Дипломы, курсовые, рефераты, контрольные...
Срочная помощь в учёбе

Полупроводниковые лазеры среднего инфракрасного диапазона, работающие на модах шепчущей галереи

Диссертация: Полупроводниковые лазеры среднего инфракрасного диапазона, работающие на модах шепчущей галереи
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

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 квантово-каскадных и полупроводниковых лазеров на вертикальных резонаторах является сложность технологии их изготовления. Предложенный нами принцип конструкции… Читать ещё >

Содержание

  • ГЛАВА 1. Современные представления о свойствах и механизмах генерации лазерного излучения
  • Раздел 1. 1 Общие принципы действия лазеров
    • 1. 1. 1. Свойства лазерного излучения
    • 1. 1. 2. Роль оптического резонатора
    • 1. 1. 3. Основные механизмы генерации оптического излучения лазером
    • 1. 1. 4. Добротность оптического резонатора
  • Раздел 1. 2 Полупроводниковые лазеры и светодиоды
    • 1. 2. 1. Источники вынужденного излучения
    • 1. 2. 2. Условие наличия инверсии заселенностей
    • 1. 2. 3. Методы создания инверсной заселенности в полупроводниках
    • 1. 2. 4. Выходная мощность и коэффициент усиления полупроводникового лазера
  • Раздел 1. 3 Электрические свойства полупроводникового лазера
    • 1. 3. 1. Зависимость постоянного тока через полупроводниковый диод от напряжения
    • 1. 3. 2. Прямая ветвь вольтамперной характеристики
    • 1. 3. 3. Обратная ветвь вольтамперной характеристики
  • Раздел 1. 4 Достоинства и недостатки существующих конструкций лазеров среднего ИК диапазона
    • 1. 4. 1. Достоинства полупроводниковых лазеров
    • 1. 4. 2. Конструкции лазеров среднего ИК диапазона. Лазеры, работающие на модах шепчущей галереи
  • 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
  • Раздел 2. 2 Анализ электрических характеристик лазеров, работающих на модах шепчущей галереи, на основе математической модели
  • Раздел 2. 3 Анализ влияния размера мезы на характер протекания тока через структуры с дисковым резонатором
  • ГЛАВА 3. Конструкция дисковых лазеров и методика эксперимента
  • Раздел 3. 1 Конструкция лазеров, работающих на модах шепчущей галереи
  • Раздел 3. 2 Изготовление образцов
    • 3. 2. 1. Процесс эпитаксиального роста лазерных гетероструктур ЫАз/ЫАзБЪР
    • 3. 2. 2. Формирование дискового резонатора для полупроводниковых лазеров на основе гетероструктур 1пАб (8Ь)/1пАз8ЪР
    • 3. 2. 3. Формирование омических контактов на поверхности дисковой структуры
  • Раздел 3. 3 Методика экспериментальных исследований дисковых лазеров
  • ГЛАВА 4. Результаты эксперимента и их обсуждение
  • Раздел 4. 1 Исследуемые группы дисковых лазеров
  • Раздел 4. 2 Анализ электрических свойств дисковых лазеров
  • Раздел 4. 3 Спектральные зависимости излучения дисковых лазеров с активной областью на основе ЫАз/МАбБЬР гетероструктур, выращенных методом МОГФЭ
  • Раздел 4. 4 Спектральные зависимости излучения дисковых лазеров с активной областью на основе ЬгАяБЬ гетероструктур, выращенных методом жидкофазной эпитаксии
  • Раздел 4. 5 Температурные и токовые зависимости излучения лазеров, работающих на модах шепчущей галереи
  • Раздел 4. 6 Пороговые характеристики лазеров, работающих на модах шепчущей галереи, с активной областью на основе ЫАб/ЫАбЗЪР гетероструктур
  • Раздел 4. 7 Анализ зависимости выходной мощности дискового лазера от плотности тока в активной области
  • Раздел 4. 8 Спектральные зависимости излучения дисковых лазеров с квантовыми ямами в активной области на основе Са1пАя5Ь/АIОаАзБЬ, полученные методом молекулярно пучковой эпитаксии

Полупроводниковые лазеры среднего инфракрасного диапазона, работающие на модах шепчущей галереи (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

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 (УС8ЕЬангл.)[2−6]. Но их основным недостатком, таким же, как и у разработанных к настоящему времени квантово-каскадных лазеров (С^СЬангл.), 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 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 квантово-каскадных 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 [11].

