Введение
2
Содержание
6
ГЛАВА 1. Современные представления о свойствах и механизмах генерации
лазерного излучения
Раздел 1.1 Общие принципы действия лазеров
1.1.1 Свойства лазерного излучения.......................................11
1.1.2 Роль оптического резонатора........................................13
1.1.3 Основные механизмы генерации оптического излучения лазером 14
1.1.4 Добротность оптического резонатора.................................18
Раздел 1.2 Полупроводниковые лазеры и светодиоды.
1.2.1 Источники вынужденного излучения...................................21
1.2.2 Условие наличия инверсии заселенностей.............................24
1.2.3 Методы создания инверсной заселенности в полупроводниках...........30
1.2.4 Выходная мощность и коэффициент усиления полупроводникового лазера...................................................................32
Раздел 1.3 Электрические свойства полупроводникового лазера
1.3.1 Зависимость постоянного тока через полупроводниковый диод от
напряжения.............................................................35
1.3.2 Прямая ветвь вольтамперной характеристики.........................37
1.3.3 Обратная ветвь вольтамперной характеристики.......................40
> I
Раздел 1.4 Достоинства и недостатки существующих конструкций лазеров среднего ИК диапазона
1.4.1 Достоинства полупроводниковых лазеров.............................43
1.4.2 Конструкции лазеров среднего ИК диапазона. Лазеры, работающие на
модах шепчущей галереи..................................................45
ГЛАВА 2. Теоретический анализ взаимосвязей между электрофизическими, оптическими и конструктивными характеристиками лазеров, работающих на модах шепчущей галереи.
Раздел 2.1 Теория цилиндрических волноводов. Анализ модовой структуры
излучения лазера..........................................................49
Раздел 2.2 Анализ электрических характеристик лазеров, работающих на модах
шепчущей галереи, на основе математической модели.........................59
Раздел 2.3 Анализ влияния размера мезы на характер протекания тока через структуры с дисковым резонатором .........................................62
4
ГЛАВА 3. Конструкция дисковых лазеров и методика эксперимента.
Раздел 3.1 Конструкция лазеров, работающих на модах шепчущей галереи...................................................................67
і
Раздел 3.2 Изготовление образцов
3.2.1 Процесс эпитаксиального роста лазерных гетероструктур ІпАз/ІпАзБЬР..69
3.2.2 Формирование дискового резонатора для полупроводниковых лазеров на основе гетероструктур 1пАз(8Ь)/1пЛя8ЬР....................................71
3.2.3 Формирование омических контактов на поверхности дисковой структуры.................................................................75
Раздел 3.3 Методика экспериментальных исследований дисковых лазеров 79
ГЛАВА 4. Результаты эксперимента и их обсуждение.
Раздел 4.1 Исследуемые группы дисковых лазеров...........................83
Раздел 4.2 Анализ электрических свойств дисковых лазеров.................84
Раздел 4.3 Спектральные зависимости излучения дисковых лазеров с активной областью на основе ЫАз/ЫАбБЬР гетероструктур, выращенных методом МОГФЭ....................................................................86
5
Раздел 4.4 Спектральные зависимости излучения дисковых лазеров с активной областью на основе ІпАяБЬ гетероструктур, выращенных методом
жидкофазной эпитаксии.....................................................91
Раздел 4.5 Температурные и токовые зависимости излучения лазеров,
работающих на модах шепчущей галереи......................................93
Раздел 4.6 Пороговые характеристики лазеров, работающих на модах шепчущей галереи, с активной областью на основе іпАб/іпАзБЬР
гетероструктур..........................................................100
Раздел 4.7 Анализ зависимости выходной мощности дискового лазера от
плотности тока в активной области........................................103
Раздел 4.8 Спектральные зависимости излучения дисковых лазеров с квантовыми ямами в активной области на основе СаІпАзБЬ/АЮаАзЗЬ, полученные методом молекулярно пучковой эпитаксии........................105
Заключение................................................................109
Список литературы.........................................................112
6
Введение.
Общая характеристика проблемы. Возрастающий в последнее десятилетие интерес к исследованиям механизмов генерации лазерного излучения в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне обусловлен высокой востребованностью разработки лазеров для диапазона 2-5 мкм, в котором находятся характеристические линии поглощения значительного числа широко используемых промышленных и природных газов таких как метан, углекислый газ, окислы азота и др. [1]. В связи с этим весьма актуальны комплексные научные исследования и разработка новых конструкций лазеров для среднего ИК диапазона, которые могут работать при температурах, приближающихся к комнатным.
К настоящему времени не создан лазер среднего ИК диапазона, работающий при комнатной температуре, малогабаритный и пригодный для массового производства. Это связано с тем, что уровень оптических потерь, обусловленных оже-процессами в этом спектральном диапазоне, довольно высок. Одним из способов обойти эту проблему является увеличение добротности резонатора, что, например, используется в поверхностно-излучающих лазерах с вертикальным резонатором (УСЗЕЬ- англ.)[2-6]. Но их основным недостатком, таким же, как и у разработанных к настоящему времени квантово-каскадных лазеров (С^СЬ- англ.), является сложность изготовления таких приборов [7-10]. Для решения проблемы высоких оптических потерь необходимы комплексные, теоретические и экспериментальные научные исследования, являющиеся основой новых физических и технологических подходов к разработке и созданию лазеров среднего ИК диапазона.
