книги из ГПНТБ / Кононенко, В. К. Полупроводниковые лазеры и их применение в науке и технике

ние энергетических уровней атомов, структуру молекул, характер электронных переходов и т. д. Методы спектро­ скопии позволяют изучать вещество в ничтожных коли­ чествах, в изолированных от окружающей среды объе­

исследование зависимости оптических характеристик сре­ ды от интенсивности света. Эти исследования стали воз­ можны лишь после создания лазеров и привели к воз­ никновению нового раздела физики—нелинейной оптики. При помощи лазеров с перестраиваемой частотой ге­ нерации оптические спектры наблюдаются без призм, дифракционных решеток и других спектральных при­ боров.

Легкая регулируемая перестройка частоты генерации полупроводниковых лазеров позволяет использовать их в качестве источников излучения для спектральных из­ мерений. Полосу усиления, а также положение отдель­

ных линий генерации можно сдвигать в определенных пределах, изменяя уровень возбуждения и внешние усло­ вия (температуру, давление, напряженность магнитного поля). Ширина линии излучения ПКХ достаточно мала. Так, например, для инжекционных лазеров в непрерыв­ ном режиме отношение ширины линии к частоте излуче­ ния составляет 10~7—10-10. Это делает ПКГ перспектив­ ными для измерений с высоким разрешением показателя преломления, оптического поглощения, рассеяния, лю­ минесценции атомных и молекулярных систем.

Для измерения энергетического интервала между ли­ ниями поглощения и ширины этих линий необходима точная частотная калибровка полупроводникового лазе­ ра, используемого для спектроскопических измерений. Сотрудники Московского инженерно-физического инсти­ тута предложили метод калибровки импульсного лазер­

40

ного диода при помощи интерферометра Фабри — Перо. В одном из опытов излучение диода формировалось в параллельный пучок и пропускалось через интерферометр Фабри — Перо с разрешающей силой 5-105. Расстояние между максимумами полос пропускания шириной около 100 Мгц было 5 Ггц. В импульсном режиме возбуждения, температура активной области инжекционного лазера в- течение импульса тока повышается, что приводит к из­ менению коэффициента преломления активной среды и, следовательно, к сдвигу отдельной линии генерации. При длительности прямоугольных импульсов тока 5 мксек, которые налагались на постоянный ток возбуждения, из­ менение длины волны генерации составило 0,6 А (25 Ггц).

С помощью калиброванного по частоте импульсного GaAs лазера исследовалось поглощение света атомами цезия. Излучение лазера фокусировалось на кювету с насыщенными парами Cs133 при комнатной температу­ ре. После кюветы излучение проходило через фильтр и регистрировалось ФЭУ-6, сигнал с которого подавался на осциллограф С1-15. Под влиянием излучения на дли­ не волны 8521 А атомы цезия переходят с самого нижне­ го, основного уровня энергии на второй возбужденный уровень. Основной уровень цезия из-за сверхтонкого рас­ щепления состоит из двух подуровней. Поэтому наблю­ даются два пика поглощения, расстояние между ними составляет 9,2 Ггц, что близко к значению, полученному методами радиоспектроскопии.

Регулируя скорость подачи жидкого азота к хладопроводу, можно задавать температуру лазерного диода. При этом длина волны генерации арсенида галлия пере­ страивается в диапазоне от 8500 до 9000 А. Настраивая таким способом лазерный диод на длину волны 8943 А, удалось разрешить сверхтонкую структуру линии по­ глощения цезия, связанной с переходами между основ­ ным уровнем энергии и первым возбужденным уровнем.

41

При регистрации линии 8943 А средняя скорость пере­ стройки частоты генерации в течение импульса накачки составляла 100 Ггц/мксек. Экспериментально найденное расщепление возбужденного состояния— 1,2 Ггц. .

Максимальная точность измерений в описанных выше опытах определялась добротностью интерферометра. Поскольку предельное разрешение ограничивается ши­ риной линии излучения ПКГ, доходящей до 150 кгц, точность спектроскопических измерений может быть зна­ чительно повышена.

