DE1291029B - Nach dem Maser- bzw. Laserprinzip arbeitende Anordnung fuer Mikrowellen- bzw. Lichtstrahlung - Google Patents
Nach dem Maser- bzw. Laserprinzip arbeitende Anordnung fuer Mikrowellen- bzw. LichtstrahlungInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft eine nach dem Maser- bzw. spannung, wobei die Tatsache noch zu berücksichti-Laserprinzip
arbeitende Anordnung für Mikro- gen ist, daß die die Verspannung erzeugenden Kräfte
wellen- bzw. Lichtstrahlung mit durch Pumpen an- bei Festkörpern mit insbesondere einkristallinem
zuregenden Ladungsträgern in einem maser- bzw. Aufbau richtungsabhängige Wirkung haben können,
laseraktiven Körper aus Halbleiterstoff mit einem 5 Die durch die Verspannung des Materials ver-
oder mehreren pn-Übergängen. ursachte Verbreiterung einer Fluoreszenz- bzw. Ab-
Die physikalischen Vorgänge, die zur Verstärkung sorptionslinie kann so weit gehen, daß sich eine Auf-
und/oder Erzeugung sehr kurzwelliger Strahlung im spaltung dieser Linie bemerkbar macht, d. h., daß
Zentimeter- und Millimeter-Wellengebiet bzw. im statt der üblichen frequenzabhängigen Intensitäts-Gebiet
der optischen Strahlung mit Maser- und io verteilung einer Fluoreszenzlinie etwa nach Art einer
Laseranordnungen führen, sowie der Aufbau der- Glockenkurve eine Verteilungskurve mit zwei oder
artiger Anordnungen sind an sich allgemein bekannt. mehr Maxima und den dazwischenliegenden Ein-Es
handelt sich dabei um die Verstärkung bzw. Er- sattelungen zu beobachten ist, was auf eine Aufzeugung
kohärenter Strahlung durch induzierte spaltung mindestens eines der am Übergang beEmission,
stimuliert durch in die Anordnung ein- 15 teiligten Terme zurückzuführen ist.
gestrahlte bzw. bereits in der Anordnung vorhandene Beispielsweise ergibt sich bei arsendotiertem Ger-
gestrahlte bzw. bereits in der Anordnung vorhandene Beispielsweise ergibt sich bei arsendotiertem Ger-
Strahlung gleicher Frequenz. Die zur Verstärkung manium für die durch mechanische Verspannung
der Strahlung erforderliche Energie wird aus der verursachte Aufhebung der Entartung der Störstellen-Energie
der umbesetzten Energiezustände des maser- terme eine von der Größe der Verspannung ab-
bzw. laseraktiven Materials geliefert, während die ao hängige energetische Aufspaltung der einzelnen An-Umbesetzung,
d. h. die Inversion der Besetzung der regungsstufen des Arsens in je zwei Terme. Die Ent-Energiezustände,
selbst durch äußere Energiezufuhr, artung des Tripletterms des Grundzustandes des
etwa durch Lichteinstrahlung oder andere bekannte Arsens im Germanium kann ebenfalls durch mecha-Maßnahmen,
bewirkt wird. In vielen Fällen, ins- nische Verspannung aufgehoben werden, so daß eine
besondere bei Lasern, die optische Strahlung ver- 35 dreifache Aufspaltung dieses Terms eintritt. Allstärken
oder erzeugen, werden Elektronenterme um- gemein ist der Grundzustand des Arsens im Gerbesetzt. Die induzierte Emission entspricht dann manium bereits von Natur aus in einen Singuletstimulierten
Übergängen von Elektronen aus einer und einen Tripletterm aufgespalten,
energetisch höheren Termlage in eine energetisch Ganz ähnlich liegen die Verhältnisse bei den
energetisch höheren Termlage in eine energetisch Ganz ähnlich liegen die Verhältnisse bei den
niedrigere. 30 Tennen des Phosphors in phosphordotiertem Ger-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, manium. Welcher Art die von der mechanischen
die Bandbreite eines Maser- bzw. Laserverstärkers Verspannung abhängigen Verschiebungen und/oder
zu vergrößern. Eine andere Aufgabe ist es, einen Aufspaltungen der Terme im Einzelfall bei bestimm-Maser
bzw. Laser bezüglich der Frequenz seiner ver- ten laseraktiven Substanzen ist, läßt sich durch an
stärkten Strahlung zu verstimmen. 35 sich bekannte experimentielle Untersuchungen bzw.
