DE1167445B - Anregungslichtquelle mit optischem Sender oder Verstaerker (LASER) fuer kohaerentes Licht - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.. H 05 b

Deutsche Kl.: 2If-90

Nummer: 1167 445

Aktenzeichen: S 87237 VIII c / 21 f

Anmeldetag: 11. September 1963

Auslegetag: 9. April 1964

Die Erfindung betrifft kohärente Lichtquellen.

Bekannt sind derartige Lichtquellen, welche aus einem selektiv fluoreszenten Kristall, beispielsweise einem optischen Molekularverstärker nach Art des bekannten Lasers, mit einer Anregungslichquelle in Gestalt einer gewöhnlich mit Xenon- oder Quecksilberdampf gefüllten Gasentladungslampe zusammen mit einem Reflektor oder sonstigen optischen System zur Konzentration des Lichts aus der Entladungslampe auf den Kristall bestehen.

Derartige Kombinationen haben aus einer Reihe von Gründen geringen Wirkungsgrad. Optische Sender oder Verstärker (Laser) arbeiten üblicherweise am besten bei niedrigen Temperaturen, während elektrische Entladungslampen bei wesentlich unterhalb Zimmertemperatur liegenden Temperaturen nicht mehr ordnungsgemäß oder in bestimmten Fällen überhaupt nicht arbeiten. Entladungslampen als solche besitzen als Wandler für elektrische Energie in Strahlung keinen guten Wirkungsgrad, und das Spektrum der von ihnen emittierten Strahlung enthält gewöhnlich wesentlich höhere Frequenzen als die maximal gewünschte Anregungsfrequenz des selektiv fluoreszenten Kristalls. Diese höheren Frequenzen regen die selektiv fluoreszenten Ionen des Kristalls (Laser-Kristalls) in unerwünschte höhere Energiezustände an, ausweichen sie durch strahlungslose Übergänge zurückkehren, ohne dabei eine nutzbringend verwertbare selektive Fluoreszenz zu erzeugen.

Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung einer kohärenten Lichtquelle von höherem Wirkungsgrad als die bekannte Kombination des selektiv fluoreszenten Kristalls mit einer Gasentladungslampe.

Für einen optischen Sender oder Verstärker wird gemäß der Erfindung eine geeignetere Anregungslichtquelle dadurch geschaffen, daß die Anregungsstrahlungsquelle wenigstens eine p-n-Schicht-Diode aufweist, welche nach Maßgabe eines geeigneten Vorspannungsstroms eine Rekombinationsstrahlung emittiert, deren Spektrum dem Anregungsspektrum des selektiv fluoreszenten Ions angepaßt ist.

Als selektiv fluoreszente Ionen kommen vorzugsweise die des dreiwertigen Neodyms in Betracht; ein geeigneter selektiv fluoreszenter Kristall ist mit dreiwertigem Neodym dotiertes Calciumwolframat.

Als Diodenmaterial zur Verwendung mit derartigen optischen Sendern ist Galliumarsenid, vorzugsweise mit Zink als Dotierungskomponente, geeignet, das mit Indiumarsenid legiert werden kann, um das Spektrum der von ihm emittierten Rekombinationsstrahlung genauer dem Spektrum des dreiwertigen Neodymions anzupassen. Eine derartige Kombination besitzt bei Anregungslichtquelle mit optischem Sender oder Verstärker (LASER) für kohärentes Licht

Anmelder:

Sperry Rand Corporation, Wilmington, Del. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt, München 2, Kaufingerstr. 8

Als Erfinder benannt:

Roger Newman, Wayland, Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 11. September 1962 (222 847)

Betrieb bei einer Temperatur des flüssigen Stickstoffs, d. h. von etwa 77° K, einen hohen Wirkungsgrad.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung an Hand der Zeichnung; in dieser zeigt

F i g. 1 ein vereinfachtes Energiestufenschema für die Energiestufen von dreiwertigen Neodymionen in einem mit Neodym dotierten Calciumwolframat-Kristall,

Fig. 2 das Anregungsspektrum eines derartigen Materials bei 77° K,

Fig. 3 die Spektren der von einer Diode aus legiertem Galliumarsenid bei 77° K emittierten Rekombinationsstrahlung für zwei verschiedene Werte eines Stroms in Durchlaßrichtung,

F i g. 4 in teilweise auseinandergezogener schematischer Darstellung einen optischen Sender oder Verstärker mit einer Strahlungsquelle für seine Anregung gemäß der Erfindung,

Fig. 5 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung einer Lichtquelle mit der Vorrichtung gemäß Fig. 4.