Лазеры с перестраиваемой частотой генерации удоб­ ны для диагностики плазмы. В частности, с помощью перестраиваемого GaAs лазерного диода при 77 °К про­ водились интерферометрические исследования населен­ ности двух возбужденных состояний аргоновой плазмы. Длина волны генерации в зависимости от уровня леги­ рования диодов находилась в интервале 8350—8550 А и перестраивалась с помощью длинного импульса тока накачки (больше 50 мксек). Лазерное излучение направ­ лялось линзой в разрядную трубку длиной 40 см и диа­ метром 1 см, заполненную аргоном до давления 3 мм рт. ст. Аргоновая плазма возбуждалась слабым электри­ ческим разрядом. Так как разрядная трубка помещалась в интерферометр Фабри — Перо, одновременно опреде­ лялись поглощение и показатель преломления плазмы. Для этого сравнивалось положение главных максимумов пропускания интерферометра без плазмы и при наличии трубки с Аг в резонаторе. Таким способом измерялись малые изменения показателя преломления ( ~ Ю-7) в зависимости от длины волны излучения. Как показали дисперсионные измерения на двух длинах волн — 8408 и 8424 А, число атомов аргона в нижнем возбужденном

удобны вдали от центра линий поглощения, где пропу­

42

скание велико и коэффициент поглощения плазмы труд­ но точно измерить.

Молекулы относятся к более сложным квантовым системам, чем атомы. В молекуле происходят колеба­ ния атомных ядер и вращательное движение молекулы как целого. Поэтому молекулы имеют, кроме электрон­ ных, также колебательные и вращательные уровни энер­

гии. Для каждого молекулярного газа характерны свои линии поглощения и испускания, что позволяет распо­ знавать газы в различных средах. Например, используя

газа, хорошо известного под названием угарного.

Так, линия Р (9) колебательно-вращательной полосы поглощения СО исследовалась с помощью непрерывно действующего инжекционного лазера на основе твердого раствора сульфида и селенида свинца Pb(S, Se). Темпе­ ратура диода поддерживалась около 10 °К путем охлаж­ дения хладопровода жидким гелием. Излучение лазера на длине волны 4,75 мкм пропускалось через дециметро­ вую кювету с молекулярным газом и спектрометр, а затем попадало на охлажденный фотодетектор. При токе, превышающем порог в два раза, генерация проис­ ходит в основном на одном типе колебаний резонатора, которому соответствует линия шириной ~ 1 Мгц и мощ­ ностью 8 мквт. Перестройка частоты генерации со ско­ ростью 250 Мгц/ма в интервале 30 Ггц осуществлялась током из-за нагрева диода. Измеренная ширина линии поглощения ,Р(9) окиси углерода при 300 °К и давлении 0,03 мм рт. ст. составила 150 Мгц. С увеличением давления газа до 1 мм рт. ст. происходит уширение ли­ нии почти на 6 Мгц, а коэффициент поглощения в центре линии в расчете на единицу давления равен 2,1 смт*.

Ценность полупроводниковых лазеров как источников света для спектроскопических исследований значительно повышается при сочетании обычной токовой перестрой­

43

ки частоты генерации с перестройкой магнитным полем.

Спомощью магнитной перестройки лазеров на Pb(S, Se) и РЬТе, излучающих в диапазоне 4—7 мкм, получены полностью разрешенные спектры поглощения окиси, азо­ та N0, двуокиси азота NO2, метана СН4 и окиси углеро­ да СО. Магнитное поле использовалось как для грубогоизменения частоты генерации, так и для точной настрой­ ки отдельных лазерных мод на линии поглощения газов.

Спомощью магнитного поля удалось заметно расширить частотный диапазон работы отдельного лазера в непре­ рывном режиме. Например, для PbSo,sSe0,2 он превыша­ ет 1200 Ггц (900 А).

Применявшиеся для спектроскопических исследова­

ний ПК.Г на основе Pb(S, Se) и РЬТе работали в области 4,7; 5,2 и 6,5 мкм. Лазерные диоды монтировались на. хладопроводе гелиевого криостата и имели температуру около 10°К. Магнитное поле, ориентированное парал­ лельно направлению тока через диод, создавалось высо­ костабильным электромагнитом или сверхпроводящим соленоидом.

Лазер на PbSo,sSeo,2 применялся для получения спектров нескольких линий Р-ветви поглощения окиси углерода. При измерении поглощения, обусловленноголинией Р (7) шириной 147 Мгц, скорость перестройки моды составила 0,8 Мгц/гс для магнитной индукции 11 кгс. Величина скорости перестройки зависит от напря­ женности поля, так как показатель преломления актив­ ной среды изменяется нелинейно с увеличением магнит­ ной индукции.

