Твердотельный источник электромагнитного излучения



Твердотельный источник электромагнитного излучения
Твердотельный источник электромагнитного излучения

 


Владельцы патента RU 2464683:

Учреждение Российской академии наук институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (RU)

Заявляемое устройство относится к спинтронике и фотонике и предназначено для генерации когерентного и некогерентного электромагнитного излучения в диапазоне террагерцовых частот. Твердотельный источник электромагнитного излучения содержит рабочий слой, выполненный в виде пленки из проводящего ферромагнитного материала, первый электрод из проводящего ферромагнитного материала, контактирующий с рабочим слоем, и второй электрод из проводящего материала, контактирующий с рабочим слоем. Рабочий слой твердотельного источника расположен на подложке из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для излучения рабочего диапазона длин волн. Второй электрод выполнен в виде массивной пластины со сквозным отверстием, расположенной на поверхности рабочего слоя. Первый электрод выполнен в виде стержня с заостренным концом, вставленного в отверстие упомянутой пластины, так что торец его заостренного конца находится в контакте с рабочим слоем. Технический результат заключается в увеличении мощности электромагнитного излучения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Заявляемое устройство предназначено для генерации когерентного и некогерентного электромагнитного излучения в диапазоне терагерцовых частот. Устройство позволяет также генерировать излучение в соседних диапазонах частот: субмиллиметровом и инфракрасном. По своему принципу действия его можно отнести к таким быстро развивающимся направлениям современной электроники, как спинтроника и фотоника.

Миниатюрные твердотельные инжекционные лазеры появились в 1960-70 г. [1, 2]. В них применяют полупроводниковые материалы. Они удобны тем, что накачка осуществляется током, который инжектирует носители зарядов в рабочий слой и создает в нем отрицательную температуру. Инжекция происходит через границу раздела двух различных полупроводниковых материалов. Например, электроны, инжектируемые в дырочный материал, рекомбенируют и излучают в оптическом или ИК-диапазоне. Частота излучения зависит от применяемых полупроводниковых материалов. Устройства могут работать при комнатных температурах.

Известен лазер [3], где введен ферромагнитный материал для инжекции спин-поляризованных электронов в слой полупроводника. Механизм излучения, как и выше, возникает за счет электрон-дырочной рекомбинации. Отличие только в том, что из-за спиновой поляризации электронов излучение поляризовано. Диапазон излучения оптический или ИК.

В настоящее время особый интерес вызывает освоение терагерцового диапазона частот (1012-1013 Гц). Освоение данного диапазона тормозится из-за отсутствия простых и надежных источников такого излучения. Между тем, этот диапазон интересен для применений в диагностике сред, биологии, медицине, для радиосвязи в космосе и в других областях.

Известно устройство [4] для генерации терагерцового излучения за счет переходов носителей заряда между спиновыми энергетическими подзонами в ферромагнитных проводящих материалах. Оно выполнено в виде многослойной структуры, содержащей три слоя из одного ферромагнитного проводящего материала. Первый слой, являющийся инжектором спин-поляризованных электронов, второй слой - рабочий, где и возникает излучение благодаря излучательным переходам носителей зарядов между спиновыми энергетическими подзонами, и третий слой для приема отработавших электронов из второго слоя. Недостаток такого устройства заключается в том, что из-за применения одинакового материала для всех слоев в его рабочем слое нельзя создать высокий уровень спиновой инжекции носителей заряда при достижимой рабочей плотности тока 107-109 А/см2.

