Новейшие разработки в лазерной технике.

2.1 Ультраширокополосный полупроводниковый лазер

Ученые, исследовательского подразделения Lucent Technologies, создали первый в мире полупроводниковый лазер, способный давать устойчивое излучение в сверхшироком спектре инфракрасного диапазона. Результатом их работы стало совершенно новое устройство, которое по своим возможностям значительно превосходит все предыдущие разработки в области широкополосных лазеров, может найти потенциальные применения среди большого числа прикладных задач: от оптических коммуникаций до чувствительных химических детекторов. А технология, использованная при создании нового лазера, может стать базовой для будущих высокопроизводительных лазеров для оптоволоконных линий связи и ряда других высокотехнологичных приложений. Ультраширокополосный полупроводниковый лазер может быть использован для создания сверхчувствительных и универсальных детекторов, способных определять, например, остаточное загрязнение атмосферы микрочастицами, он также может использоваться для выпуска новых средств медицинской диагностики, таких как, анализаторы дыхания.

Обычные полупроводниковые лазеры являются довольно удобными источниками света. Они компактны, прочные и, зачастую, мобильные. К тому же они обладают высокой выходной мощностью излучения. Тем не менее, полупроводниковые лазеры представляют собой типичные узкополосные устройства, генерирующие излучение с постоянными характеристиками световой волны.

Широкополосные лазеры по отношению к обычным обладают важным преимуществом: они надежно функционируют в широком диапазоне волн даже при значительном изменении рабочих условий. Собственно добиться такой устойчивой работы и являлось основной целью исследователей.

Для создания нового лазера ученые использовали свыше 650 слоев стандартных полупроводниковых материалов, используемых в фотонике. Получилось что-то вроде многослойного сэндвича. Затем эти слои были скомпонованы в 36 групп. Каждая такая группа слегка отличалась от других по своим физическим свойствам, и световой поток распространялся в более узком волновом диапазоне. Но совокупная работа этих групп позволила добиться устойчивого широкополосного лазерного излучения.

Новый лазер относится к классу высокопроизводительных полупроводниковых устройств, известному как «каскадные лазеры». Работают такие устройства как своеобразный «электронный водопад». Когда электрический ток течет по лазеру, электронные каскады ступенчато уменьшают энергию. Каждый раз, когда перескакивается ступенька, излучается фотон в инфракрасном диапазоне. Эмитированные фотоны отражаются от полупроводниковых резонаторов, которые содержат электронные каскады, что в свою очередь приводит к эмиссии новых фотонов. Этот расширяющийся процесс позволяет достичь высокой выходной энергии.

Ультраширокополосные лазеры излучают 1,3 Вт на пике энергии в инфракрасном диапазоне 6-8 мкм. Однако, диапазон длин волн может быть как увеличен, так и уменьшен. Диапазон 6-8 мкм был выбран для убедительной демонстрации сути идеи. Вполне вероятно, что в будущем будут изготавливать лазеры, необходимые для индивидуальных приложений, включая, например, и волоконно-оптические.

 

2.2. Лазер на парах меди

 

Лазер на парах меди или сокращённо ЛПМ излучает две спектральные линии: зелёную с длиной волны 510 нм и жёлтую - 578 нм. Это излучение испускается возбуждёнными атомами меди, когда они переходят из резонансного состояния (энергия возбуждения около 3,8 эВ) в метастабильные состояния (энергия возбуждения соответственно 1,39 эВ и 1,64 эВ). Этот класс спектральных переходов (с резонансного на метастабильные уровни или r - m переходы) используется для получения лазерной генерации не только в ЛПМ, но и в лазерах на парах других металлов: марганца, золота, бария, свинца, таллия и др. Интерес к таким лазерным переходам возник давно и он связан с возможностью получения эффективной генерации видимого излучения в газовом разряде, в котором возбуждение атомов происходит в столкновениях с электронами. Это обусловлено, по крайней мере, двумя обстоятельствами. Во-первых, резонансные состояния возбуждаются в газовом разряде, что обеспечивать "перехват" значительной части энергии, вводимой в плазму разряда, верхними рабочими лазерными уровнями. Во-вторых, метастабильные нижние рабочие уровни имеют наименьшую энергию возбуждения по сравнению со всеми остальными возбуждёнными уровнями, что обеспечивает высокую долю использования "перехваченной" резонансным уровнем энергии в канале генерации.