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.

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? пАб/ЫАзБЬР, 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 ИК 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.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А. Ю. Кислякова, Н. С. Аверкиев. Дисковые полупроводниковые лазеры. Тезисы докладов Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов, Санкт-Петербург, ч. IV, с. 172, 2004.

2. В. В Шерстнев, A.M. Монахов, А. П. Астахова, А. Ю. Кислякова, Ю. П. Яковлев, Н. С. Аверкиев, G. Hill, A. Krier. Полупроводниковые WGM лазеры среднего инфракрасного диапазона. Физика и техника полупроводников. 2005, том 39, № 9.

3. А. Ю. Кислякова, В. В Шерстнев, A.M. Монахов, Ю. П. Яковлев, Н. С. Аверкиев. Эффект WGM в полупроводниковых лазерах. Тезисы докладов Международной школы-семинара по фундаментальной физике для молодых ученых «Квантовые измерения и физика мезоскопических систем», г. Владимир-г. Суздаль, с. 36, 2005.

4. В. В Шерстнев, A.M. Монахов, А. Ю. Кислякова, Ю. П. Яковлев, Н. С. Аверкиев. Эффект WGM в полупроводниковых лазерах. Известия РАН. Серия Физическая. Том 70 № 3, 2006, стр. 364.

5. Н. С. Аверкиев, В. В. Шерстнев, А. М. Монахов, Е. А. Гребенщикова, А. Ю. Кислякова, Ю. П. Яковлев, A. Krier, D.A.Wright, Физические принципы работы полупроводниковых дисковых лазеров. Физика низких температур. Том 33, выпуск 2−3, с. 378−387, 2007.

6. Н. С. Аверкиев, В. В. Шерстнев, А. М. Монахов, А. Ю. Кислякова, Ю. П. Яковлев, A. Krier. Полупроводниковые WGM лазеры, приглашенный доклад. XVI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников. Екатеринбург, Россия, 27 февраля- 4 марта, 2006 г. Программа и тезисы докладов, стр. 40.

7. А. Ю. Кислякова. Полупроводниковые WGM лазеры среднего инфракрасного диапазона. Международная зимняя школа по физике полупроводников 2007, Россия, г. Санкт-Петербург. Программа и тезисы, стр. 20.

8. А. Ю. Кислякова. WGM лазеры среднего ИК диапазона. 5ый Международный симпозиум по квантовой теории и симметрии. Испания, Валлидолид, 21−29 июля, 2007 г.

9. А. Ю. Кислякова. WGM лазеры среднего ИК диапазона. Международная школа по нанофотонике. Италия, Маратеа, 14−22 сентября, 2007 г.

В заключении я считаю своим долгом выразить глубокую благодарность за руководство и помощь на всех этапах работы моему научному руководителю профессору, доктору физико-математических наук Никите Сергеевичу Аверкиеву.

Я хочу поблагодарить заведующего лабораторией Физической и функциональной микроэлектроники Рубена Павловича Сейсяна за постоянный интерес и помощь в создании этой работы.

Особую благодарность хочу принести заведующему лабораторией Инфракрасной Оптоэлектроники Юрию Павловичу Яковлеву за сотрудничество, помощь и поддержку на всех этапах работы.

Также выражаю глубокую благодарность Андрею Марковичу Монахову за помощь на всех этапах работы, постоянное внимание и поддержку.

Я рада выразить признательность моим коллегам в лице Анастасии Павловны Астаховой, Елены Александровны Гребенщиковой, Сергея Сергеевича Кижаева, Виктора Вениаминовича Шерстнева за постоянное внимание, плодотворные дискуссии и помощь в работе.

Заключение

.