In dem Energiestufenschema von F i g. 1 stellt der Grundzustand (1) die Energiestufe des dreiwertigen.

Neodymions (Nd³⁺) in Calciumwolframat (CaWO₄) vor der Anregung durch Bestrahlung aus einer Strah-

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lungsquelle dar. Die Energiestufe (4) stellt den metastabilen Zustand dar, aus welchem die angeregten Neodymionen unter direkter Erzeugung der gewünschten selektiven Fluoreszenz zurückfallen. Die eng gruppierte Sub- bzw. Feinstruktur der in F i g. 1 gezeigten Energiestufen ist für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich und aus diesem Grunde nicht im einzelnen dargestellt. In herkömmlichen optischen Sendern oder Verstärkern werden die Ionen in obersind Galliumarsenid GaAs und Indiumarsenid InAs »direkte« Halbleiterwerkstoffe.

Messungen der Rekombinationsstrahlung, welche von in Durchlaßrichtung vorgespannten, mit Zink 5 diffundierten Galliumarsenid-p-n-Übergängen bei oder nahe 77° K emittiert wird, ergeben, daß eine starke Bande mit Schwerpunkt bei 1,45 eV (8600 Ä) besteht. Die Lage dieses Maximums ist eine Funktion der Höhe des Durchlaßstroms. Dies zeigen die graphischen halb der mit ⁴F₃₂ bezeichneten Stufe (4) liegende An- io Darstellungen in Fig. 3, die bei Anlegen eines Vorregungszustände angeregt. Die angeregten Ionen gehen Spannungsstroms in Durchlaßrichtung von 1 A bzw. dann strahlungslos in den Energiezustand (4) über, 2 A an einem repräsentativen Legierungs-p-n-Uberwelcher metastabil ist. Aus dieser Energiestufe finden gang erhalten wurden, welche durch Auflegieren eines Fluoreszenzübergänge zu den Energiestufen (1), (2) Pb-Zn-Tupfens auf n-Galliumarsenid hergestellt und (3) statt. Die dem Übergang aus der Enegiestufe 15 wurde. Diffusions-Grenzschichten zeigen ähnliche (4) und Stufe (2) zuzuordnende Fluoreszenz von etwa Eigenschaften. Ein wesentliches Merkmal der Strah-1,06 μΐη ist selektiv. lungs-Rekombination ist der demit verbundene hohe

Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren erfolgt Wirkungsgrad der Energieumwandlung. Der Wirkungsdie Anregung gemäß der vorliegenden Erfindung in grad für die Umwandlung der elektrischen Eingangsder Weise, daß man die Neodymionen unmittelbar 20 leistung (Leistung zur Vorspannung der Diode in auf die Stufe (4) anregt, und zwar durch Absorption Durchlaßrichtung) zur Strahlungsausgangsleistung tender dem Energieunterschied zwischen den Stufen (1) diert gegen den Wert Eins.

und (4) entsprechenden Übergangsenergie. Es sei an Es wurde bereits erwähnt, daß die wirkungsvollste

dieser Stelle betont, daß hinsichtlich der Umwandlung Anregungswellenlänge des Neodym-Calciumwolfraabsorbierter Leistung in selektive Fluoreszenz-Aus- 25 mat-Kristalls für 77° K bei etwa 8700 A mit beidergangsleistung das Anregen auf die Stufe (4) das wirk- seitigen Halbwertbreiten von etwa + 50 Ä auftritt. Es samste Verfahren ist. Es wurde gefunden, daß im sei betont, daß dies im wesentlichen mit der Rekombi-FaIl eines mit Neodym dotierten Calciumwolframat- nationsstrahlung bei 77° K der mit Zink dotierten Kristalls eine starke Absorption bei 77° K bei etwa Galliumarsenid-Diffusionsdiode übereinstimmt, welche 8700 A mit einer Halbwertbreite von etwa 100 A 30 eine Wellenlänge von etwa 8600 A mit etwa ± 50 A stattfindet. Fig. 2 gibt das Anregungsspektrum in Halbwertsbreite besitzt. Gemäß der vorliegenden diesem Bereich wieder. Es wurde ferner gefunden, Erfindung werden die schwalbenschwanzförmigen Redaß diese Absorption bei etwa 8700 A zu einer kombinationsspektren der Diode und die direkten Anstarken selektiven Fluoreszenz bei 1,06 μπι führt. regungsspektren des selektiv fluoreszenten Kristalls Bei Vorspannung eines Halbleiter-p-n-Übergangs 35 voll ausgenutzt, indem man die Diode zur Anregung in Durchlaßrichtung werden Überschußladungsträger des Kristalls verwendet, wodurch man eine Festin die Übergangs- bzw. Grenzschicht und die daran körperkombination von Anregungsenergiequelle und angrenzenden Bereiche injiziert. Für jeden jeweiligen Kristall zur wirksamen Umwandlung elektrischer Wert der Vorspannung wird die stationäre Konzen- Eingangsenergie (Energie zur Vorspannung der Diode tration der Ladungsträger durch das Gleichgewicht 40 in Durchlaßrichtung) in kohärente Licht-Ausgangszwischen der Geschwindigkeit der Ladungsträger- energie erhält.