Впервые генерация на таких переходах была получена в парах марганца (зелёная и инфракрасная области спектра) и парах свинца (красная область спектра) в 1965 г. Несколько позже была получена генерация и в парах меди. Исследования этих, да и других, полученных впоследствии, генераций на r-m переходах в парах различных металлов подтвердили все ожидаемые характеристики и особенности такого класса лазеров. Так коэффициент преобразования электрической энергии в световую для этих лазеров в десять раз выше, чем для таких широко известных лазеров как "аргоновый" и "гелий-неоновый". Сугубо импульсный характер генерации, что связано с метастабильностью нижнего уровня лазерного перехода.

Обычно длительность импульсов излучения не превышает 10-30 нс и они возникают на самом переднем фронте импульсов возбуждения. Жёсткие требования на систему импульсного питания таких лазеров, которая должна обеспечивать мощные высоковольтные наносекундные импульсы с крутизной нарастания тока 10⁹-10¹⁰ А/с. Обычно для возбуждения этих лазеров используют разряд конденсатора небольшой ёмкости (1-5 нФ), заряженного до напряжения 1-15 кВ. Коммутатором разряда служит импульсный водородный тиратрон. Индуктивность разрядного контура таких лазеров должна быть достаточна малой, чтобы обеспечивать требуемую крутизну нарастания импульсов тока.

Обычно усиление столь велико, что мощное вынужденное излучение формируется активной средой либо только с одним зеркалом резонатора, либо совсем без зеркал. Усиление в линейном режиме может достигать величин 400-600 дБ/м. Поэтому требования на качество зеркал резонатора для этих лазеров существенно ниже, чем для всех других лазеров. Обычно в качестве выходного зеркала резонатора в этих лазерах используется прозрачная стеклянная пластинка с отражением 4- 8%.

 

2.2.1. Характеристики саморазогревных лазеров на парах меди

 

Существенный прорыв в плане разработки ЛПМ для практического применения был сделан сотрудниками Физического института им. П.Н.Лебедева АН СССР в 1972г. Ими был разработан ЛПМ в так называемом саморазогревном режиме работы. В конструкции такого лазера нагревательная печь отсутствовала, а рабочая температура газоразрядной трубки (ГРТ) достигалась за счёт энергии импульсного разряда, который возбуждал генерацию. Выходная средняя мощность (Р_вых) этого лазера 15 Вт, частота повторения импульсов 15-18 кГц. Энергия в импульсе излучения достигала 1 мДж при пиковой (импульсной) мощности 100 кВт. Практическая эффективность генерации, рассчитанная из энергопотребления от источника питания, достигала 1%.

ГРТ наполняется буферным газом, обычно неоном, при давлении 30-100 мм рт.ст. Металлическая медь помещается внутри ГРТ на её стенки. При включении электрического разряда в трубе выделяется тепловая энергия, которая её нагревает. При достижении Т₁=1300-1350⁰С давление насыщенных паров меди в плазме трубки становится достаточным для того, чтобы началась генерация на оптических переходах в атомах меди.

По мере дальнейшего разогрева трубки плотность атомов меди в разряде увеличивается, увеличивается также и мощность генерации Р_вых. Оптимальная плотность атомов меди в плазме разряда при которой Р_вых максимальна достигается обычно при Т₁=1500-1550⁰С. Время разогрева ГРТ до рабочих температур определяется мощностью, вводимой в плазму разряда, и тепловой инерцией ГРТ. Обычно, для лазеров небольшой мощности (Р_вых < 20 Вт) это время 30-40 мин. Очевидно, для практических применений Р_вых не должна меняться значительным образом в течение длительного времени. Для этого параметры теплоизоляции и конструкция лазера должны быть согласованы так, чтобы рабочая температура ГРТ Т₁ достигалась в стационарном тепловом режиме

Стационарный тепловой режим устанавливается при уравнивании тепловых потоков, отводимого через боковую поверхность ГРТ и вводимого в плазму разряда. Ясно, что изменение любого из этих потоков, например, отводимого от ГРТ за счёт изменения комнатной температуры, приведёт к изменению Т₁ и Р_вых. Поэтому, стабильность величины Р_вых определяется в этом случае температурной зависимостью Р_вых. Если в процессе эксплуатации лазера требуется более высокая стабильность Р_вых, то необходимо устанавливать специальные системы стабилизации Р_вых.

ЛПМ излучает жёлтую и зелёную спектральные линии одновременно. Для многих применений, особенно в медицине, требуется только одна из них.

Существует несколько технических приёмов, с помощью которых можно пространственно разделить эти линии. При этом надо учитывать, что Р _вых = Р^з _вых+ Р^ж _вых, где Р^з _вых - выходная мощность зелёного излучения, а Р^ж _вых - выходная мощность жёлтого излучения. Обычно для ЛПМ соотношение мощностей на этих двух линиях излучения зависит от температуры ГРТ. В начале температурного диапазона генерации излучается только зелёная линия. По мере разогрева появляется генерация и на жёлтой линии, а в оптимальном режиме Р^ж _вых=0,4 Р^з _вых. Только для некоторых промышленных ГРТ, выпускаемых НПО "Исток", в оптимальном режиме Р^з _вых= Р^ж _вых.