Diese Aufgaben werden bei der oben beschrie- Berechnungen ermitteln.
benen Anordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, Ebenso wie eine Fluoreszenzlinie wird auch der
daß eine Einrichtung zur Erzeugung einer mecha- Frequenzbereich der stimulierten Emission eines Manischen
Spannung in dem maser- bzw. laseraktiven sers oder Lasers, d. h. der Bereich, in dem Strah-Körper
vorgesehen ist. 40 lungsverstärkung bzw. -erzeugung durch diese An-
Besonders günstig ist es gemäß einer besonders Ordnungen möglich ist, durch den Einfluß mechavorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung, als Ma- nischer Verspannung verschoben bzw. verbreitert,
terial für den Körper ein solches zu verwenden, bei Für den Betrieb eines Lasers ergeben sich dadurch
dem ein oder mehrere Terme, die zu dem zu stimu- keine grundsätzlich neuen Bedingungen, z. B. kann
lierenden Übergang gehören, quantenmechanisch 45 die Umbesetzung der für den stimulierenden Uberentartet
sind, wobei dann bereits eine homogene gang in Frage kommenden Terme bzw. Bänder in
Verspannung im Körper eine Bandbreitenvergröße- normaler Weise vorgenommen werden. Unter Umrung
ergibt. ständen ist aber ein besonderer Aufbau des Masers
Zu der Erfindung führten die folgenden Über- bzw. Lasers notwendig, wie dies beispielsweise aus
legungen: In einem Festkörper tritt bekanntlich 50 der Fig. 1, die eines der bevorzugten Ausführungsunter
dem Einfluß mechanischer Verspannung eben- . beispiele darstellt, zu ersehen ist.
falls eine Veränderung der Eigenschaften der Terme Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich mit
falls eine Veränderung der Eigenschaften der Terme Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich mit
auf. Je nach quantenmechanischer Entartung des be- jeglichen maser- bzw. laseraktiven Festkörpern, z. B.
treffenden Terms äußert sie sich in einer bloßen Ver- mit optisch zu pumpenden oder auch mit durch
änderung des energetischen Abstandes dieses Terms 55 Trägerinjektion anzuregenden Systemen, aufbauen,
oder einer Bandkante von einem anderen Term und/ Insbesondere erscheinen einkristalline Aufwachsoder
dem Leitfähigkeitsband und/oder dem Valenz- schichten, sogenannte epitaktische Strukturen, als
band und/oder auch in einer Aufspaltung einzelner Lasermaterial vorteilhaft, da sich bei ihnen beson-Terme
in jeweils mehrere Terme. ders leicht auch mehrfach übereinander abwechselnd
Diese durch mechanische Verspannung hervor- 60 p- und n-halbleitende Schichten, eventuell auch mit
gerufenen Veränderungen im Termschema eines dazwischenliegender intrinsic-Ieitfähiger Schicht, aufMaterials
äußert sich experimentell durch eine Ver- bringen lassen.
Schiebung der Frequenz von Fluoreszenz- bzw. Ab- Derartige Halbleiterstoffe, insbesondere solche,
sorptionslinien und/oder durch Verbreiterung der die durch Trägerinjektion gepumpt werden, eignen
Linien des jeweiligen Stoffes. Die Verspannungen 65 sich besonders für die Durchführung des Verfahrens,
können hervorgerufen sein z. B. durch Druck, Zug, Sie lassen sich auf verhältnismäßig einfache Weise
Biegung oder Scherung oder auch durch das Zuh sehr dünn herstellen, was z. B. für die zu biegenden
sammenwirken mehrerer Arten mechanischer Ver- Anordnungen entsprechend der Fig. 2 besonders
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vorteilhaft ist. Für erfindungsgemäße Anordnungen druckabhängige Verbreiterung der dem stimulierten
durch Trägerinjektion zu pumpende laseraktive Übergang entsprechenden Fluoreszenzlinie hat, d. h.,
Stoffe oder Kombinationen von Stoffen zu ver- bei dem einer oder mehrere der am Laserübergang
wenden, erscheint besonders günstig, da durch die beteiligten Terme unter dem Einfluß mechanischer
Trägerinjektion allgemein eine spezifisch sehr hohe, 5 Verspannung aufspalten, und dazu noch inhomogene
für die stimulierte Emission erforderliche Energie- Verspannung in der Schicht 2 erzeugt. Je nach Größe
dichte zu erreichen ist. Dadurch können z. B. die der örtlichen Verspannung ergibt sich dann eine verfür
den Laser zu verwendenden laseraktiven Körper, schieden starke Verbreiterung des zu stimulierenden
verglichen z. B. mit einem Rubin-Laserstab, längen- Laserüberganges. Die Einsattelungen der frequenz-
bzw. flächenmäßig bei etwa gleicher Strahlungs- io abhängigen Intensitätsverteilung der Linie des Laserleistung
sehr klein ausgeführt werden. Dies bringt Überganges, die im Bereich sehr starker mechaunter
anderem eine Reihe von Vorteilen für die Aus- nischer Verspannung des Lasermaterials festzustellen
führung der mechanischen Spannvorrichtungen; z. B. sind, werden — für den gesamten Laser betrachtet —
ist es einfacher, über eine kleinere Fläche hinweg durch den Anteil der Strahlung kompensiert, die nur
homogene Verspannung zu erzeugen. 15 geringe oder gar keine Einsattelung der Linie auf-
F i g. 1 zeigt schematisch eine Laseranordnung weist und die an Stellen mit geringer mechanischer
mit einem Halbleiter 1, der aus den Teilstücken 1' Verspannung des Materials verstärkt bzw. erzeugt
und 1", die vorzugsweise unterschiedlichen Leitungs- wird.