injektion und der Geschwindigkeit, mit welcher die Gemäß der in F i g. 4 gezeigten bevorzugten Aus-

Überschußladungsträger durch Elektronen-Löcher- führungsform wird ein rechteckiger Block eines NeoRekombination verschwinden, bestimmt. Die Re- dym-Calciumwolframat-Kristalls 1 in einem isolierten kombination kann strahlungslos und/oder unter Strah- 45 Behälter 2 (wie beispielsweise einem Dewarkolben) lungsemission vor sich gehen. Erfolgt die Rekombi- mittels eines hohlen rechteckigen Rohres 3 gehaltert, nation strahlungslos, wird die gesamte frei werdende Das Rohr 3 seinerseits wird von einem Isolierstopfen Energie in Phononen umgewandelt. Erfolgt die Re- 14 gehalten. Das Rohr 3 ist mit seiner Innenfläche mit kombination unter Strahlungsemission, so wird die den Flächen des Kristalls 1 an dem Ende 4 mittels gesamte oder nahezu die gesamte Ladungsträger- 50 eines herkömmlichen Kalorimeterklebstoffs verbunden, energie in Phononen umgewandelt. In Fällen, wo die Das Rohr 3 dient lediglich der mechanischen Halte-Rekombination sowohl unter Strahlungsemission als
auch strahlungslos vor sich geht, geht ein Teil der
Energie strahlungslos durch einen Ladungsträger-Einfang-Prozeß verloren, während der übrige Teil der 55
Energie als Phononen-Strahlung frei wird.

In einem bestimmten Halbleiter gehen alle drei erwähnten Arten der Rekombination, d. h. strahlungslose, Emissions- sowie kombinierte Emissions- und

strahlungslose Prozesse, gleichzeitig nebeneinander 6_U undurchlässig als die an der Stirnseite 5, derart, daß vor sich; jedoch herrscht gewöhnlich einer dieser Pro- die verstärkte kohärente Lichtenergie durch das hohle zesse vor. So ist beispielsweise in einer legierten Ger- Innere des Rohres 3 austreten kann. manium-p-n-Übergangsschicht bei 77" K die strah- An den verbleibenden vier Mantelflächen des Kri-

lungslose Rekombination der vorherrschende Prozeß. stalls 1 wird Anregungsenergie aus einer Mehrzahl Andererseits überwiegt bei den sogenannten »direkten« 65 von mit Zink diffundierten Galliumarsenid-Halbleiter-Halbleitern die Rekombination unter Strahlungs- dioden 6 zugeführt. Bei der gezeigten besonderen emission. Von den A^1I!-B^v-Verbindungshalbleitern Ausführungsform sind die Dioden auf vier Blöcken sind verschiedene direkte Halbleiter. Im besonderen aus Halbleitermaterial angeordnet, deren jeder aus

rung des Aufbaues in dem Behälter 2 und erfordert daher kein besonderes Material; beispielsweise sind Glas oder Kovar hierfür geeignet.