Нами была предложена конструкция лазера, принципиальной особенностью которого является использование кольцевого резонатора в виде диска, рабочей модой которого является так называемая «мода шепчущей
9
7
галереи» [11, 12]. В отличие от полосковых конструкций лазеров в лазерах, работающих на модах шепчущей галереи, в дисковых структурах волна распространяется по периметру круглой мезы в узкой активной области (толщина активной области- 0,5 мкм). Излучение выходит из резонатора за счет неоднородностей поверхности. Теоретические и экспериментальные исследования дисковых лазеров показали, что они являются устройствами с существенно более высокой добротностью, до 106, по сравнению с обычными лазерами среднего ИК диапазона [13].
Актуальность темы обусловлена широкими практическими потребностями в разработке средств контроля содержания множества жидких и газообразных веществ, имеющих линии поглощения в среднем ИК диапазоне. Основным недостатком разработанных к настоящему времени квантовокаскадных и полупроводниковых лазеров на вертикальных резонаторах является сложность технологии их изготовления [4-6]. Предложенный нами принцип конструкции лазера для среднего ИК диапазона позволяет существенно снизить требования к чистоте поверхности лазерной структуры и использовать для обработки поверхности мезы методы стандартной литографии
[и].
Целью настоящей работы явилось создание и комплексное исследование лазеров, работающих на модах шепчущей галереи, излучающих в среднем ИК диапазоне.
Основные задачи:
1) С применением методов математического моделирования механизмов генерации ИК излучения, провести теоретический анализ взаимосвязей между оптическими, электрофизическими и конструктивными характеристиками лазеров, работающих на модах шепчущей галереи.
2) Разработать конструкцию и технологию изготовления дисковых лазеров, излучающих в среднем ИК диапазоне.
8
3) На основе комплексного исследования выяснить особенности оптических, электрофизических, температурных характеристик лазеров, работающих на модах шепчущей галереи, различающихся конструктивными параметрами.
Научная новизна и практическая значимость работы. Научные выводы диссертации и результаты теоретического исследования вносят существенный вклад в понимание механизмов генерации лазерного излучения в лазерах, работающих на модах шепчущей галереи, зависимости пространственного распределения плотности тока от размера мезы и расположения контакта. Это позволяет значительно облегчить и ускорить разработку модификаций таких лазеров.
На основе комплексного теоретического и экспериментального исследования выработаны оптимальные конструктивные требования (круглая меза диаметром от 75 до 400 мкм, расположение кольцевого контакта шириной 30 мкм на верхней плоскости мезы) и технологические требования (двойные гетероструктуры 1пЛ5/1пАз8ЬРу электрохимическое травление). Изготовлены серии опытных образцов лазеров, работающих на модах шепчущей галереи, излучающих на длинах волн 2 и 3 мкм. Получены опытные образцы дисковых лазеров, излучающих в среднем РЛС диапазоне при комнатной температуре.
Разработанные лазеры отличаются относительно простой конструкцией, существует доступная технология их изготовления. Это служит основой для практического их применения в промышленном, технологическом, экологическом контроле и медицинской диагностике.
Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, заключение, список цитируемой литературы. Первая глава представляет собой обзор современных представлений о свойствах лазерного излучения и механизмах его генерации. Представлена сравнительная характеристика известных типов и конструкций полупроводниковых лазеров. Во второй главе описываются результаты теоретического анализа структур с дисковым резонатором с применением методов математического моделирования механизмов генерации
9
ИК излучения. Третья глава посвящена описанию методики экспериментальных исследований дисковых лазеров различных конструкций. В данной главе содержатся также сведения о новых методиках, конструктивных решениях, использованных при изготовлении опытных образцов лазеров, а также описание измерительной установки, применявшейся для изучения спектральных характеристик лазеров. В четвертой главе обсуждаются результаты экспериментальных исследований дисковых лазеров, работающих на модах шепчущей галереи.
Результаты проведенного исследования и разработки опытных образцов дисковых лазерных приборов позволяют сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:
1. В дисковых лазерах с активной областью на основе двойных гетероструктур іпАб/іпАбЗЬР происходит генерация ИК излучения на длинах волн около 3 мкм в режиме мод шепчущей галереи, что подтверждается расчетами межмодового расстояния и распределением электрического тока, зависящими от диаметра структуры.
2. Дисковые лазеры среднего ИК диапазона с активной областью на основе ІпАя/ІпАяЗЬР, работающие на модах шепчущей галереи, обладают значительно более низкими пороговыми токами за счет высокой добротности цилиндрических резонаторов и более широким диапазоном рабочих токов по сравнению с полупроводниковыми лазерами среднего ИК диапазона с резонатором Фабри-ІІеро (вплоть до стократного превышения значения порогового тока).
3. В дисковых лазерах диаметром 200 мкм на основе квантоворазмерных гетероструктур СсііпАбЗЬ/АIСаАхЯЬ, созданных методом молекулярно-пучковой эпитаксии, достигается генерация
- Київ+380960830922