Из числа известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является твердотельный источник электромагнитного излучения [5], в котором указанный недостаток преодолевается за счет использования в устройстве слоев из различных ферромагнитных материалов. Первый слой из ферромагнитного проводящего материала (первый электрод) является инжектором спин-поляризованных электронов. Он контактирует со вторым слоем из ферромагнитного проводящего материала (рабочим слоем). Третий слой выполнен из проводящего материала (второй электрод) и контактирует с рабочим слоем. Для достижения необходимой плотности тока 107-109 А/см2, требуемой для работы твердотельного источника электромагнитного излучения, многослойная структура в таком устройстве выполнена в виде столбика с габаритными размерами и, в частности, периметром границы рабочего слоя в десятки нанометров. Это не позволяет пропускать через такую структуру большие абсолютные величины тока в сотни миллиампер, что, в свою очередь, не дает возможности получить в подобном устройстве достаточно большие для практического применения уровни мощности, а также ухудшает его работоспособность и надежность.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении мощности электромагнитного излучения твердотельного источника и увеличении надежности его работы в рабочем диапазоне длин волн, в частности в терагерцовом диапазоне.

Указанная задача решается тем, что в твердотельном источнике электромагнитного излучения, содержащем рабочий слой, выполненный в виде пленки из проводящего ферромагнитного материала, первый электрод из проводящего ферромагнитного материала, контактирующий с рабочим слоем, и второй электрод из проводящего материала, контактирующий с рабочим слоем, рабочий слой из ферромагнитного проводящего материала расположен на подложке из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для излучения рабочего диапазона длин волн, второй электрод выполнен в виде массивной пластины со сквозным отверстием, расположенной на поверхности рабочего слоя, а первый электрод выполнен в виде стержня с заостренным концом, вставленного в отверстие упомянутой пластины, так что торец его заостренного конца находится в контакте с рабочим слоем.

Оптимально периметр L торца заостренного конца первого электрода выбирается из условия

где I - ток, протекающий через твердотельный источник электромагнитного излучения, jn - минимальное значение плотности тока, необходимого для работы твердотельного источника электромагнитного излучения, Δ - толщина рабочего слоя.

Для увеличения мощности электромагнитного излучения может использоваться концентратор магнитного поля в виде шайбы из магнитного материала, прижатой к подложке с противоположной от рабочего слоя стороны.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена конструкция устройства (вид сбоку), на фиг.2 изображены энергетические спиновые подзоны для электронов, имеющих спины противоположной ориентации. Направление вниз - параллельно намагниченности стержня, направление вверх - антипараллельно намагниченности стержня.

Предложенный твердотельный источник электромагнитного излучения (см. фиг.1) содержит первый электрод 1, выполненный в виде стержня из проводящего ферромагнитного материала с заостренным концом, рабочий слой 2, выполненный из ферромагнитного проводящего материала, нанесенного на диэлектрическую или полупроводниковую подложку 3, второй электрод 4, выполненный в виде массивной проводящей пластины, например, из меди с отверстием 5 для прохода стержня 1 к рабочему слою 2, и концентратор магнитного поля 6 в рабочем слое 2, выполненный в виде шайбы из магнитного материала. Желательно для стержня 1 использовать ферромагнитный материал с высокой, ~1, степенью равновесной спиновой поляризации, например сплавы Гейслера. Для рабочего слоя 2 может быть выбран ферромагнетик с небольшой величиной равновесной спиновой поляризации (меньше ~10%), например пермаллой. Подложка 3 должна быть прозрачна для электромагнитного излучения рабочего диапазона длин волн. Контакт торца заостренного конца стержня 1 с рабочим слоем 2, контакт рабочего слоя 2 со вторым электродом 4, а также контакт магнитного концентратора 6 с подложкой 3 может обеспечиваться как механически, за счет прижима, так и иными способами, например холодной пайкой.

Торец острия первого электрода 1 в плане может иметь произвольную форму (окружность, эллипс, многоугольник и тому подобное). При этом протяженность границы торца - его периметр определяется из условия

где I - ток, протекающий через твердотельный источник электромагнитного излучения, jn - минимальное значение плотности тока, необходимого для работы твердотельного источника электромагнитного излучения, Δ - толщина рабочего слоя 2, которая выбирается соизмеряемой с толщиной скинслоя. Стержень служит для подвода электронного потока и является радиатором, охлаждающим рабочую область слоя 2.

