PL126039B1 - Tuned semiconductor laser based on raman effect - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest strojony laser pólprzewodnikowy oparty na zjawisku Ramana z odwracaniem spinu w pólprzewodnikach z wymiennym oddzialywaniem spinowym.Znane sa lasery pólprzewodnikowe oparte na zjawisku Ramana z odwracaniem spinu wykorzystujace zmia¬ ny zewnetrznego pola magnetycznego do rozczepiania poziomów spinowych w pólprzewodnikach czyli do zmia¬ ny dlugosci fali jego promieniowania. Dzialanie tego typu lasera przebiega nastepujaco: swiatlo lasera duzej mocy - najczesciej lasera gazowego np. C02, pada na odpowiednio przygotowana próbke pólprzewodnika umieszczona w polu magnetycznym. Promieniowanie swietlne emitowane przez pólprzewodnik jest równiez swiatlem laserowym ale o innej energii - wiekszej lub mniejszej od swiatla lasera pobudzajacego. Zmieniajac natezenie pola magnetycznego mozna zmieniac energie swiatla emitowanego z pólprzewodnika. Energia promie¬ niowania lasera ramanowskiego opisana jest wzorem: Ew = Ep±(/g*/'MB-H) gdzie: E — energia promieniowania lasera ramanowskiego E - energia promieniowania lasera pobudzajacego g* — efektywny czynnik Landego MB - magneton Bohra H - natezenie pola magnetycznego Caly ostatni czlon równania daje wartosc energii rozczepienia spinowego. Zakres przestrajania tego typu lasera zalezy od wartosci g* i wartosci pola magnetycznego. Wartosc g* zwiazana jest ze struktura energetyczna pólprzewodnika i tylko w niektórych wyselekcjonowanych materialach jest na tyle duza aby przestrajanie lasera bylo efektywne i moglo miec znaczenie praktyczne. Najlepsze wyniki w przestrajaniu lasera ramanowskiego osiagnieto stosujac jako pólprzewodnik InSb o wartosci -g* = —50 i jako laser pobudzajacy — laser C02 o dlu¬ gosci fali 10,6 jum. Przy maksymalnym polu magnetycznym rzedu 100 kGs zakres przestrajania wynosi od 9 jum do 14 firn.Istota rozwiazania wedlug wynalazku polega na wykorzystaniu zjawiska silnego rozczepienia spinowego poziomów energetycznych w pólprzewodnikach, które jest spowodowane wymiennym oddzialywaniem spino-2 126039 wym i silnie zalezy od pola magnetycznego, w którym umieszczony jest pólprzewodnik oraz od jego temperatu¬ ry. Oddzialywanie wymienne spinowe istnieje w materiale jesli jeden ze skladników pólpr/ewoduiku posiada silny moment spinowy. Szczególnie silne momenty spinowe posiadaja pierwiastki metali przejsciowych np. Mn, Cr, Ni... oraz pierwiastki ziem rzadkich np. Eu, Gd, Sm. Poniewaz wielkosc rozczepienia spinowego decyduje o zakresie przestrajania lafsera istnieje mozliwosc zmiany dlugosci fali promieniowania lasera poprzez zmiane natezenia pola magnetycznego, w którym znajduje sie pólprzewodnik, zmiane jego temperatury lub tez zmiane obu tych czynników razem.Zastosowanie pólprzewodników, w których istnieje wymienne oddzialywanie spinowe jako strojonych laserów typu ramanowskiego umozliwia ze wzgledu na duza wartosc g* znaczne rozszerzenie zakresu przestraja¬ nia lasera przy kilkakrotnym zmniejszeniu zakresu pól magnetycznych wymaganych do pelnego przestrojenia lasera. Ponadto oprócz zmian pola magnetycznego czynnikiem powodujacym przestrajanie lasera moga byc równiez zmiany temperatury. Rozwiazanie wedlug wynalazku znacznie rozszerza krag materialów kwalifikuja¬ cych sie do stosowania w konstrukcji laserów ramanowskich poniewaz do prawie kazdego pólprzewodnika moz¬ na w postaci domieszek lub stopu wprowadzic pierwiastki o silnych momentach spinowych.Przedmiot wynalazku zostanie blizej objasniony na podstawie rysunku, którego fig. 1 przedstawia zaleznosc efektywnego czynnika Landego g* od zawartosci MnTe w pólprzewodniku, a fig. 2 zaleznosc czynnika g* od temperatury.Jako material laserujacy strojonego lasera pólprzewodnikowego stosowany jest stop pólprzewodnika z pierwiastkami metali przejsciowych lub pierwiastkami ziem rzadkich posiadajacymi silne momenty spinowe i umozliwiajacymi powstawanie w materiale wymiennym oddzialywan spinowych. Przykladowo sa to nastepuja¬ ce stopy pólprzewodników: HgTe- MnFe, CdTe- MnTe, CdSe - EuSe, InAs - GaAs. Zakres pól magnetycz¬ nych, w którym nastepuje pelne przestrojenie lasera z tymi stopami wynosi 10 -30kGs, w stosunku do pól ponad 100 kGs wymaganych dla przestrojenia laserów klasycznych z pólprzewodnikiem np. InSb. Wartosc efek¬ tywnego czynnika Landego g* dla tych stopów jest wielokrotnie wyzsza niz w zwyklych pólprzewodnikach. Jak pokazano na fig. 1 rysunku dla stopu CdTe — MnTe o zawartosci 70% CdTe i 30% MnTe w temperaturze 77°K, g* osiaga wartosc 100. W stopach HgTe- MnTe b zawartosci 96% HgTe i 4% MnTe w temperaturze 2°K wartosc czynnika g* osiaga wartosc 380, a ponadto jak pokazano na fig. 2 rysunku wartosc czynnika g* silnie zalezy od temperatury, co umozliwia przestrajanie lasera poprzez zmiane temperatury laserujacej próbki pólprzewodnika.Stwierdzono, ze tak duza i zalezna od temperatury wielkosc g* w stopach zawierajacych pierwiastki o silnych momentach spinowych zwiazana jest z oddzialywaniem wymiennym spinowym pomiedzy nosnikiem pradu i zlo¬ kalizowanymi spinami pierwiastków magnetycznych.Zastrzezenia patentowe 1. Strojony laser pólprzewodnikowy oparty na zjawisku Ramana z odwracaniem spinu, znamienny tym, ze zawiera jako material laserujacy stop pólprzewodnika z pierwiastkami o silnych momentach spino¬ wych powodujacych w materiale wymienne oddzialywanie spinowe. 2. Strojony laser pólprzewodnikowy wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze jako pierwiastki o sil¬ nych momentach spinowych stosowane sa metale przejsciowe lub pierwiastki ziem rzadkich.126 039 100 80 60 HO 20 10 20 30 HO *0 FIG.1 MnTe 100 200 FIG.2 300 PL

Claims (2)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Strojony laser pólprzewodnikowy oparty na zjawisku Ramana z odwracaniem spinu, znamienny tym, ze zawiera jako material laserujacy stop pólprzewodnika z pierwiastkami o silnych momentach spino¬ wych powodujacych w materiale wymienne oddzialywanie spinowe.
2. 2. Strojony laser pólprzewodnikowy wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze jako pierwiastki o sil¬ nych momentach spinowych stosowane sa metale przejsciowe lub pierwiastki ziem rzadkich.126 039 100 80 60 HO 20 10 20 30 HO *0 FIG.1 MnTe 100 200 FIG.2 300 PL