RU213923U1 - Radiation Pumped Semiconductor Disk Laser Using a β-Radiation Source - Google Patents

Radiation Pumped Semiconductor Disk Laser Using a β-Radiation Source Download PDF

Info

Publication number
RU213923U1
RU213923U1 RU2021135275U RU2021135275U RU213923U1 RU 213923 U1 RU213923 U1 RU 213923U1 RU 2021135275 U RU2021135275 U RU 2021135275U RU 2021135275 U RU2021135275 U RU 2021135275U RU 213923 U1 RU213923 U1 RU 213923U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
source
semiconductor
radiation
radioactive
Prior art date
Application number
RU2021135275U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Викторович Жуков
Игорь Олегович Золотовский
Дмитрий Александрович Коробко
Павел Павлович Миронов
Сергей Геннадьевич Новиков
Андрей Александрович Фотиади
Марина Сергеевна Явтушенко
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет"
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU213923U1 publication Critical patent/RU213923U1/en

Links

Images

Abstract

Полезная модель относится к лазерной технике, конкретнее к дисковым полупроводниковым лазерам с накачкой от радиоактивного источника, и может быть использована в системах связи, сенсорике и лазерной медицине. Сущность предлагаемой модели накачки полупроводникового лазера заключается в том, что в качестве источника накачки используется радиоактивный β-источник Ni-63, обеспечивающий полную автономность лазерного комплекса от внешних источников электрического питания. Известен твердотельный радиолюминесцентный лазерный источник на основе кристаллической полупроводниковой гомо- или гетероструктуры (Patent US 5561679, Mannik et al.). Энергетическая диаграмма данной структуры (активного элемента соответствующего лазера) имеет вид одной или нескольких квантовых ям (в структуре чередуются полупроводники с низким и высоким уровнями запрещенной зоны, например GaAs и GaAlAs). Собственно источник представляет собой поверхностно излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL - vertical cavity surface emitting laser). Это изобретение взято за прототип.

Figure 00000001
The utility model relates to laser technology, more specifically to semiconductor disk lasers pumped from a radioactive source, and can be used in communication systems, sensors and laser medicine. The essence of the proposed model for pumping a semiconductor laser is that a radioactive β-source Ni-63 is used as a pumping source, which ensures complete autonomy of the laser complex from external sources of electrical power. Known solid-state radioluminescent laser source based on a crystalline semiconductor homo - or heterostructures (Patent US 5561679, Mannik et al.). The energy diagram of this structure (the active element of the corresponding laser) has the form of one or more quantum wells (semiconductors with low and high band gaps alternate in the structure, such as GaAs and GaAlAs). The source itself is a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL). This invention is taken as a prototype.
Figure 00000001

Description

Полезная модель относится к лазерной технике, конкретнее к дисковым полупроводниковым лазерам с накачкой от радиоактивного источника, и может быть использована в системах связи, сенсорике и лазерной медицине.The utility model relates to laser technology, more specifically to semiconductor disk lasers pumped from a radioactive source, and can be used in communication systems, sensors and laser medicine.

Известна модель радиолюминесценции твердотельных лазерных материалов, активированных неодимом, при возбуждении α-частицами и осколками деления (Е.А. Серегина, А.А. Серегин // Квантовая электроника, 43(2), с. 150-156, 2013). Недостатком известной модели является необходимость использования высокоэнергетического излучения.A known model of radioluminescence of solid-state laser materials activated by neodymium upon excitation by α-particles and fission fragments (E.A. Seregina, A.A. Seregin // Quantum Electronics, 43(2), pp. 150-156, 2013). The disadvantage of the known model is the need to use high-energy radiation.

Известны модели по созданию мощных лазеров с ядерной накачкой, в которых энергия деления ядер прямо преобразуется в энергию лазерного излучения (А.А. Серегин, П.П. Дьяченко, В.И. Лапидус, Е.А. Серегина // Квантовая электроника, 26(2), с. 98-102, 1999). Недостатками данной модели являются небольшая эффективность накачки, малое время жизни верхнего рабочего уровня и высокий уровень радиации.Models are known for the creation of high-power nuclear-pumped lasers, in which the energy of nuclear fission is directly converted into the energy of laser radiation (A.A. Seregin, P.P. Dyachenko, V.I. Lapidus, E.A. Seregina // Quantum Electronics, 26(2), pp. 98-102, 1999). The disadvantages of this model are the low pumping efficiency, the short lifetime of the upper working level, and the high level of radiation.