В невозмущенном состоянии намагниченность M1 стержня 1 (см. фиг.1) направлена вдоль его оси, намагниченность рабочего слоя 2 на подложке 3 лежит в рабочем слое 2 параллельно плоскости подложки 3 и перпендикулярно оси стержня 1. Контакт стержня 1 с рабочим слоем 2 обеспечивает появление в последнем составляющей намагниченности М2, параллельной оси стержня 1 и имеющей направленность, противоположную M1. Для увеличения этой составляющей используется концентратор 6 магнитного поля, выполненный в виде шайбы из магнитного материала. Внутреннее отверстие шайбы должно соответствовать контуру сечения торца заостренного конца стержня 1. Например, для круглого торца отверстие должно быть круглым. При этом площадь контакта концентратора 6 с подложкой 3 должна быть минимальной. Это достигается тем, что шайба в разрезе имеет вид, например, треугольника, как показано на фиг.1. Возможны и другие варианты формы сечения, например круг, трапеция и т.п.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на первый 1 и второй 4 электроды источника в его цепи возникает электронный поток. Проходя по стержню 1, спины электронов ориентируются главным образом по намагниченности M1, то есть происходит его спин-поляризация. Поляризованный по спину электронный поток вытекает из стержня 1 с намагниченностью М1 и растекается по рабочему слою 2. Большая часть электронов (по оценкам ~70%) имеет спины, параллельные вектору намагниченности стержня М1, остальные электроны (~30%) поляризованы в противоположном направлении. Поляризации электронов обозначены на фиг.2 тонкими стрелками. Стрелки, направленные вниз, означают спиновую поляризацию электронов параллельно намагниченности М1 стержня 1, а стрелки вверх обозначают антипараллельную поляризацию спинов. Выходящий из стержня 1 магнитный поток M1 направлен вдоль его оси. Он пронизывает рабочий слой 2, а также подложку 3 и уходит вниз. Электроны проводимости в рабочем слое 2 испытывают обменное взаимодействие с магнитным потоком. В результате этого взаимодействия электроны со спинами, параллельными М1, опускаются по энергии до уровня, показанного на фиг.2 жирной сплошной линией с минимумом на оси z. Электроны с противоположными спинами увеличивают свою энергию до уровня, показанного штрих-пунктирной жирной линией с максимумом на оси z. Указанные линии показывают фактически энергии покоящихся электронов в подзонах, т.е. дно спиновых подзон. С учетом кинетической энергии инжектированных из стержня 1 электронов они заполняют все состояния между дном подзон и соответствующими квазиуровнями Ферми εF↓ и εF↑, показанными на фиг.2 тонкими пунктирными линиями.

Магнитный поток из стержня 1, в силу его непрерывности, возвращается к стержню 1. Иными словами, с внешней стороны стержня 1 должен формируется «замыкающий» магнитный поток, направленный к противоположному торцу стержня 1. Замыкающий поток в рабочем слое 2 вне стержня 1 создается компонентой намагниченности М2, которая параллельна оси стержня. На фиг.1 эта намагниченность показана двумя жирными вертикальными стрелками вне стержня. При этом замыкающий магнитный поток, в общем случае, пронизывает плоскость, в которой лежит рабочий слой 2 по площади, не имеющей внешней границы. Это существенно снижает намагниченность М2 в рабочем слое, а значит и мощность излучения. Ограничить площадь, пронизываемую замыкающим магнитным потоком от стержня 1, можно с помощью концентратора 6 магнитного поля. В этом случае магнитный поток, вытекающий из стержня 1, пройдя рабочий слой 2 и подложку 3, «фокусируется» в объеме концентратора 6. Наибольший эффект от концентратора 6 достигается, когда магнитный поток из концентратора 6 выходит перпендикулярно плоскости подложки 3, пронизывая ее. Для этого площадь контакта подложки 3 с концентратором 6 должна быть много меньше площади поверхности концентратора 6, противолежащей контакту. Это достигается выбором соответствующей формы поперечного сечения концентратора 6, как указано выше.

