CC BY
14
УДК 537.5:535.376
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ МИШЕНИ ГАЗОВОГО ДИОДА В ПИКОСЕКУНДНОМ ДИАПАЗОНЕ
А. С. Насибов1, К. В. Бережной1, М.Б. Бочкарев2, А. Г. Садыкова2, С. А. Шунайлов2, М. И. Яландин2
При возбуждении генерации лазерного излучения в полупроводниковой мишени (ПМ) из сульфида кадмия (А = 522 нм) высокоинтенсивным субнаносекундным электронным пучком (ЭП) с энергией 70... 150 кэВ, максимальная интенсивность лазерного излучения достигала 3 ■ 107 Вт/ем2 при эффективности ~10%. Генерация возникала на фронте возбуждающего импульса ЭП. Форма импульса лазерного излучения повторяла форму импульса ЭП.
Ключевые слова: газовый диод, полупроводники, взрывная электронная эмиссия, лазерная генерация.
Возбуждение генерации лазерного излучения в полупроводниках электрическим разрядом или электронным пучком (ЭП) в пикосекундном диапазоне представляет научный и практический интерес, т.к. связанно с комплексной задачей формирования пикосекундных импульсов (10-11 — 10-10 с) высокой интенсивности (108 — 109 Вт/см2) [1] и исследования физических процессов в полупроводниковой мишени (ПМ) [2-4]. Столь высокую интенсивность возбуждающих импульсов обеспечивает устройство, состоящее из генератора субнаносекундных импульсов и камеры газонаполненного диода [5]. Источником высокоинтенсивного (103 — 104 А/см2) электронного пучка (ЭП) является взрывная электронная эмиссия [6-9]. Эффективность излучения ПМ определяется значительным числом параметров (качество материала, потери энергии ЭП при взаимодействии с ПМ, оптические потери и др.). Максимальный КПД преобразования энергии ЭП в свет должен достигать 30% [2]. Однако на практике при комнатной температуре
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected].
2 Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФУрОРАН), 620016
Россия, Екатеринбург, ул. Амундсена, д. 106; e-mail: [email protected].
КПД такого типа лазеров обычно значительно ниже [3]. В пикосекундном диапазоне, когда длительность возбуждающего импульса te меньше времени жизни т неравновесных носителей заряда (ННЗ), пороговая интенсивность ЭП Ithe ~ Ith0 ■ т/te [4]. В CdS т при комнатной температуре в зависимости от плотности ННЗ может меняться от 1 до 3 нс. Очевидно, что пороговая интенсивность при возбуждении импульсами ЭП длительностью ~10-11 — 10-10 c может возрасти в десятки раз. В этой связи существенно оценить влияние на эффективность работы лазера и других параметров, среди которых можно выделить потери в пассивной (не возбужденной) области ПМ. Влияние этих потерь должно возрастать с уменьшением ускоряющего напряжения, когда длина пассивной области может значительно превосходить глубину проникновения в мишень ЭП.
1 2 3 4 11 5 6 7 5
Рис. 1: Схема установки с волоконно-оптической системой синхронизации и регистрации. 1 - импульсный генератор РАДАН 303, 2 - срезающий разрядник (слайсер), 3 - делитель напряжения, 4 - дополнительный разрядник, 5 - фокусирующая насадка, 6 - камера диода, 7 - полупроводниковая мишень, 8-ФЭК-22, 9 - пятиканальная волоконно-оптическая система, 10 - коаксиальный кабель для запуска стрик-камеры, 11 - ст,рик-ка.мера, 12 - персональный компьютер.
В работе исследовалась эффективность излучения ПМ в зависимости от амплитуды и длительности импульса пикосекундного генератора. Схема установки с волоконно-оптической системой регистрации приведена на рис. 1. Импульсный генератор РАДАН 303 формирует импульсы с амплитудой до 200 кВ. Срезающим разрядником (слайсер) длительность импульса регулировалась в пределах 500... 100 пс (рис. 2). Встроенные в высоковольтную линию передачи широкополосные емкостные делители позволяли
Рис. 2: Изменение амплитуды и длительности импульсов напряжения генератора РАДАН 303, при срабатывании слайсера на фронте нарастающего напряжения.
контролировать импульс напряжения. Форма импульса света определялась по фотохронограмме стрик-камеры (ll) (модель!7З, СORDIN, США) с максимальным разрешением до l пс. Дополнительный разрядник обострял фронт импульса на входе в камеру ГД и служил для запуска стрик-камеры сигналом от фотоприемника ФЭК-22 (S, l0). Излучение разрядного промежутка (4) и ПМ (Т) фокусировалось оптической насадкой (5) на торцы оптических кабелей (9) и регистрировалось стрик камерой (ll). В качестве источника электронов использовался кольцевой стальной катод диаметром З мм с заостренной кромкой, работающий в режиме взрывной эмиссии. Зазор между катодом и ПМ составлял З мм. Сигналы с выхода стрик-камеры подавались на вход персонального компьютера и наблюдались на мониторе (l2). Величина задержки запуска стрик-камеры регулировалась длиной оптического кабеля системы (9). Форма импульсов регистрировалась также широкополосным приемником ФП-Т0С, который соединялся оптическим кабелем с насадкой (5). Длительность переходной характеристики ФП-Т0С ~50 пс. Ток электронного пучка измерялся широкополосным цилиндром Фарадея (¿перех. ~ 20 пс), который устанавливался за отверстием в диафрагме напротив катода (б). Для измерения энергии применялся пироэлектрический детектор J3S10 с ослабляющими фильтрами типа НС. Пиковая мощность излучения оценивалась с учетом энергии и формы импульса. Для наблюдения импульсов напряжения, тока и излучения использовался также осциллограф Tektronix TDS-6l54C с полосой l5 ГГц. ПМ, изготовленная из монокристаллической пленки CdS, закрепленной на сапфировом диске, устанавливалась непосредственно за диафрагмой с диаметром отверстия l мм.
