Полупроводниковый лазер с накачкой электронным пучком и способ его изготовления

 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании мощных полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком большого сечения. Целью изобретения является увеличение выходной мощности излучения лазера. Благодаря замене одного из зеркал резонатора лазера поверхностью в виде микрорельефа из уголковых отражателей, усиливается излучение в направлении оси резонатора и подавляется усиление спонтанного шума в направлениях, перпендикулярных оси резонатора, в результате повышается выходная мощность излучения в несколько раз по сравнению с прототипом. 2 с. п. ф-лы. 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании мощных полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком большого сечения. Целью изобретения является увеличение выходной мощности излучения лазера, На фиг.1 изображена структурная схема устройства, разрез; на фиг.2 поверхность рельефа и ход лучей в полупроводниковой пластине. Устройство состоит из массовой сапфировой или кварцевой подложки 1, на которую напылено выходное зеркало 2, к которому прикреплена полупроводниковая пластина 3, разделенная на элементы разрезами 4. Поверхность 5 элементов представляет собой микрорельеф, состоящий из ограненных пирамид. Пирамиды выполнены так, что угол ϕ между основанием пирамиды и ее гранями больше угла i_п угла полного внутреннего отражения луча, падающего вдоль оси пирамиды на ее грань. Подложка 1 служит для фиксации взаимного расположения частей устройства в пространстве, для придания устройству жесткости, для отвода тепла от полупроводниковой пластины 3, а также для крепления устройства к внешнему держателю. Выходное зеркало 2 служит для создания положительной обратной связи и выхода излучения из резонатора. Полупроводниковая пластина 3 является активной средой, в которой при накачке электронным пучком происходит излучательная рекомбинация и осуществляется усиление излучения. Разрезы 4 служат для оптической развязки элементов с целью предотвращения усиления спонтанного шума. Поверхность 5 служит для создания положительной обратной связи посредством полного внутреннего отражения, а также для подавления внутренних мод путем выведения их из резонатора. Лучи "а" (фиг.2), падающие на грани пирамид под углами, большими, чем угол полного внутреннего отражения, претерпевают отражение в направлении выходного зеркала, чем обеспечивается положительная обратная связь для этих лучей. Лучи "б", направление которых сильно отличается от оси пирамиды, претерпевают преломление на ее грани и выходят из резонатора наружу, что эквивалентно отсутствию положительной обратной связи для таких случаев. Устройство работает следующим образом. Пучок электронов от ускорителя с энергией 200-300 кэВ попадает на полупроводниковую пластину 3. Электроны инжектируются через поверхность 5 в активную среду на всю ее глубину, вызывая катодолюминесценцию полупроводника. Вследствие высокой концентрации неравновесных носителей в пластине возникает инверсная заселенность и усиление излучения. Усилению дополнительно способствует обратная связь, созданная оптическим резонатором, образованным зеркалом 2 и поверхностью 5. Разрезы 4 препятствуют усилению спонтанного шума в направлениях, перпендикулярных оси резонатора. Поверхность 5 отражает излучение, падающее под углами α ϕ- i_п, где α угол между направлением луча и осью пирамиды, и пропускает излучение, падающее под другими углами, эффективно выводя излучение внеосевых внутренних мод из резонатора, благодаря чему энергия накачки не тратится на усиление этих мод. Усиленное излучение выводится из резонатора через зеркало 2 и подложку 1. Способ изготовления полупроводникового излучателя осуществляется следующим образом. На подложку 1 из кварца или сапфира напыляют выходное зеркало 2 с коэффициентом отражения, определяемым материалом активного элемента и лежащим в диапазоне 20-70% Далее любым из известных способов определяют кристаллографическую полярность поверхностей полупроводниковой пластины. После этого сторону, соответствующую плоскости (000(000)) (поверхность А), шлифуют, полируют механически и химико-динамически или химико-механически. Затем пластину приклеивают к подложке стороной А к выходному зеркалу с помощью оптического клея. Далее пластину шлифуют до получения необходимой толщины. Оптимальная толщина определяется характеристиками электронного пучка и для энергии электронов 200 кэВ составляет примерно 100 мкм. После этого пластину разрезают на элементы любым известным способом, например с помощью скрайбера. Канавки нарезаются на всю глубину пластины. Затем поверхность (000(000)) пластины травят в концентрированной соляной кислоте в течение 30-60 с при комнатной температуре с последующей промывкой в дистиллированной воде. На этом изготовление излучателя заканчивается. Примером конкретного выполнения устройства является пластина сульфида кадмия толщиной 100 мкм, диаметром 50 мм, наклеенная на подложку из кварца толщиной 5 мм со стороны выходного диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения R 70% Пластина разрезана на элементы размером 1 х 1 мм. Задняя отражающая поверхность резонатора этого устройства представляет собой набор шестигранных пирамид размером от 1 до 4 мкм с углом между основанием и гранью 53^о. Пластина разрезана на квадратные ячейки размером 1 х 1 мм канавками шириной 60 мкм. Устройство генерирует излучение с максимумом на длине волны λ_n 530 нм, длительностью 3 нс, мощностью ≈ 57 МВт. Реализуется способ следующим образом. Подложку изготавливают из пластины плавленного кварца диаметром 55, толщиной 5 мм посредством шлифовки и полировки по любой технологии. Затем на подложку напыляют выходное зеркало с коэффициентом отражения R 70% на длине волны 530 нм. Пластину сульфида кадмия диаметром 50, толщиной 2 мм травят в течение 1 мин, в концентрированной соляной кислоте с последующей промывкой в воде. По внешнему виду поверхностей после травления определяют кристаллографическую полярность поверхностей. Затем поверхность А шлифуют, полируют механически и химико-динамически в потоке соляной кислоты. После этого пластину наклеивают оптическим клеем поверхностью А к той стороне подложки, на которую напылено зеркало. Затем пластину со стороны В шлифуют до достижения толщины 100 мкм и разрезают на элементы размером 1 х 1 мм. Далее поверхность В пластины травят в концентрированной соляной кислоте в течение 60 с при комнатной температуре, а затем промывают в дистиллированной воде. Параметры полученного устройства соответствуют приведенным в примере на устройство.

Формула изобретения

1. Полупроводниковый лазер с накачкой электронным пучком, включающий полупроводниковую пластину из сульфида кадмия, разделенную на элементы перпендикулярными ее поверхности пазами, и оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых глухое, отличающийся тем, что, с целью увеличения выходной мощности излучения лазера, пластина вырезана параллельно базисной плоскости кристалла, а глухое зеркало резонатора расположено на поверхности с элементарной структурой, причем ориентация этой поверхности соответствует кристаллографическому направлению [0001], а рельеф поверхности состоит из пирамид с размерами основания 1 - 10 мкм и углом между основанием и гранью пирамиды большим, чем угол полного внутреннего отражения для луча, распространяющегося под ненулевым углом к оси пирамиды. 2. Способ изготовления полупроводникового лазера с накачкой электронным пучком, включающий изготовление полупроводниковой пластины из сульфида кадмия и оптического резонатора, состоящего из двух зеркал, одно из которых глухое, отличающийся тем, что, с целью увеличения выходной мощности излучения лазера, глухое зеркало изготавливают на поверхности, соответвующей кристаллографическому направлению [0001] путем травления этой поверхности в концентрированной соляной кислоте в течение 30 - 60 с при температуре, соответствующей нормальным условиям.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2