RU2216837C2 - Оптический ограничитель - Google Patents
Оптический ограничитель Download PDFInfo
- Publication number
- RU2216837C2 RU2216837C2 RU2001126690A RU2001126690A RU2216837C2 RU 2216837 C2 RU2216837 C2 RU 2216837C2 RU 2001126690 A RU2001126690 A RU 2001126690A RU 2001126690 A RU2001126690 A RU 2001126690A RU 2216837 C2 RU2216837 C2 RU 2216837C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- energy
- levels
- semiconductor
- limiter
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к оптическим ограничителям лазерного излучения. Разработано устройство для ограничения интенсивности лазерного излучения на основе нелинейных эффектов в полупроводниковом элементе. Нелинейно-оптический элемент выполнен из полупроводника с глубокими примесными уровнями либо глубокими уровнями дефектов в запрещенной зоне с энергетическим зазором между этими уровнями и дном зоны проводимости, меньшим энергии фотона. Концентрация примеси или дефектов лежит в пределах 1015-1018 см-3. Технический результат изобретения - расширение диапазона рабочих параметров ограничителя, в частности снижение энергетического порога ограничения излучения. 3 ил.
Description
Изобретение относится к оптике и может быть использовано в лазерной технике.
Известен ограничитель лазерного излучения [1, 2], состоящий из полупроводникового нелинейно-оптического элемента и диафрагмы. Полупроводниковый нелинейно-оптический элемент имеет ширину запрещенной зоны Eg, большую энергии фотона hν, но меньшую удвоенной энергии фотона (hν<Eg<2hν). Торцы нелинейно-оптического элемента имеют сферическую поверхность и выполняют функцию линз. Ограничение интенсивности излучения в таком устройстве происходит благодаря самодефокусировке излучения в полупроводнике при двухфотонном поглощении.
Недостатками такого ограничителя являются относительно высокий порог ограничения излучения и узкая спектральная область функционирования - для получения ограничения энергия фотона должна лежать в пределах Eg/2<hν<Eg.
Известен ограничитель лазерного излучения, выбранный в качестве прототипа [3], состоящий из двух софокусных линз, диафрагмы, расположенной за второй линзой, и нелинейно-оптического полупроводникового элемента, с шириной запрещенной зоны Eg, большей энергии фотона hν, но меньшей удвоенной энергии фотона (hν<Eg<2hν), расположенного в общей фокальной плоскости линз. Ограничение интенсивности излучения происходит благодаря самодефокусировке излучения в полупроводнике при двухфотонном поглощении [2, 3]. В результате двухфотонного поглощения в полупроводнике происходит генерация неравновесных электронно-дырочных пар, приводящая к уменьшению показателя преломления полупроводника в области воздействия излучения, то есть к образованию динамической отрицательной линзы, на которой происходит дефокусировка излучения. Недостатками такого ограничителя является относительно высокий энергетический порог ограничения излучения - 10-100 нДж, узкая спектральная область функционирования - Eg/2<hν<Eg и то, что наиболее эффективное ограничение излучения может быть получено лишь в пикосекундном диапазоне длительности импульса излучения. При длительности импульса излучения десятки наносекунд - единицы микросекунд энергетический порог ограничения увеличивается в 10-3-10-4 раз.
Целью данного изобретения является уменьшение энергетического порога ограничения излучения и расширение спектральной и временной области применения ограничителя.
Поставленная цель достигается тем, что нелинейно-оптический элемент ограничителя выполнен из полупроводника с глубокими примесными уровнями либо глубокими уровнями дефектов в запрещенной зоне с энергетическим зазором между этими уровнями и дном зоны проводимости, меньшим энергии фотона, причем концентрация примеси или дефектов лежит в пределах 1015-1018 см-3.
В этом случае основным механизмом генерации неравновесных носителей заряда является не двухфотонное поглощение излучения, имеющее высокий порог возникновения, а примесное однофотонное поглощение, которое имеет место даже при интенсивности излучения, стремящейся к нулю. Это позволяет уменьшить энергетический порог ограничения излучения. За счет уменьшения порога ограничения - увеличить коэффициент ослабления излучения. Так как в данном случае спектральная область ограничения определяется не только шириной запрещенной зоны полупроводника, как в случае двухфотонного ограничения, но и энергией ионизации примеси (ΔE<Eg), то спектральная область ограничения увеличивается в сторону меньших энергий фотона - ΔE<hν<Eg. Так как процесс является однофотонным и благодаря тому что время примесной рекомбинации неравновесных носителей заряда превышает время межзонной рекомбинации, повышается эффективность ограничения в наносекундном и микросекундном диапазоне длительности импульса излучения.