На плоскости пленки нанесены отражающие покрытия, образующие оптический резонатор. Со стороны падения ЭП покрытие серебряное. Исследовалось изменение энергии излучения по мере снижения напряжения и уменьшения длительности импульса в диапазоне -150 кВ.. .-70 кВ. При фиксированной амплитуде импульса напряжения длительности импульсов тока и света отличались примерно на 30%. Интенсивность ЭП при разных значениях напряжения генератора приведена на рис. 3.
Рис. 3: Интенсивность ЭП при разных значениях напряжения генератора.
Рис. 4: Форма импульсов (сверху вниз) тока ЭП и лазерного излучения ПМ, зарегистрированных широкополосным датчиком тока и стрик-камерой. Цена деления между точками 100 пс.
Рис. 5: Изменение энергии лазерного импульса в зависимости от напряжения генератора.
Видно, что в рабочем интервале интенсивность менялась в пределах от 40 до 300 МВт/см2. Формы импульсов лазерного излучения и тока, замеренные широкополосными датчиками, после начала генерации совпадали (рис. 4). Аналогичный эффект повторения формы импульса тока импульсом света в режиме генерации на мишени из ОаАв при температуре мишени Т = 80 К приведен в [3]. Из полученных экспериментальных данных значительный интерес представляла энергия лазерного излучения, замеренная пироэлектрическим детектором Л3Я10 непосредственно за выходным окном ГД. Из рис. 5 видно, что генерация лазерного излучения начиналась в области 70 кэВ и энергия излучения менялась от 0.2 • 10-5 до 4 • 10-5 Дж. Оценка максимальной интенсивности излучения с учетом формы импульсов света (рис. 4) показывает, что мощность излучения менялась от десятков до сотен кВт, а интенсивность до ^3-107 Вт/см2. Причем максимальная эффективность излучения ПМ в этом диапазоне энергий и длительностей равнялась ^10%. С учетом толщины пластины ПМ ^30 мкм, отражающих покрытий Я1К2 = 0.88, потерь на поглощение (^30 см-1) в пассивной (не возбуждаемой ЭП) области и длительности фронта импульса ЭП ^100 пс, уже при ^ -100 кВ должен был произойти срыв генерации. Однако генерация возникала на фронте импульса тока электронов ЭП на уровне ^70 кэВ (рис. 5 ) и затем повторяла форму возбуждающего импульса (рис. 4). Возможной причиной начала генерации на фронте возбуждающего импульса ЭП может быть уменьшение потерь на поглощение из-за просветления пассивной части ПМ в результате действия светового излучения большой плотности [3, 10, 11]. Полученный результат представляется весьма важным, т.к. свидетельствует о возможности изменения интенсивности и длительности лазерного излучения в пикосекундном
диапазоне с высокой эффективностью без изменения параметров ПМ (толщина, коэффициенты отражения зеркал).
Другим интересным результатом является повторение формы импульсов тока лазерным излучением. Данный эффект представляет практический интерес, т.к. может быть использован для создания оптического зонда для диагностики электронных токов. Такой зонд, например, может найти применение для регистрации убегающих электронов на первой стадии развития наносекундного разряда в плотных газах.
В заключение авторы выражают благодарность сотрудникам ИЭФ РАН К. А. Шарыпову и М. Д. Коломийцу за конструктивные обсуждения и содействие в работе, сотрудникам ФИАН В. Г. Баграмову и И. Д. Тасмагулову за помощь в подготовке экспериментов и полупроводниковых образцов.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 15-08-01954.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Г. А. Месяц, М. И. Яландин, УФН 175(3), 225 (2005).
[2] Ю. М. Попов, ФТП 6(8), 2445 (1964).
[3] И. В. Крюкова, Физические процессы в полупроводниковых импульсных лазерах с накачкой электронным пучком (М., МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009), с. 258.
[4] О. В. Богданкевич, С. А. Дарзнек, П. Г. Елисеев, Полупроводниковые лазеры (М., Наука, 1976).
[5] К. В. Бережной, М. Б. Бочкарев, А. С. Насибов и др., ПТЭ № 1, 75 (2009).
[6] Г. А. Месяц, С. Д. Коровин, К. А. Шарыпов и др., Письма в ЖТФ 32(1), 35 (2006).
[7] В. Ф. Тарасенко, Д. В. Рыбка, Е. Х. Бакшт и др., ПТЭ № 2, 62 (2008).
[8] К. В. Бережной, М. Б. Бочкарев, Г. Л. Даниелян и др., Квантовая электроника 42(1), 34 (2012).
[9] А. С. Насибов, Г. Л. Даниелян, В. Г. Баграмов и др., Краткие сообщения по физике ФИАН 38(4), 17 (2011).
[10] В. П. Грибковский, Полупроводниковые лазеры (М., Радиофизика и электроника, 1988).
[11] В. П. Грибковский, ЖТФ 27(4), 619 (1977).
Поступила в редакцию 2 ноября 2015 г.