typus haben, besteht, und zwischen denen eine F i g. 2 zeigt eine weitere spezielle bevorzugte Auspn-Übergangsschicht
2 mit gegebenenfalls zwischen 20 führung der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der
der n- und der p-Schicht befindlicher eigenleitender, die gewünschte inhomogene Verspannung durch
sogenannter »intrinsic«-Schicht vorgesehen ist. Die Biegung des bei diesem gewählten Beispiel stab-Schicht
2 wird von den Strahlen 3 etwa parallel zur förmigen Halbleiter-Maser-Materials 21 erzielt wird,
Schicht durchsetzt. 4 und 4' stellen Reflexionsflächen auf den die Übergangsschicht 22, bestehend aus
dar, die in an sich bekannter Weise abhängig von as einem oder mehreren schichtförmigen pn-Überder
Frequenz des Lasers und der Art der vor- gangen gegebenenfalls mit zwischen den Schichten
gesehenen Auskopplung der Strahlung geeignet aus- unterschiedlichen Leitungstypus eingefügten Schichgebildet
sind. Für einen Verstärker entfallen ge- ten mit eigenleitendem Verhalten, in der sich die
gebenenfalls die Reflexionsflächen, und die Strahlen 3 stimulierten Übergänge des Laserprozesses abspielen,
durchsetzen die Ubergangsschicht 2 nur einmal. 30 beispielsweise epitaktisch aufgebracht ist. Der Laser-Durch
eine Spannvorrichtung 5 kann einstellbar mit strahl verläuft auf einem Weg, wie ihn etwa 23 ander
Schraube 6 ein Druck auf die Platten 7 und T gibt, auf dem er z. B. mehrmals an der Oberfläche
ausgeübt werden. Die Druckverteilung in der 24 des Lasermaterials und gegebenenfalls an der
Schicht 2 kann dabei homogen, sie kann aber auch Fläche 25 zwischen dem Grundmaterial 1 und der
bei entsprechenden, etwa nichtplanen Platten 7 35 Übergangsschicht 2 des Lasermaterials vorzugsweise
und T inhomogen gewählt werden. 9 und 8 sind total reflektiert wird. 24 ist vorteilhafterweise eine
Stromanschlüsse, die an dem halbleitenden Mate- polierte Fläche. Für den Fall einer gewünschten Rerial
1 so angeordnet sind, daß ein elektrischer Strom flexion an 25 bietet sich auch die Möglichkeit, das
des Generators 10 von dem Teilstück 1' auf der Material 21 wenigstens an der Fläche 25 so stark zu
einen Seite von 2 ausgehend über die ganze Fläche 40 dotieren, daß die Strahlung dort metallisch reflektiert
von 2 verteilt in Richtung der Durchlaßrichtung des wird. Je nachdem, ob die Anordnung als Laserpn-Überganges
durch 2 hindurch nach dem Teil- Verstärker- oder als Laser-Strahlungs-Erzeuger einstück
1" auf der anderen Seite von 2 fließt. gesetzt werden soll, werden die Flächen 26 für die
Bei homogener Verspannung in der Schicht 2 wer- Strahlung durchlässig oder fast vollständig reflektieden
die jeweiligen Tenne in der ganzen Schicht 45 rend gemacht. Zur Erzielung eines vielfachen Durchgleichmäßig,
d. h. um den gleichen Betrag, in ihrer laufes der Strahlung in der Schicht 22 können auch
energetischen Lage verschoben, wenn keine Auf- äußere Reflektoren in bekannter Weise angeordnet
spaltung der Terme eintritt. Auf diese Weise wird werden.
der Maser bzw. Laser in erster Linie lediglich ver- Das Pumpen der Laser, bei denen gemäß der Erstimmt.