Показать весь текст

Список литературы

  1. J.H.Park, L.S.Rothman, C.P.Rinsland, H.M.Pickett, D.J.Richardson and J.S.Nankung «Atlas of Absorption Lines From 0 to 17900cm"1», NASA Reference Publication, (1987).
  2. A.I.Nadezhdinskii «New generation of tunable diode laser based systems», Infrared Physics and Technology, 37(1), p. 99−104, (1996).
  3. A.F.J.Levi, RJE. Slusher, S.L.McCall, S.J.Pearton, and W.S.Hobson «Room-temperature lasing action in Ino.51Gao.49P/Ino.2Gao.8As microcylinder laser diodes», Appl. Phys. Lett., 62, 2021, (1993).
  4. A.A.Allerman «Ю-stage cascaded InAsSb quantum well laser at 3.9», Electron. Lett., 34, p. 369, (1998).
  5. Z.Feit et al. «МВЕ grown buried heterostructure separate confinement quantum well PbEuSeTe/PbSnTe tunable diode lasers», Spectrohim. Acta A, 52, p. 851, (1996).
  6. F.Capasso et al. «Quantum cascade lasers», Electron, lett., 30, p. 865, (1994).
  7. S.Anders, W. Schrenk, E. Gornik, and G. Strasser «Room-temperature operation of electrically pumped quantum-cascade microcylinder lasers», Appl. Phys. Lett., 80, 4094, (2002).
  8. Б. Миллиган «Лазеры VCSEL открывают новые возможности», Сети и системы связи, вып. 5, (2005).
  9. J. Faist et al. «Quantum cascade lasers», Science, 264, p. 553, (1994).
  10. C.Sirtori, H. Page, C. Becker «GaAs-based quantum cascade lasers», Philos. Trans. R.Soc., 359, p. 505, (2001).
  11. V.V.Sherstnev, A. Krier, A.M.Monakhov, G. Hill «Mid-infrared ring laser», Electron. Lett., 39, 916, (2003).
  12. V.V.Sherstnev, A.M.Monakhov, A. Krier and D.A.Wright «InAs whispering gallery mode lasers for the mid-infrared spectral range», IEEProc. Optoelectronic, 152 (1), 1, (2005).
  13. D.A. Cohen, M. Hossein-Zadeh, A.F.J. Levi «Microphotonic modulator for microwave receiver», Electron. Lett. 37, 300, (2001).
  14. К.С. Уиллетт Справочник по лазерам / Под. ред. A.M. Прохорова.-М.: Сов. Радио, 1978, Т.1
  15. , Т. Полупроводниковая оптоэлектроника. Пер. с англ. / Т. Мосс, Г. Баррел, Б. Эллис. Под ред. С. А. Медведева — м.: Мир, 1976
  16. Ю.И. Оптические свойства полупроводников. ЗУГ.: Наука, 1977.
  17. Я.А., Основы физики полупроводниковых приборов, «Советское радио», М., 1969.
  18. Я.И. Основы динамики лазеров / Я. И. Ханин.- М.: Наука. Физматлит, 1999,
  19. Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: Мир, 1982.
  20. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов. М., «Энергия», 1973.
  21. Дж. Принципы теории твердого тела. М.: Мир, 1966. Ансельм А. И. Введение в физику полупроводников. М., Наука, 1978.
  22. И.М., Стафеев В. И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Сов. радио, 1980.
  23. В.И. Некоторые проблемы микроэлектроники/ Под ред. Ф. В. Лукина. М.: Сов. радио, 1967, вып. 1, с.5
  24. Rayleigh J.W.S. The Theory of Sound, 1887. Reprinted by Dover in 1945 (New York: Dover)
  25. Rayleigh J.W.S. The problem of the whispering gallery, 1910. Phil. Mag 20 1001−4.