Der Kristall 1 ist zur Bildung des optischen Resonators, in welchem sich die kohärente Lichtenergie aufbaut, in herkömmlicher Weise an den Stirnseiten 4 und 5 mit versilberten Reflexionsüberzügen versehen. Die Reflexionsschicht an der Stirnseite 4 ist weniger

vierundzwanzig Dioden besteht. Von diesen vier Blöcken ist einer bei 7 in F i g. 4 näher gezeigt. Jeder dieser Blöcke kann in herkömmlicher Weise derart hergestellt werden, daß man eine Folie bzw. ein Plättchen aus Galliumarsenid-Halbleitermaterial mit Zink dotiert und sodann das Plättchen zur Herstellung mehrerer getrennter Mesadioden mit p-n-Übergängen ätzt. An jeder von den erhöhten Oberflächen der einzelnen Dioden-p-n-Schichten wird ein getrennter elektrischer Anschluß 8 angebracht; mit dem für sämtliche auf einem Materialblock angeordnete Dioden gemeinsamen Halbleiter-Basis-Material wird jeweils ein gemeinsamer elektrischer Anschluß 9 hergestellt. Der gemeinsame elektrische Anschluß 9 und die einzelnen Anschlüsse 8 werden über ein Kabel 10 aus der Kammer 2 herausgeführt. Die elektrischen Anschlüsse für die übrigen drei Diodenblöcke sind in gleicher Weise ausgeführt.

Der Block 7 in F i g. 4 ist mittels eines Kovarrings 11 mit der betreffenden Oberfläche des Kristalls 1 dicht verbunden. In gleicher Weise sind die übrigen drei Diodenblöcke mit den entsprechenden Oberflächen des Kristalls 1 dicht verbunden, derart, daß sie mit Ausnahme der beiden Stirnflächen 4 und 5 sämtliche frei liegenden Mantelflächen des Kristalls 1 bedcken. Jede der einzelnen getrennten elektrischen Zuleitungen zu den erhöhten Diodenoberflächen ist über einen zugeordneten Stromabgleichwiderstand 12 mit einer (nicht dargestellten) Vorspannungsstromquelle verbunden. Die einzelnen Widerstände dienen zum Ausgleich der Herstellungstoleranzen zwischen den einzelnen Dioden jedes Diodenblocks. Die Werte dieser Widerstände sind so gewählt, daß sie jeweils für jede der Dioden einen Vorspannstrom in Durchlaßrichtung in der Größe im Bereich von etwa 1 bis 2 A ergeben.

Der Kolben 2 ist mit flüssigem Stickstoff 13 gefüllt, um die Betriebstemperatur der eingetauchten Kombination aus selektiv fluoreszentem Kristall und Anregungsenergiequelle auf 77° K zu halten. Der Isolierstopfen 14 dient zur Aufrechterhaltung der Temperatur des flüssigen Stickstoffs sowie als Halterung für das Rohr 3 und die elektrischen Anschlußkabel 10 für die Anregungsquelle.

Im Betrieb werden allen vier Blöcken von Galliumarsenid-Dioden gleichzeitig Ströme zur Vorspannung in Durchlaßrichtung zugeführt. Der Betrag dieser Vorspannströme wird so eingestellt, daß im wesentlichen die in der Darstellung der F i g. 3 gezeigten Rekombinationsstrahlungsspektren emittiert werden. Ein Vorspannstrom von etwa 2 A ist vorzuziehen, da die hierbei emittierten Spektren der Anregungswellenränge (8700A) des mit Neodym dotierten Calciumwolframat-Kristalls am nächsten kommen, wodurch für den Kopplungswirkungsgrad bei der Betriebstemperatur von 77° K maximale Werte erzielt werden. Die von den in Durchlaßrichtung vorgespannten Dioden emittierte Strahlung wird im wesentlichen verlustlos in den Kristallkörper gerichtet, wo die selektiv fluoreszenten Neodymionen unmittelbar in die metastabile Energiestufe ⁴F_3/2 angeregt werden. Die angeregten Ionen kehren sodann aus dem metastabilen Energiezustand zurück und emittieren dabei die selektive Fluoreszenzstrahlung bei 1,06 μηα. Diese Fluoreszenz baut sich entlang der Längsachse des Kristalls 1 quer zu den reflektierenden Filmen an den Stirnseiten 4 und 5 auf einen solchen Wert auf, daß kohärentes Licht durch den halbdurchlässigen FiLm an der Stirnseite 4 und das hohle Innere der Röhre 3 austreten kann.