Известна модель радиационной накачки с использованием твердотельных радиолюминесцентных источников, в которых радиоактивный элемент помещен в аморфный полупроводник (см. патент US №5118951). В рамках известной модели β-излучение возбуждает неравновесные электронно-дырочные пары, при рекомбинации которых может излучаться свет. Эффективность люминесценции определяется отношением излучательно-рекомбинирующих пар к общему числу возбужденных неравновесных электронно-дырочных пар. Скорость излучательной рекомбинации зависит от времени жизни носителей и коэффициента рекомбинации, который выражает для данной пары вероятность рекомбинировать излучательно.A known model of radiation pumping using solid-state radioluminescent sources, in which the radioactive element is placed in an amorphous semiconductor (see US patent No. 5118951). Within the known model, β-radiation excites non-equilibrium electron-hole pairs, the recombination of which can emit light. The luminescence efficiency is determined by the ratio of radiative-recombining pairs to the total number of excited nonequilibrium electron-hole pairs. The rate of radiative recombination depends on the carrier lifetime and the recombination coefficient, which expresses for a given pair the probability of recombining radiatively.

Недостатком известной модели является то, что используемые в качестве материала, обеспечивающего генерацию электронно-дырочных пар, аморфные полупроводники обладают коротким временем жизни носителей (значительно менее 1 нс) и, как следствие, с более низким по сравнению со стандартными структурами коэффициентом рекомбинации.A disadvantage of the known model is that amorphous semiconductors used as a material that provides the generation of electron-hole pairs have a short carrier lifetime (significantly less than 1 ns) and, as a result, a recombination coefficient lower than that of standard structures.

Сущность предлагаемой модели накачки полупроводникового лазера заключается в том, что в качестве источника накачки используется радиоактивный β-источник, обеспечивающий полную автономность лазерного комплекса от внешних источников электрического питания.The essence of the proposed model for pumping a semiconductor laser is that a radioactive β-source is used as a pumping source, which ensures the complete autonomy of the laser complex from external sources of electrical power.

Известен твердотельный радиолюминесцентный лазерный источник на основе кристаллической полупроводниковой гомо- или гетероструктуры (Patent US 5561679, Mannik et al.). Энергетическая диаграмма данной структуры (активного элемента соответствующего лазера) имеет вид одной или нескольких квантовых ям (в структуре чередуются полупроводники с низким и высоким уровнями запрещенной зоны, например GaAs и GaAlAs). Собственно источник представляет собой поверхностно излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL - vertical cavity surface emitting laser). Это изобретение взято за прототип.Known solid-state radioluminescent laser source based on a crystalline semiconductor homo - or heterostructures (Patent US 5561679, Mannik et al.). The energy diagram of this structure (the active element of the corresponding laser) has the form of one or more quantum wells (semiconductors with low and high bandgap levels alternate in the structure, such as GaAs and GaAlAs). The source itself is a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL). This invention is taken as a prototype.

Недостатками данного устройства являются низкая мощность выходного излучения, составляющая менее 100 мВт и значительная летучесть радиоактивного источника.The disadvantages of this device are the low output power of less than 100 mW and the significant volatility of the radioactive source.

Сущность предлагаемого полупроводникового лазера заключается в том, что лазер дополнительно оснащен полупроводниковой структурой на квантовых точках, обладающих более низким порогом возбуждения генерации.The essence of the proposed semiconductor laser lies in the fact that the laser is additionally equipped with a semiconductor structure based on quantum dots, which have a lower generation excitation threshold.

Использование предлагаемого устройства обеспечивает следующий технический результат: снижение порога генерации и увеличение мощности полупроводникового лазера с накачкой от радиоактивного элемента.The use of the proposed device provides the following technical result: lowering the generation threshold and increasing the power of a semiconductor laser pumped from a radioactive element.

Особенность заключается в том, что в качестве источника накачки используется радиоактивный β-источник, обеспечивающей полную автономность лазерного комплекса от внешних источников электрического питания.The peculiarity lies in the fact that a radioactive β-source is used as a pumping source, which ensures the complete autonomy of the laser complex from external sources of electrical power.

