Перестраиваемый полупроводниковый лазер субмиллиметрового диапазона

 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и может быть использовано в технике связи и спектроскопии. Целью изобретения является расширение диапазона непрерывной и линейной по магнитному полю перестройки частоты излучения. Расширение диапазона перестройки достигнуто благодаря найденным экспериментально кристаллографической и взаимной ориентациям электрического и магнитного полей, необходимых для осуществления генерации, и необходимому интервалу концентрации примеси в кристалле. 1 ил.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и может быть использовано в технике связи и спектроскопии. Целью изобретения является расширение диапазона непрерывной и линейной по магнитному полю перестройки частоты излучения. На чертеже дана схема предлагаемого лазера. Лазер содержит активный элемент 1, электрические контакты 2, сверхпроводящий соленоид 3, источник 4 электрического поля и источник 5 питания соленоида. Активный элемент выполнен из германия, легированного примесью р-типа, в форме прямоугольного параллелепипеда и помещен в жидкий гелий внутри сверхпроводящего соленоида. Работает устройство следующим образом. При включении источника питания соленоида внутри него создается постоянное магнитное поле, необходимое для формирования инвертированного распределения носителей заряда и лазерной генерации на циклотронных переходах в системе легких дырок. При подаче импульсов напряжения на электрические контакты активного элемента с помощью источника электрического поля в активном элементе возникает примесный пробой и динамический разогрев носителей заряда, приводящий в присутствии магнитного поля к созданию инверсии в распределении легких дырок по уровням Ландау и лазерной генерации излучения на циклотронных переходах. При изменении напряженности магнитного поля происходит перестройка длины волны излучения. Примером конкретного выполнения устройства является активный элемент из германия с концентрацией примеси галлия 7х10¹³ см³, выполненный в форме прямоугольного параллелепипеда с размерами 3х6х30 мм³. Электрические контакты нанесены на противоположные боковые грани отстоящие друг от друга на 6 мм. Грани образца 3х6 мм² перпендикулярны кристаллографическому направлению (110), а грани 3х30 мм² перпендикулярны направлению, составляющему угол 70^о с кристаллографическим направлением (001) и 20^о с кристаллографическим направлением (110). Активный элемент помещен в жидкий гелий внутри сверхпроводящего соленоида так, что кристаллографическое направление (110) совпадает с направлением магнитного поля. При включении электрического поля напряженностью Е = 2-4 кВ/см реализуется лазерное излучение в виде узкой спектральной линии с шириной менее 0,2 см^-1. При изменении магнитного поля от 16 до 54 кЭ частоты νлинии генерации непрерывно и линейно по магнитному полю перестраивается в диапазоне ν= 30-100 см^-1 λ= 100-350 мкм), что более чем в три раза больше диапазона, достигаемого в прототипе. Большая ширина диапазона перестройки в предложенном лазере достигается благодаря сочетанию трех факторов: взаимной ориентации электрического и магнитного полей, ориентации этих полей относительно кристаллографических солей активного элемента и конкретной концентрации легирующей примеси. Направление магнитного поля совпадает с кристаллографической осью (110). Электрическое поле приложено к плоскопараллельным боковым граням активного элемента, нормаль к которым лежит в кристаллографической плоскости (110) и составляет угол ϕ= 70 ±10^о с направлением (001). При этом из двух симметричных направлений выбирается то, которое составляет 20± 10^о с направлением (110). Такая конфигурация полей примерно соответствует наибольшему различию величин эффективных масс легких и тяжелых дырок в направлении их дрейфового движения, перпендикулярного электрическому и магнитному полям. Конкретные направления и интервалы углов, при которых реализуется лазерная генерация с плавной перестройкой частоты излучения в широком спектральном диапазоне, определены экспериментально. Использование в качестве активного элемента кристалла германия с концентрацией легирующей примеси (8±3) х 10¹³ см³ обеспечивает генерацию монохроматического лазерного излучения с перестройкой частоты в широком спектральном диапазоне. При использовании кристаллов с концентрацией примесей за пределами указанного интервала диапазон перестройки уменьшается. Линейная перестройка частоты обеспечивается тем, что в предлагаемом техническом решении экспериментально измерены зависимости частоты генерации от напряженности магнитного поля при выбранных конфигурациях полей. Найдено, что зависимость близка к линейной, когда напряженность (Н, кЭ) и длина волны ( λ, мкм) связаны соотношением H = где α= 0,54±0,01. Сочетание вышеуказанных условий позволяет на одном активном элементе получить генерацию вынужденного излучения в одночастотном режиме с непрерывной линейной по магнитному полю перестройкой частоты в более широком, чем в прототипе, диапазоне.

Формула изобретения

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА, содержащий установленный в скрещенных электрических и магнитных полях активный элемент из монокристаллического германия с примесью p-типа, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона непрерывной и линейной по магнитному полю перестройки частоты излучения, концентрация примеси выбрана в пределах (8 ± 3) · 10¹³ см^-3, а активный элемент изготовлен в форме прямоугольного параллелепипеда так, что нормаль к его боевым граням лежит в кристаллографической плоскости (110) и составляет угол 70 ± 10^o с кристаллографическим направлением (001) и угол 20 ± 10^o с кристаллографическим направлением (110), причем к этим граням подведено электрическое поле, а магнитное поле приложено так, что его направление совпадает с кристаллографическим направлением (110), и его напряженность H в кЭ связана с длиной λ мкм соотношением где α = 0,54± 0,01.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000        

---