Obwohl die Rekombinationsstrahlungsspektren der Galliumarsenid-Dioden ziemlich eng mit der Anregungswellenlänge des mit Neodym dotierten CaI-ciumwolframat-Kristalls übereinstimmen, hat es den Anschein, daß sich ein höherer Wirkungsgrad erzielen läßt, indem man die Emissionswellenlänge (8600 A) der Dioden um etwa +100 A verschiebt und gleich der wirksamsten Anregungswellenlänge (8700 Ä) des Kristalls macht. Selbstverständlich ist es erwünscht, die Strahlungswellenlänge der Dioden ohne Änderung der sonstigen Strahlungseigenschaften zu verschieben. Im besonderen ist wesentlich, daß die Halbwertsbreite der verschobenen Strahlungsspektren auf einem Abstand von etwa 100 Ä gehalten wird.

Galliumarsenid und Indiumarsenid haben ganz ähnliche Bandstrukturen, d. h. beide sind direkte Halbleitermaterialien. Innerhalb des gesamten Zusammensetzungsbereichs ist die eine Verbindung in der anderen voll löslich. Daher liegen die Eigenschaften des Mischhalbleiters Ga_1-^In_xAs zwischen denen der reinen Komponenten Galliumarsenid und Indiumarsenid, deren Bandabstand etwa 1,4 eV bzw. 0,4 eV betragen. Von größter Bedeutung ist der Umstand, daß der Bandabstand und damit die Rekombinationsstrahlungsspektren so beeinflußt werden können, daß er einer gewünschten Vorgabe entspricht. Allgemein gesehen nimmt der Bandabstand der Mischhalbleiter bei Änderung der Zusammensetzung von reinem Galliumarsenid zu reinem Indiumarsenid mit etwa 0,01 eV/Molprozent In ab. Der Zustand, bei welchem die 8700 A Resonanz des mit Neodym dotierten Calciumwolframat-Kristalls und der Diodenp-n-Übergänge im wesentlichen zusammenfallen, läßt sich durch Zugabe von etwa 2°/o Indium zu dem Galliumarsenid-Material erzielen.

Ein anderes Verfahren zur Erzielung der erforderlichen Übereinstimmung sieht die Verwendung einer Betriebstemperatur von mehr als 77° K vor. Der Bandabstand von Galliumarsenid besitzt einen negativen Temperaturkoeffizienten, welcher in dem Bereich niedriger Temperaturen etwas kleiner als 4·10~⁴ eV/° C ist. Die gewünschte Verringerung der Diodenstrahlungsenergie von etwa 0,02 eV läßt sich somit erreichen, indem man die Galliumarseniddioden im Temperaturbereich von etwa 120 bis etwa 150° K betreibt. Jedoch nimmt der Strahlungswirkungsgrad von Galliumarseniddioden mit steigender Temperatur ab. Außerdem vergrößert sich die Linienbreite der Energie mit zunehmender Temperatur. Beide Effekte beeinträchtigen den Vorteil, den man erzielt, indem man die Rekombinationsstrahlungsspektren der Dioden zur Abstimmung auf die gewünschten Anregungsspektren des selektiv fluoreszenten Kristalls verändert.

Bei dem beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel diente als Grundmaterial Calciumwolframat; jedoch können auch andere Grundmaterialien verwendet werden, ohne daß die Anregungsspektren des mit Neodym dotierten selektiv fluoreszenten Kristalls wesentlich beeinflußt werden. Derartige Stoffe sind beispielsweise SrMoO₃, LaF₃, CaF₂ sowie Glas.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Anregungslichtquelle mit optischem Sender oder Verstärker (Laser) für kohärentes Licht, der einen selektiv fluoreszenten Kristall in Verbindung

   mit einer Anregungsstrahlungsquelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsstrahlungsquelle wenigstens eine p-n-Schicht-Diode aufweist, welche nach Maßgabe eines geeigneten Vorspannungsstroms eine Rekombinationsstrahlung emittiert, deren Spektrum dem Anregungsspektrum des selektiv fluoreszenten Ions angepaßt ist.

   2. Anregungslichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der selektiv fluoreszente Kristall mit dreiwertigen Neodymionen aktiviert ist und daß die als Anregungslichtquelle wirkenden p-n-Schicht-Dioden aus zinkdotiertem

   Galliumarsenid entweder allein oder mit Indiumarsenid legiert bestehen.

   3. Anregungslichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine große Anzahl von Schicht-Dioden unmittelbar längs der Mantelflächen des prismatisch gestalteten selektiv fluoreszenten Kristalls angeordnet sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Applied Optics, Bd. 1, Nr. 1, Januar 1962, S. 37,44,

   insbesondere S. 41;
   Physical Review, Bd. 127, Nr. 5, 1. 9. 1962, S. 1559,

   1563.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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