Устройство, реализующее предложенную модель, представляет собой дисковый полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором с внешним зеркалом.The device that implements the proposed model is a disk semiconductor laser with a vertical cavity with an external mirror.

Особенность заключается в том, что лазер дополнительно оснащен полупроводниковой структурой на квантовых точках, обладающих более низким порогом возбуждения генерации.The peculiarity lies in the fact that the laser is additionally equipped with a semiconductor structure based on quantum dots, which have a lower generation excitation threshold.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленной полезной модели, изложенных в формуле полезной модели.The analysis of the prior art carried out by the applicant, including searching through patents and scientific and technical sources of information and identifying sources containing information about analogues of the claimed utility model, made it possible to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all essential features of the claimed utility model. The definition from the list of identified analogues of the prototype, as the analogue closest in terms of essential features, made it possible to identify a set of distinguishing features that are essential in relation to the technical result perceived by the applicant in the claimed utility model, set forth in the formula of the utility model.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».Therefore, the claimed utility model meets the condition of "novelty".

На фиг. 1 представлено схематическое изображение полупроводникового дискового лазера на квантовых точках и структура энергетических уровней. Позиции фиг. 1:In FIG. 1 shows a schematic representation of a semiconductor disk quantum dot laser and the energy level structure. The positions of FIG. one:

1 - внешнее зеркало;1 - external mirror;

2 - β-источник, Ni-63;2 - β-source, Ni-63;

3 - подложка;3 - substrate;

4 - активная область;4 - active area;

5 - зеркало;5 - mirror;

6 - окно;6 - window;

7 - барьер;7 - barrier;

8 - квантовые точки;8 - quantum dots;

9 - разделитель.9 - separator.

На фиг. 2 представлена структура квантовых точек InAs (0.5 ML - половина монослоя) в матрице GaAs. Расстояние между квантовыми точками 2.3 монослоя GaAs. Плотность около 1011 квантовых точек на см2.In FIG. Figure 2 shows the structure of InAs quantum dots (0.5 ML - half a monolayer) in a GaAs matrix. The distance between quantum dots is 2.3 GaAs monolayers. The density is about 1011 quantum dots per cm2 .

Дисковый полупроводниковый лазер (фиг. 1) представляет собой VCSEL-лазер с внешним зеркалом. Использование внешнего зеркала позволяет увеличить площадь активного элемента и использовать внутрирезонаторную технику синхронизации мод при помощи насыщающего поглотителя. Данная техника позволяет при невысокой средней мощности выходного излучения получать значительные пиковые мощности импульсов. В качестве активной среды предлагается использовать структуру, основанную на квантовых точках. На фиг. 2 представлена структура квантовых точек, полученная эпитаксиальным методом субмонослойного выращивания.The disk semiconductor laser (FIG. 1) is a VCSEL laser with an external mirror. The use of an external mirror makes it possible to increase the area of the active element and to use the intracavity mode locking technique with the help of a saturating absorber. This technique makes it possible to obtain significant peak pulse powers at a low average output radiation power. It is proposed to use a structure based on quantum dots as an active medium. In FIG. Figure 2 shows the structure of quantum dots obtained by the epitaxial method of submonolayer growth.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device works as follows.

Испускаемые радиоизотопным источником электроны бомбардируют полупроводниковую гетероструктуру со структурой квантовых точек. При этом квантовые точки (в области их излучения) используются в качестве активной лазерной среды в виде квантоворазмерной структуры, обеспечивающей компрессию электронно-дырочных пар путем чередования большого числа (потенциально значительно более 100) полупроводниковых слоев с различной шириной запрещенной зоны. Это должно привести к повышению эффективности работы соответствующих лазеров при комнатной температуре. Использование квантовых точек позволяет существенно снизить мощность накачки, необходимую для создания инверсной населенности, т.е. достигнуть энергетического порога генерации, что является крайне важным в случае радиоактивной накачки, мощность которой ограничена активностью используемого радиоактивного источника. Кроме того, использование квантовых точек дает дополнительные конструктивные преимущества: изменяя размер точек, можно изменять длину волны генерируемого излучения, структура квантовых точек не столь чувствительна к изменению температуры.The electrons emitted by the radioisotope source bombard the semiconductor heterostructure with the structure of quantum dots. In this case, quantum dots (in the region of their emission) are used as an active laser medium in the form of a quantum-sized structure that provides compression of electron-hole pairs by alternating a large number (potentially significantly more than 100) of semiconductor layers with different band gaps. This should lead to an increase in the efficiency of the corresponding lasers at room temperature. The use of quantum dots makes it possible to significantly reduce the pump power required to create a population inversion; reach the energy generation threshold, which is extremely important in the case of radioactive pumping, the power of which is limited by the activity of the radioactive source used. In addition, the use of quantum dots provides additional design advantages: by changing the size of the dots, it is possible to change the wavelength of the generated radiation; the structure of quantum dots is not so sensitive to temperature changes.