Соединение PbSo,6Se0,4 использовалось для измерении линии поглощения газа N0 в области 5,22 мкм. В пре­ делах ширины линии поглощения ~ 127 Мгц частота генерации изменялась со скоростью 1,1 Мгц/гс при ин­ дукции 8 кгс.

Для измерения поглощения СН4 с помощью инжекционного лазера на теллуриде свинца также надо учиты­

44

вать нелинейность перестройки частоты генерации в сла­ бых магнитных полях. С увеличением магнитной индук­ ции от 10 до 12 кгс скорость перестройки изменялась от 0,7 до 1,2 Мгц/гс. При больших полях (выше 25 кгс), когда зондируется NO2, частота генерации РЬТе сдвига­ ется в интервале 9 Ггц со скоростью 3,1 Мгц/гс.

Целый ряд молекулярных газов имеет полосы погло­ щения в области 10,6 мкм. Здесь может быть использо­ ван непрерывно излучающий (Sn, РЬ)Те лазер с частот­ ным диапазоном 50 Ггц (190 А). При температуре жидкого гелия токовая перестройка частоты генерации соответствует 10—100 Мгц/ма в зависимости от размеров диода. Поглощение газа SF2 измерялось при давлении 0,1 мм рт. ст. для комнатной температуры. Трубка дли­ ной 10 см с молекулярным газом помещалась между ла­ зерным диодом и германиевым фотодетектором. Реше­ точный спектрометр служил, для выделения отдельной

динная методика. В этом случае ток через диод медлен­ но изменялся, чтобы произвести сканирование частоты генерации в пределах 1 Ггц от максимума линии Р (20) лазера на С02. Измеряя частоту биений между излуче­ нием диода и линией Р(20) газового лазера, можно очень точно привязать определенные линии поглощения газа SF2 к линии Р(20) (944,191 см-1). В дальнейшем эти линии служат вторичным частотным стандартом для других прямых измерений.

В качестве источников излучения для спектральных измерений в области 3—8 мкм применялись также им­ пульсные инжекционные лазеры на основе арсенида ин-

45

3,2—3,1; 5,3—5,0 и 8,5—8,3 мкм для InAs, InSb и PbSe

соответственно. Токи при этом были близки к пороговым, чтобы возбуждалась преимущественно одна мода резонатора. Спектральные измерения проводились с помощью модифицированного монохроматора ИКМ-1, рабочий диапазон которого был расширен путем использования зшелетта, полосовых фильтров и германиевого фотопри­ емника. При изменении напряженности квантующего магнитного поля генерация перескакивает с одной моды на ряд последующих. Более плавное изменение частоты генерации получается при сдвиге отдельной моды. На­ пример, для InAs, в случае когда напряженность магнит­ ного поля перпендикулярна току, скорость перестройки моды составила около 7,3 Мгц/гс для магнитной индук­ ции до 10 кгс.

Интенсивность излучения лазеров заметно превышает яркость глобара (абсолютно черного тела) при темпера­ туре 1700 °К. Действительно, при использовании указан­ ных лазеров в качестве источников излучения удается получить гораздо лучшее спектральное разрешение, чем при использовании глобара.

ПКГ как источники оптической накачки

Свечение газов, жидкостей и твердых тел часто на­ блюдается при оптической накачке — возбуждении ве­ щества под действием света. Лазерные источники света применяются не только для возбуждения свечения веще­ ства, называемого люминесценцией и обусловленного спонтанными переходами, но и для создания инверсной заселенности уровней и получения генерации когерент­

46

ного излучения. Применение лазерных диодов для воз­ буждения твердотельных квантовых генераторов по­ зволяет повысить к.п.д. генерации кристаллов, а также открывает новые пути упрощения и миниатюризации различных квантовых устройств. Для оптической накачки кристаллов можно эффективно применять не только вы­ нужденное когерентное излучение диодов, но и их спон­ танное излучение в режиме до порога генерации.