Внешний вид ГРТ представлен на рис. 2.1, конструкция - на рис. 2.2.

Рис. 2.1. Внешний вид отпаянного саморазогревного ГРТ

К электродному узлу со знаком «-» (катод, см. рис. 2.2), подключается импульсное высоковольтное напряжение для питания ГРТ, к электроду со знаком «+» (анод) — «земля», обычно через обратный коаксиальный токопровод для уменьшения индуктивности разрядной цепи. Основными узлами конструкции АЭ (рис. 2.2) являются разрядный канал, включающий генераторы 2 и конденсоры паров меди 3; электроды 4 и 5; теплоизоляторы 6 и 7; вакуумноплотная оболочка 8;втулки 9 для соединения канала с электродными узлами; концевые стеклянные секции 10,включающие стеклянные штенгеля 11 для откачки и тренировки ГРТ и окна 12для выхода лазерного излучения.
После окончания тренировки ГРТ штенгеля отпаиваются.

12 11

 

 

Рис. 2.2. Конструкция отпаянного саморазогревного: 1 - разрядный канал; 2 - генераторы паров меди; 3- конденсоры паров меди; 4 - катод; 5 - анод; 6и 7 - теплоизоляторы; 8 - вакуумноплотная оболочка; 9 - соединительные втулки; 10 - концевые секции; 11 - штенгеля; 12 - выходные окна

 

2.3. Нанолазеры

 

Нанолазеры — это полупроводниковые наногетероструктуры, где приставка «нано-» говорит только о размере, нанометр равен 10 в степени - 9 метра. Сама гетероструктура - это монокристалл, для создания которого используются два различных по своему химическому составу материала: в полупроводник вставлен чужеродный слой так, что граница между разными материалами является бездефектной. Дальнейший прогресс в развитии полупроводниковых лазеров был связан с кванторазмерными эффектами в тонких пленках, поскольку прогресс в снижении ключевого показателя эффективности, порогового тока, фактически остановился. Это обусловлено тем, что область потенциальных носителей заряда в узкозонном слое оставалась достаточно толстой. Однако если этот слой сделать достаточно тонким, то электрон будет испытывать интерференцию (взаимодействовать с другими пучками электронов), подобно свету на тонкой бензиновой пленке. На практике это приводит к увеличению мощности светового потока геторолазера, что создает возможность его использования в устройствах хранения данных. Появление новых физических свойств у нанолазера приводит к возможности записи на CD больших объемов информации (рис.2.3).

 

 

Рис. 2.3. Принципиальная схема нанолазера.

 

Промышленные лазеры на гетероструктурах пока остаются «полосковыми», то есть излучение в них происходит параллельно плоскости поверхности (горизонтально). Несмотря на хорошие показатели этих лазеров - большую мощность (12 Вт, 100 мкм апертура), большую плотность мощности (40 МВт/см2) и доступность для получения на различных подложках, будущее записывающих устройств все же за вертикальными лазерами (свет распространяется вертикально вверх, перпендикулярно плоскости). Физика здесь та же самая, но отражательная способность должна быть значительно выше. Эти лазеры температурно стабильны, хорошо интегрируются, поскольку могут быть очень маленькими (до микронных размеров). Кроме того, они достаточно дешевы.

Вертикальный лазер геометрически работает, как световод, только с идеальным качеством спектра, узкой диаграммой направленности, высокой эффективностью. Можно создавать матрицы, устанавливая много лазеров на пластину. Однако вертикальные лазеры пока коммерчески доступны только на GaAs (арсенид галия).

Уже реализован вертикальный лазер в ультрафиолетовом диапазоне, который нужен для оптической записи. Такой лазер имеет оптическую накачка, но обнадёживающие результаты достигнуты при токовой (инжекционной) накачке. Это реализация вертикального лазера на основе широкозонного материала GaN, в который вставлены ряды плотных массивов очень маленьких квантовых точек InGaN. Перед учеными встала задача оптимизации работы самой установки. Прорыв в этой области связан с российскими учеными лаборатории Жореса Алферова в 1993 г. удалось впервые создать лазер на квантовых точках и достигнуть большого прогресса в его совершенствовании. Лазер на квантовых точках стал более мощным. Основным преимуществом таких лазеров является возможность создания на их основе сложных оптоэлектронных интегральных схем на одном кристалле.