Для создания большего усиления, необходимо использовать многослойную структуру квантовых точек с количеством слоев более 100.To create more gain, it is necessary to use a multilayer quantum dot structure with more than 100 layers.

В качестве радиоактивного источника накачки нами предлагается использовать не летучий тритий, а β-активный изотоп Ni-63, получаемый в ОАО «ГНЦ НИИ атомных реакторов» (г. Димитровград). Энергетический спектр β-электронов данного радиоизотопа варьируется в диапазоне от 0 до 66.7 кэВ, со средней энергией 17.1 кэВ. Эти энергии позволяют генерировать свободные носители (около 3-5 тысяч электронно-дырочных пар на одну β-частицу), но лежат ниже диапазона дефектообразования и не могут приводить к дефектам и разрушению кристаллической структуры полупроводника. Электроны таких энергий не могут проникать в кожные слои и нанести вред здоровью человека (Nagornov Y.S., Radchenko V.M., Pchelintceva E.S., Kostishko B.M., Risovany V.D., Materials of IV Russian seminar of fibre lasers, pp. 131-132, 2010). Пленка с радионуклидом размещается внутри корпуса полупроводникового дискового лазера. Большая площадь поверхности дискового лазера по сравнению с VCSEL-лазером позволяет разместить большее количество радиоизотопа, что повышает мощность накачки и также увеличивает выходную мощность лазера.As a radioactive pumping source, we propose to use not volatile tritium, but the β-active isotope Ni-63, obtained at the State Scientific Center of the Research Institute of Atomic Reactors (Dimitrovgrad). The energy spectrum of β-electrons of this radioisotope varies in the range from 0 to 66.7 keV, with an average energy of 17.1 keV. These energies make it possible to generate free carriers (about 3-5 thousand electron-hole pairs per β-particle), but they lie below the defect formation range and cannot lead to defects and destruction of the semiconductor crystal structure. Electrons of such energies cannot penetrate the skin layers and harm human health (Nagornov Y.S., Radchenko V.M., Pchelintceva E.S., Kostishko B.M., Risovany V.D., Materials of IV Russian seminar of fiber lasers, pp. 131-132, 2010). A film with a radionuclide is placed inside the body of a semiconductor disk laser. The larger surface area of the disk laser compared to the VCSEL laser allows more radioisotope to be accommodated, which increases the pump power and also increases the output power of the laser.

Таким образом, предложенный дисковый полупроводниковый лазер с накачкой посредством радиационного излучения обладает лучшими характеристиками, чем существующие аналоги, прежде всего - более низким порогом генерации, а также полной автономностью от внешних источников электропитания.Thus, the proposed disk semiconductor laser pumped by radiation has better characteristics than existing analogues, first of all, a lower generation threshold, as well as complete autonomy from external power supplies.