Спин-поляризованный электронный поток, выйдя из стержня 1 и проходя рабочий слой 2 за границей стержня 1, взаимодействует с компонентой М2. В результате электроны разделяются по энергиям: электроны со спинами, параллельными М2 и направленными вверх, имеют меньшую энергию, чем электроны с противоположной ориентацией спинов, т.е. направленными вниз. Таким образом, электроны селектируются по энергетическим спиновым подзонам (см. фиг.2).

Для достижения отрицательной спиновой температуры в рабочем слое 2 необходимо иметь высокую плотность спинов вниз. Для этого необходима большая плотность тока 107-109 А/см2. Такая плотность тока достигается следующим образом. Поток электронов, проходящий по стержню 1, спин-поляризуется под действием намагниченности стержня M1. Через торец заостренного конца стержня 1 электронный поток попадает в рабочий слой 2. Здесь он растекается от центра стержня 1 радиально до второго электрода 4. Плотность тока в рабочем слое 2 максимальна у торца стержня 1 по его границе и определяется соотношением (1).

В частном случае, когда торец стержня 1 имеет круглую форму, его периметр L=2Rπ, где R - радиус торца. Оценка для круглого торца стержня 1 показывает, что при электронном потоке 0,1 А, протекающем через стержень 1, плотность тока 107 А/см2 в рабочем слое 2 достигается при R=10 мкм и толщине пленки Δ=10 нм. Опыт работы с заявляемым устройством показывает допустимость протекания и больших значений тока через структуру вплоть до значения 1 А. Возможность пропускания таких токов через заявляемое устройство объясняется тем, что высокая плотность тока наблюдается только в очень малом объеме рабочей области, определяемом длиной спиновой релаксации (20-30 нм). При удалении от стержня 1 плотность тока уменьшается обратно пропорционально расстоянию от центра. В стержне 1 наибольшая плотность тока в R/Δ раз меньше плотности тока, достигаемой в рабочей области слоя 2 по границе торца стержня 1. Работоспособность устройства при таких токах обусловлена еще и тем, что массивный металлический стержень 1 играет роль радиатора, отводящего тепло из рабочей области. Второй электрод 4 дополнительно отводит тепло от рабочего слоя 2. Так как толщина Δ рабочего слоя 2 соизмерима с толщиной скин-слоя на рабочих частотах, то рабочая область слоя 2 представляет собой монолитный излучатель, от которого по всем направлениям в телесный угол 4π распространяется излучение. Электромагнитные волны из рабочей области слоя 2 распространяются в открытое пространство за подложкой 3.

Литература

1. Физическая энциклопедия. Т.1, статья «Гетеролазер», с.445-446. М.: Советская энциклопедия, 1968.

2. Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров. М. 1983.

3. Osipov V.V., Brutkovski A.M. Heterolaserand light emittingsource of polarized radiation. United Stats Patent, 6993056, Januari 31, 2006.

4. Radigrobov A., Ivanov Z., Claeson Т., Shekhter R.I., Jonson M. Gigant lasing effect in magnetic nanoconductors. Europhys. Lett., v.67(6), 946-954, 2004.

5. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Эпштейн Э.М., Панас А.И. Крикунов А.И., Твердотельный источник электромагнитного излучения. Патент РФ №2344528, январь 20, 2009 г.

1. Твердотельный источник электромагнитного излучения, содержащий рабочий слой, выполненный в виде пленки из проводящего ферромагнитного материала, первый электрод из проводящего ферромагнитного материала, контактирующий с рабочим слоем, и второй электрод из проводящего материала, контактирующий с рабочим слоем, отличающийся тем, что рабочий слой расположен на подложке из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для излучения рабочего диапазона длин волн, второй электрод выполнен в виде массивной пластины со сквозным отверстием, расположенной на поверхности рабочего слоя, а первый электрод выполнен в виде стержня с заостренным концом, вставленного в отверстие упомянутой пластины, так что торец его заостренного конца находится в контакте с рабочим слоем.