Возможность такого возбуждения была показана еще в начале 1963 года. С помощью рекомбинационного из­ лучения GaAs диодов возбуждалась линия люминесцен­ ции на длине волны 1,06 мкм трехвалентных ионов не­ одима в CaW04. Одна из областей спектра возбуждения этой линии соответствует интервалу 0,86—0,89 мкм. В эту же область попадает излучение арсенида галлия при 77 °К. Малые размеры и простая конструкция дио­ дов позволяют прямо связать излучение накачки с кри­ сталлическим стержнем без сложной оптики. Кроме того, высокий к.п.д. преобразования входной энергии в выход­ ную может обеспечить интенсивность непрерывного излучения на несколько порядков выше, чем с помощью других источников накачки.

Люминесцирующие диоды использовались для полу­ чения генерации в кристалле фтористого кальция CaF2 с примесью диспрозия и урана. Возбуждение двухвалент­ ных ионов Dy осуществлялось излучением Ga(P, As) диодов на длине волны 0,72 мкм, соответствующей наи­ более сильной полосе поглощения ионов диспрозия. Сто диодов накачки последовательно соединялись по де­ сять штук в десять линейных цепочек, которые распола­ гались вокруг лазерного стержня на монтажном цилинд­ ре. Вся система помещалась в сосуд с жидким гелием. Наиболее низкий ток, достаточный для возбуждения ге­ нерации на длине волны 2,36 мкм, был равен 60 .на. Этосоответствует мощности оптической накачки около

0,1 вт.

47

Для возбуждения лазеров на CaF2 : U3+ использова­ лось рекомбинационное излучение GaAs диодов. В од­ ном из опытов кристаллический стержень длиной 4 см помещался в цилиндрическую осветительную камеру. Излучение диодов направлялось на стержень через щели в стенках камеры. Суммарная мощность накачки состав­ ляла свыше 4 вт. В другом опыте с целью более эффек­ тивного преобразования излучения диодов в стимулиро­ ванное излучение фтористого кальция с ураном на длине волны 2,61 мкм система накачки, состоящая из позо­ лоченной интегрирующей камеры и пяти последователь­ но соединенных инжекционных лазеров, охлаждалась жидким гелием.

Используя подобные системы накачки, к.п.д. генера­ ции можно довести до 40% при согласовании диапазо­ нов излучения диодов и твердотельного лазера. Выде­ ляемое в системе тепло легко отводится, что позволяет повысить частоту повторения импульсов генерации. Вы­ сокий коэффициент преобразования (теоретически до 80%) ожидается для кристаллических лазеров с при­ месью ионов Nd, если использовать излучение в области 0,88 мкм твердых растворов (Ga, In)As.

Успешно осуществлена генерация на кристалле ит- триево-алюминиевого граната при селективной накачке одним GaAs лазерным диодом. Для повышения эффек­ тивности накачки излучение диода, проходящее через стержень, возвращалось обратно позолоченным плоским отражателем. Снижение пороговой энергии возбуждения достигалось путем согласования спектров излучения инжекционного лазера с полосами поглощения YAG : Nd3+ при изменении температуры диода. Настрой­ ка диода на длину волны 8675 А получалась при охлаж­

ходимой при накачке импульсной лампой. Частота повто­ рения импульсов генерации твердотельного лазера до­

48

ходила до 200 гц без заметного разогрева кристалличе­ ского стержня.

Для увеличения оптического пути света возбуждения в кристаллическом стержне использовалась также про­ дольная накачка. В этом случае излучение GaAs гетеро­ лазера направлялось прямо на торец кристалла со спе­ циальным многослойным диэлектрическим покрытием. Покрытие пропускало около 90% излучения арсенида галлия на длине волны 8680 А и почти полностью отра­

пороговая интенсивность возбуждения составляла около

60 мкдж.

Лазер на иттриево-алюминиевом гранате выгодно использовать как устройство накопления энергии, где может быть собрана энергия последовательности импуль­ сов многих лазерных диодов, которая затем выделяется в одном мощном импульсе. Кроме того, лазер на гранате обладает гораздо более высокой направленностью излу­ чения, чем инжекционные лазеры. Его спектральная линия генерации 1,06 мкм уже линии излучения ПКГ. Все это приводит к значительно более высоким значе­ ниям отношения спгнал/шум, чем при непосредственном использовании излучения лазерных диодов.

Другие области применения

Благодаря усовершенствованию источников возбуж­ дения и использованию новых методов модуляции ин­ жекционные лазеры получили в настоящее время широ­