Claims (1)

Дисковый полупроводниковый лазер с радиационной накачкой представляет собой VCSEL-лазер с внешним зеркалом, где в качестве активного элемента используется полупроводниковая гетероструктура, отличающийся тем, что содержит структуру квантовых точек, а в качестве источника накачки используется радиоактивный β-источник Ni-63, представляющий собой пленку с радионуклидом, размещенную внутри корпуса полупроводникового дискового лазера, обеспечивающего полную автономность лазерного комплекса от внешних источников электрического питания.A radiation-pumped semiconductor disk laser is a VCSEL laser with an external mirror, where a semiconductor heterostructure is used as an active element, characterized in that it contains a quantum dot structure, and a Ni-63 radioactive β-source, which is a film, is used as a pump source. with a radionuclide, placed inside the body of a semiconductor disk laser, which ensures complete autonomy of the laser complex from external sources of electrical power.
RU2021135275U 2021-11-30 Radiation Pumped Semiconductor Disk Laser Using a β-Radiation Source RU213923U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU213923U1 true RU213923U1 (en) 2022-10-04

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2488767C2 (en) * 2011-07-27 2013-07-27 Николай Борисович Болотин Combat orbital nuclear-pumped laser
US9178333B2 (en) * 2014-03-29 2015-11-03 TeraDiode, Inc. High-power laser diode isolation and thermal management
WO2018044706A1 (en) * 2016-08-30 2018-03-08 TeraDiode, Inc. High-power laser packaging utilizing carbon nanotubes
RU2017139507A (en) * 2017-11-14 2019-05-14 Валерий Владимирович Крюков METHOD OF TRANSFORMING NUCLEAR ENERGY (ENERGY OF RADIOACTIVE DECOMPOSITION AND / OR FISSION) TO OPTICAL ENERGY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
RU2691164C1 (en) * 2018-03-27 2019-06-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Pulse injection laser

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2488767C2 (en) * 2011-07-27 2013-07-27 Николай Борисович Болотин Combat orbital nuclear-pumped laser
US9178333B2 (en) * 2014-03-29 2015-11-03 TeraDiode, Inc. High-power laser diode isolation and thermal management
WO2018044706A1 (en) * 2016-08-30 2018-03-08 TeraDiode, Inc. High-power laser packaging utilizing carbon nanotubes
RU2017139507A (en) * 2017-11-14 2019-05-14 Валерий Владимирович Крюков METHOD OF TRANSFORMING NUCLEAR ENERGY (ENERGY OF RADIOACTIVE DECOMPOSITION AND / OR FISSION) TO OPTICAL ENERGY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
RU2691164C1 (en) * 2018-03-27 2019-06-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Pulse injection laser

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pankove et al. Model for electroluminescence in GaN
RU213923U1 (en) Radiation Pumped Semiconductor Disk Laser Using a β-Radiation Source
US4760579A (en) Quantum well laser with charge carrier density enhancement
Barnes Invited Paper Radiation-Hardened Optoelectronic Components: Sources
Capasso et al. Conversion of Poisson photons into sub-Poisson photons by the action of electron feedback
Dawson et al. In situ radiation damage studies of optoelectronics in the ATLAS SemiConductor Tracker
CN114336285A (en) Rare earth doped photon cascade VCSEL laser
Kobayashi et al. Observation of Pulsation from a Double‐Heterostructure Injection Laser Due to Lateral Optical Coupling
Enaroseha et al. Rate Equation Analysis of the 2.9 μm Holmium-Doped Potassium Lead Bromide (Ho: KPb 2 Br 5) Transition for Diode Laser Application.
Sokolovskiĭ et al. Switching between generation of two quantum states in quantum-well laser diodes
Phifer Effects of radiation on laser diodes.
Carson Radiation effects in semiconductor laser diode arrays
Alferov et al. Model of a YAG: Nd3+ laser with a semiconductor converter in the pump system
Hollering et al. Relaxation of hot two dimensional carriers in a strong magnetic field studied with picosecond photoluminescence
Itoh et al. Stimulated ultraviolet emission from BaF 2 under core-level excitation with undulator radiation
Chusseau et al. Rate-equation approach to atomic-laser light statistics
Barnes et al. Proton irradiation effects in oxide-confined vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) diodes
US4835787A (en) Fusion pumped light source
Adams et al. Wave-guiding properties of GaAs AlxGa1− xAs heterostructure lasers
EP0990282B1 (en) Compact high efficiency electrical power source
Alferov et al. Lowering the threshold pump levels in lasers by self-absorption of spontaneous emission
Vasyanovich et al. Modeling of the organic laser action driven by electrochemical pumping
Huda et al. Prospects of Laser Operation in Erbium Doped Silicon
Seldem Gain requirement for a gamma-ray laser
Hossain Development of an analytical model of erbium doped silicon laser diode