2. Твердотельный источник по п.1, отличающийся тем, что периметр L торца заостренного конца первого электрода, контактирующего с рабочим слоем, выбран из условия L=I/(jnΔ), где I - ток, протекающий через твердотельный источник электромагнитного излучения, jn - минимальное значение плотности тока, необходимого для работы твердотельного источника электромагнитного излучения, Δ - толщина рабочего слоя.

3. Твердотельный источник по п.1, отличающийся тем, что он содержит концентратор магнитного поля в виде пластины из магнитного материала с отверстием, соосным со стержнем и повторяющим его форму, при этом концентратор прижат к подложке со стороны, противоположной поверхности, на которой расположен рабочий слой.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам со стимулированным излучением, а именно к устройствам для генерации излучения в диапазоне длин волн 1900-2100 нм в непрерывном, импульсном или импульсно-периодическом режимах.
Изобретение относится к технологии получения оптических поликристаллических материалов, а именно фторидной керамики, имеющей наноразмерную структуру и усовершенствованные оптические, лазерные и генерационные характеристики.

Изобретение относится к лазерным материалам, используемым в качестве оптической среды для генерации и/или преобразования лазерного излучения, и представляет собой поликристаллический наноструктурированный оптический фторидный материал.

Изобретение относится к материалам для твердотельных лазеров, преимущественно, к материалам для перестраиваемых лазеров и лазеров со сверхкороткой длительностью импульса.

Изобретение относится к материалам для твердотельных лазеров, а именно к материалам для лазеров с ламповой накачкой. .

Изобретение относится к области материалов электронной техники и может найти применение при создании новых устройств фотоники, квантовой электроники и оптики УФ-диапазона спектра.

Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов и может быть использовано при создании активированных кристаллических материалов с прогнозируемыми свойствами для нужд фотоники, квантовой электроники и оптики.

Изобретение относится к области материалов электронной техники и может найти применение при создании новых устройств фотоники, квантовой электроники и оптики УФ-диапазона спектра.

Изобретение относится к области твердотельных лазеров, в частности к лазерам с лазерной диодной накачкой, и промышленно применимо в медицине и косметологии. .
Изобретение относится к технической физике и нелинейной оптике и может быть использовано при создании параметрических преобразователей частоты лазерного излучения в средний инфракрасный (ИК) и терагерцовый (ТГц) диапазоны спектра

Изобретение относится к полимерным наночастицам, содержащим среду для преобразования фотонов с повышением частоты, и к способу получения таких полимерных наночастиц

Изобретение относится к технологии получения оптических поликристаллических материалов, а именно фторидной керамики, имеющей наноразмерную структуру и усовершенствованные оптические, лазерные и генерационные характеристики

Группа изобретений относится к производству монокристалла алюмотербиевого граната, который может быть использован в качестве фарадеевского вращателя для оптических изоляторов. В монокристалле алюмотербиевого граната часть алюминия, по меньшей мере, заменена на скандий, и часть, по меньшей мере, одного из алюминия или тербия заменена, по меньшей мере, одним компонентом, выбранным из группы, состоящей из тулия, иттербия и иттрия, при этом монокристалл граната представлен общей формулой , причем M представляет, по меньшей мере, один компонент, выбранный из группы, состоящей из Tm, Yb и Y, и x, y и z удовлетворяют следующему соотношению: 0<x+y≤0,30 и 0≤z≤0,30. Данный монокристалл имеет большой коэффициент пропускания света в широком диапазоне длин волн и большой угол фарадеевского вращения при устойчивости к образованию трещин. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 12 пр.