  26. Л.Е.Воробьев, С. Н. Данилов, Ю. В. Кочегаров, В. Н. Тулупенко, Д. А. Фирсов «Характеристики лазера дальнего инфракрасного диапазона на горячих дырках в германии в конфигурациях полей Фогта и Фарадея», ФТП, 31(12), (1997).
  27. Ю.А.Морозов, И. С. Нефедов, В. Я. Алешкин «Нелинейное преобразование частоты в лазере с двойным вертикальным резонатором», ФТП, 38(11), (2004).
  28. В.В., Монахов A.M., Кислякова А. Ю., Яковлев Ю. П., Аверкиев Н. С. «Полупроводниковые WGM лазеры», Известия РАН, серия физическая, 70(3), с. 364 (2006).
  29. А.П.Астахова, Н. Д. Ильинская, А. Н. Именков, С. С. Кижаев, С. С. Молчанов, Ю. П. Яковлев, Физика и техника полупроводников, 39 (4), 497, (2005).
  30. Т.И.Воронина, Т. С. Лагунова, С. С. Кижаев, С. С. Молчанов, Б. В. Пушный, Ю. П. Яковлев «Выращивание и легирование магнием слоев InAs методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений», ФТП, 38(5), (2004)
  31. Е.А.Гребенщикова, Н. В. Зотова, С. С. Кижаев, С. С. Молчанов, Ю. П. Яковлев «InAs/InAsSbP светоизлучающие структуры, выращенные методом газофазной эпитаксии», ЖТФ, 71(9), (2001). Y.P.Yakovlev, K.D.Moiseev, M.P.Mikhailova, A.M.Monakhov,
  32. A.Astakhova, V.V.Sherstnev «High-power mid-infrared lasers based on type-II heterostructures with asymmetric band offset confinement» Proc. SPIE 3947, 144, (2000).
  33. В.В., Монахов A.M., Кислякова А. Ю., Яковлев Ю. П., Аверкиев Н. С., «Полупроводниковые WGM лазеры» Известия РАН, серия физическая, 70 (3), с. 364 (2006)
  34. N.S.Averkiev, V.V.Sherstnev, A.M.Monakhov, E.A.Grebenshikova,
  35. A.Yu.Kislyakova, Yu.P.Yakovlev, A. Krier, and D.A.Wright. Low Temperature Physycs, 33 (2−3), 283 (2007)
  36. E.A., Литвак A.M., Шерстнев B.B., Яковлев Ю.П./ Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. В. 15. С. 27−33.
  37. Astakhova А.Р., Imenkov A.N., Danilova T.N., Sherstnev V.V., Yakovlev Yu.P.// Spectrochimica Acta. Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. V.66. Iss. 4−5. April 2007. p.824−831.
  38. Н.Д., Журтанов Б. Е., Астахова А. П., Именков А. Н., Яковлев Ю.П.// ФТП. 2003. Т.37, в. 8, стр. 996−1009.
  39. Е.А., Шерстнев В. В., Кижаев С. С., Яковлев Ю.П./ Письма в ЖТФ. 2008, том 34, вып. 8, стр. 54−58.
  40. Г. Г., Михайлова М. П., Данилова Т. Н., Именков А. Н., Моисеев К. Д., Шерстнев В. В., Яковлев Ю.П.//ФТП, 1999, Т. ЗЗ, В. З, С.351−256
  41. С.С.Кижаев, М. П. Михайлова, С. С. Молчанов, Н. Д. Стоянов, Ю. П. Яковлев Выращивание InAs фотодиодных структур из металлорганических соединений. ПЖТФ, 1998, том 24, выпуск 7.
  42. А.П. Перестраиваемые лазеры на основе гетероструктур InAsSb/TnAsSbP работающие в спектральном диапазоне 3−4 мкм.
  43. S.Kim, M. Erdtmann, D. Wu, E. Kass, H. Yi, J. Diaz, and M. Razeghi, Appl. Phys. Lett., 69(11), 1614 (1996).
  44. С.С.Кижаев, М. П. Михайлова, С. С. Молчанов, Н. Д. Стоянов, Ю. П. Яковлев, «Выращивание InAs фотодиодных структур из металлорганических соединений», ПЖТФ, 24(7), (1998).
Заполнить форму текущей работой

Заказал и сдал!