Wenn der oder die laseraktiven Terme je- 50 findung durch Einwirkung mechanischer Verspandoch
entartet sind, so daß einer oder mehrere davon nung eine Verstimmung und/oder Bandbreitenaufspalten,
ist bereits eine Bandbreitenvergrößerung vergrößerung bewirkt wird, kann in an sich bezu
erreichen. Ebenfalls eine Bandbreitenvergrößerung kannter Weise etwa durch Einstrahlung von elektroerzielt
man bereits, wenn ein inhomogener Druck auf magnetischer Strahlung, z. B. Licht, wie durch 27
das Material 1 bzw. auf die Schicht 2 ausgeübt wird 55 angedeutet, vorgenommen werden. Dazu ist er-
und die Terme, die zu dem laseraktiven Übergang forderlich, daß die Oberfläche 24 für das Pumplicht
gehören, nicht aufspalten, d. h. nicht entartet sind. durchlässig ist und die Pumplichtstrahlung in die
Entsprechend der mehr oder weniger großen Ver- Schicht 22 ausreichend tief eindringen kann. Ein anspannung
in der Schicht 2 ist dadurch der ener- deres anwendbares Verfahren, das Material des Lagetische
Abstand der zu den laseraktiven Übergängen 60 sers umzubesetzen, d. h. zu pumpen, ist die Angehörenden
Terme mehr oder weniger gegenüber regung der laseraktiven Terme durch Ladungsträgerdem
vorspannungslosen Zustand des Materials ver- injektion, z. B. im Übergangsgebiet eines pn-Uberändert.
ganges.
Wird eine besonders große Bandbreitenvergröße- 28 und. 28' sowie 29 deuten an sich bekannte
rung, insbesondere ein weitgehend rechteckiger Ver- 65 Vorrichtungen an, durch die die Biegung des Stabes
lauf der Kurve der Frequenzabhängigkeit der Ver- 21 erzwungen bzw. beibehalten wird.
Stärkung des Lasers gefordert, empfiehlt es sich, als Untersuchungen haben ergeben, daß beispiels-
laseraktives Material einen Stoff zu nehmen, der eine weise Aufspaltungen einer Fluoreszenz- bzw. Ab-
sorptionslinie bis zu -j- = 5°/o zu erreichen sind,
worin Af der Abstand der durch den Einfluß der
mechanischen Verspannung entstandenen zwei Maxima der Intensitätsverteilung der Fluoreszenzlinie
und / die Frequenz der Laserstrahlung ist. Bei einer Frequenz von / = 3 · 1014 Hz, was einer
Wellenlänge von etwa 1 μ entspricht, ergibt dies eine Bandbreite des Verstärkers von etwa 15 · 1012 Hz.
Wie oben bereits angedeutet, können an Stelle
einer pn-Übergangsschicht auch mehrere Schichten mit abwechselndem Leitungstypus ρ oder η aufeinander
angebracht werden, zwischen denen sich der jeweils laseraktive Übergang befindet. Durch
Zusammenschalten der Schichten jeweils gleichen Leitungstypus erhält man die zwei Pole, an die die
Stromquelle, die zur Speisung des Lasers mit dem zum Pumpen durch Trägerinjektion erforderlichen
Gleichstrom dient, angeschlossen werden. Bei Verwendung
von Wechselstrom genügt es dagegen ao schon, die oberste oder die unterste Schicht abzuschließen und die übrigen als hintereinandergeschaltete:
Schichten zu betreiben, wobei jeweils die in Sperrichtung gepolten Übergänge als kapazitive
Vorschaltwiderstände für die in Durchlaßrichtung gepolten. Übergänge wirken.
Claims (4)
1. Nach dem Maser- bzw. Laserprinzip arbeitende Anordnung für Mikrowellen- bzw.
Lichtstrahlung mit durch Pumpen anzuregenden Ladungsträgern in einem maser- bzw. laseraktiven
Körper aus Halbleiterstoff mit einem oder mehreren pn-Übergängen>
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung zur Erzeugung einer mechanischen Spannung in dem maser- bzw. laseraktiven Körper vorgesehen ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung zur Erzeugung einer homogenen mechanischen Spannung
in dem Körper vorgesehen ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Körpers
stimulierbare Strahlungsübergänge besitzt, von denen einer oder mehrere der zugehörigen
Tenne im mechanisch noch spannungsfreien Zustand quantenmechanisch entartet sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der eine oder die mehreren Übergänge durch epitaktisches Abscheiden· hergestellt sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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