною накачкою на багато уступають лазерам на рубіні і гранаті, які працюють у режимі вільної генерації. При цьому висока ефективність, компактність і здатність генерувати світло практично з будь-якої довжини хвилі у видимій і ІЧ-області робить їх дуже перспективними при розробці далекомірів і світлолокаторів нового покоління, а також нових фізичних приладів.

Розглянемо тепер конструкцію лазера, в якому в якості джерела накачування використовуються потужні діодні електронні пушки з імпульсними живленнями. Оскільки напівпровідникові елементи дуже малі у порівнянні з розмірами вакуумної системи, в якій формується електронний пучок, то в одному вакуумному об’ємі можна розмістити велику кількість (біля 10³) окремих активних елементів, які збуджуються загальним електронним потоком. На рис. схематично показаний пристрій такого багатоелементного лазера з поперечним накачуванням, в якому активні елементи зібрані у вигляді драбини.

Рис. Схема багатоелементного лазера з поперечним накачуванням.

Для зменшення впливу підсилення спонтанного випромінювання у поперечному напрямі окремі елементи, які лежать на одній ступені, розділені рисками, глибина яких дорівнює глибині проникнення електронів у кристал. напівширина діаграми напрямленості випромінювання такого багатоелементного лазера дорівнює ~ 20^о і являє собою некогерентну суму полів кожного із окремих елементів.

Розглянемо тепер конструкцію лазера, робота якого базується на використанні оптики електронно-променевих приладів. Для визначеності до цього класу приладів ми віднесемо ті, в яких для накачування лазера використовується гостро сфокусований електронний пучок, який дозволяє здійснити сканування вздовж кристала. Існують дві схеми скануючих лазерів, які використовуються два методи збудження кристала – поздовжнє і поперечне.

У першому випадку напівпровідниковий резонатор являє собою стержень прямокутного перерізу, дві протилежні грані якого утворюють дзеркала, через третю (перпендикулярну двом першим) проходить електронний пучок, який збуджує кристал, а через четверту, яка контактує з металевою підкладкою, від кристала відводиться тепло. Електронний пучок модульованої густини переміщується вздовж напівпровідникового стержня за допомогою звичайної магнітної відхиляючої системи. У тій частині кристала, яка у даний момент збуджена, виникає генерація, і перпендикулярно напряму розгортки випромінюється світло, інтенсивність якого пропорційна миттєвій густині струму електронного пучка. Така схема лазера дозволяє одержати одномірне сканування світлового променя.

У другому випадку резонатор являє собою плоскопаралельну напівпровідникову пластину, яка або закріплюється на прозорій підкладці, або саму виготовляють досить масивною для забезпечення міцності і тепловідводу. На грань, повернуту до електронного променя, наноситься відбиваюче світло покриття, через яке легко проходить електронний пучок. Електронний промінь у такій системі переміщується за допомогою відхиляючої системи (магнітної або електромагнітної) у двох взаємно перпендикулярних напрямах так само, як у звичайній електронно-променевій трубці (рис.).

Рис. Скануючий лазер з поздовжнім накачуванням.

Можливість сканування оптичного променя у просторі з одночасною модуляцією його по інтенсивності дозволяє створювати системи лазерного проекційного телебачення і відображення інформації на екрані великого розміру.

Перспективність використання напівпровідникових лазерів у таких пристроях визначається наступними їх перевагами:

1. Яскравість свічення може досягти величини порядку 10¹³ нит у зеленій області спектру. Це усуває принципові обмеження яскравості джерел світла, притаманних не лазерним пристроям.

2. Високий ККД, який у багато разів перевищує ККД газових і твердотільних лазерів, що дуже істотно, якщо мова йде про проектування на екран розміром більше 10 м².

3. Можливість одержання кольорового зображення.

4. Відображення інформації на екран забезпечується шляхом стандартних методів модуляції і сканування електронного пучка, добре розроблених в телебаченні. Це дозволяє використовувати лазерні трубки в існуючих системах телебачення.

Так, за допомогою скануючого лазера з поздовжнім накачуванням на основі кристала CdS одержаного зображення телевізійної тест таблиці. Розмір цього зображення біля 6 м², прискорююча напруга на трубці 75-100 кВ. Вихідна потужність лазера 1,5-2 Вт при потужності електронного пучка не більше 10 Вт.

У відповідності до двох типів скануючих лазерів, можливі два способи проектування на екран. У випадку поперечного накачування електронний промінь, пробігаючи по кристалу, передає окремий рядок телевізійного зображення. Послідовно проектуючи на екрані зображення світлових граней кристала з одночасною розгорткою їх у кадр за допомогою дзеркального вібратора, можна отримати нормальне телевізійне зображення. Використання механічних кадрових розгорток, звичайно, є менш зручним, ніж електронних. Проте, оскільки частота кадрів невелика (~25 Гц), то механічні кадрові розгортки можна зробити досить простими і надійними.