Изобретение относится к области выращивания монокристаллов и может быть использовано в лазерном приборостроении, в частности, для изготовления активных элементов перестраиваемых лазеров среднего инфракрасного (ИК) диапазона, основным применением которых является медицина, спектроскопические исследования, а также контроль загрязнения окружающей среды. Материал для активных элементов перестраиваемых лазеров на основе селенида цинка, легированного хромом, дополнительно содержит примесь магния в концентрации 0,13<х<0,6 и образует твердый раствор замещения Zn1-xMgxSe:Cr2+. Материал характеризуется высоким значением ширины запрещенной зоны ΔEg=(2,85-3,15) эВ. Максимум полосы люминесценции ZnMgSe:Cr2+ наблюдается на длине волны 2,480-2,485 мкм. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к монокристаллу со структурой типа граната, который может быть использован в оптической связи и устройствах для лазерной обработки. Данный монокристалл представлен общей формулой (Tb3-xScx)(Sc2-yAly)Al3O12-z, где 0<x<0,1; 0≤y≤0,2; 0≤z≤0,3, является прозрачным и способен ингибировать образование трещин в процессе резки. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 5 пр.

Изобретение относится к устройствам для усиления когерентного света в лазерных устройствах, а именно к твердотельным активным элементам. Твердотельный активный элемент состоит из последовательно расположенных в корпусе скрещенных пакетов параллельных пластин, каждая пластина состоит из находящихся в оптическом контакте чередующихся активированных и неактивированных слоев одинаковой длины. Толщина неактивированного слоя и ширина активированного слоя равны толщине пластины. Центральная часть торцевых поверхностей неактивированных слоев имеет поглощающее покрытие, а примыкающие к активированным слоям края торцевых поверхностей неактивированных слоев и все торцы активированных слоев имеют просветляющее покрытие. Излучение накачки подводится к активированным слоям через неактивированные слои сквозь отверстия, окна или прозрачные стенки корпуса. Технический результат состоит в уменьшении влияния термооптических эффектов на интенсивность и расходимость лазерных пучков, расширение пределов масштабирования мощности компактных лазеров и оптических усилителей. 5 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Двухмикронный твердотельный лазер содержит резонатор с активной средой и источник оптической накачки, в качестве которой использован твердотельный лазер. Резонатор сформирован из двух зеркал, в качестве активной среды использован кристалл диоксида циркония, стабилизированный иттрием, активированный ионами Ho3+. Технический результат заключается в обеспечении возможности лазерной генерации на длине волны 2,17 мкм. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Импульсно-периодический лазер на неодимовом стекле для накачки мощных титан-сапфировых усилителей включает в себя задающий генератор, предусилитель, систему формирования пучка, изолятор Фарадея, кеплеров телескоп, поляризатор, основной двухпроходный усилитель на стержневых активных элементах из неодимового стекла и удвоитель частоты. Основной двухпроходный усилитель включает в себя одну или несколько пар идентичных квантронов со стержневыми активными элементами из неодимового стекла, установленных последовательно по лучу и запасающих каждая не менее 200 Дж энергии за один импульс накачки, а также линзу, вращатель Фарадея и ВРМБ-кювету, излучение в которую фокусируется упомянутой линзой. Причем между стержневыми активными элементами квантронов внутри каждой пары установлены вращатели поляризации на 90 градусов. Технический результат - разработка импульсно-периодического лазера с энергией импульсов несколько сотен джоулей и частотой их повторения не менее 0,02 Гц для накачки титан-сапфирового мультипетаваттного комплекса. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов для пассивных лазерных затворов, используемых в современных лазерах и лидарах, работающих в области 1,2-1,55 мкм. Кристаллы выращивают методом Чохральского из расплава исходной шихты, в котором в качестве шихты используют полученный методом твердофазного синтеза гадолиний-скандий-алюминиевый гранат состава Gd2,88Sc1,89Al3V0,03O12, причем ванадий вводят в виде оксида V2O5, а процесс выращивания кристалла ведут в среде аргона при давлении в камере 1,2-1,8 атм, затем кристалл отжигают в вакууме 3-5·10-4 мм рт. ст. при температуре 1600°C в течение 3-6 часов. Изобретение позволяет выращивать совершенные кристаллы гадолиний-скандий-алюминиевого граната, легированные катионами ванадия, с коэффициентом поглощения 1,2-2,5 см-1 на длинах волн 1,20-1,55 мкм, обеспечивающие на пассивных лазерных затворах необходимый режим модуляции добротности в импульсном режиме работы. 2 пр.
Наверх