Данное техническое решение является новым, а совокупность отличительных признаков не следует из известных технических решений. Существенность отличительных признаков заключается в том, что в ограничителе излучения используется полупроводниковый нелинейно-оптический элемент с глубокими примесными уровнями либо уровнями дефектов с энергией ионизации, меньшей энергии фотона.
Конкретные примеры реализации изобретения.
На фиг. 1 показана конструкция ограничителя излучения. Ограничитель состоит из двух софокусных линз 1 и 3 с фокусными расстояниями F1 и F2 соответственно, нелинейного элемента 2, расположенного в общей фокальной плокости линз, и диафрагмы 4, расположенной на расстоянии L от второй линзы и пропускающей 90% падающего излучения при отсутствии нелинейного элемента. В качестве нелинейного полупроводникового элемента использовались пластина из компенсированного GaAs (Eg= 1,45 эВ), содержащего глубокие примесные уровни с энергией ионизации ΔЕ=0,6-0,7 эВ [4], концентрацией примеси 1016 см-3 и толщиной 5 мм, либо пластина из ZnSe (Eg=2,7 эВ), с глубокими уровнями в запрещенной зоне, образованными дефектами - междоузельным цинком и вакансиями цинка и селена с ΔЕ=0,23, 1,1 и 1,58 эВ с концентрацией 1018 см13, толщина пластины ZnSe - 5 мм.
Ограничитель работает следующим образом. Под действием импульса излучения с энергией фотонов ΔE<hν<Eg в полупроводниковой пластине происходит генерация неравновесных носителей с глубоких примесных уровней в зону проводимости. При низкой энергии падающего излучения скорость генерации носителей не превышает скорость их рекомбинации, поэтому с увеличением энергии излучения на входе ограничителя энергия излучения на его выходе растет линейно. При некоторой пороговой энергии излучения на входе скорость генерации носителей начинает превышать скорость их рекомбинации. При этом в полупроводнике возникает отрицательная линза, приводящая к дефокусировке излучения, в результате чего уменьшается энергия излучения, прошедшего через диафрагму.
На фиг. 2 показаны зависимости энергии излучения на выходе ограничителя от энергии излучения на его входе для нелинейно-оптического элемента из GaAs при длине волны падающего излучения 1,315 мкм (hν=0.95 эВ) и длительности импульса излучения τ=50 нс (кривая 1) и τ=6 мкс (кривая 2), а также для нелинейно-оптического элемента из ZnSe для длины волны 1.54 мкм (hν=0.8 эВ) и длительности импульса излучения 20 нс (кривая 3). В первом случае F1=25 мм, F2= 15 мм, L=50 мм, во втором и в третьем случаях - F1=6 мм, F2=4 мм, L=60 мм. Энергетический порог ограничения в первом случае равен 2 пДж, во втором - 10 пДж и в третьем - 60 пДж. Ограничение происходит в диапазоне изменения входной энергии для первого случая - 2•10-12-10-8 Дж, во втором случае - 10-11-10-3 Дж и в третьем случае - 6•10-11-10-4 Дж. Коэффициент ослабления сигнала в режиме ограничения излучения в первом и третьем случаяхе равен 104, во втором случае равен 105.
На фиг. 3 показана зависимость энергии излучения на выходе ограничителя от энергии излучения на его входе для нелинейно-оптического элемента из ZnSe для излучения в спектральной области 3.8-4.2 мкм и длительности импульса излучения τ=250 нс при F1=50 мм, F2=30 мм, L=100 мм. В данном случае также наблюдается ограничение излучения с энергетическим порогом 500 мкДж в диапазоне 5•10-4-0.0025 Дж.
Из приведенных примеров следует, что использование для ограничения излучения полупроводников с глубокими уровнями в запрещенной зоне позволяет уменьшить порог ограничения излучения в 10-3-10-4 раз по сравнению с порогом ограничения за счет двухфотонного поглощения, предложенного в прототипе, причем такое уменьшение порога ограничения достигается как в нано- так и в микросекундном диапазоне длительности импульса излучения, тем самым происходит расширения временного диапазона функционирования ограничителя. Из приведенных примеров также следует, что для ZnSe с глубокими уровнями в запрещенной зоне спектральная область ограничения излучения расширяется до 4 мкм, в то время как при двухфотонном поглощении ограничение возможно лишь в спектральном интервале от 0,47 до 0,9 мкм. Таким образом, изобретение позволяет уменьшить энергетический порог ограничения излучения и расширить спектральную и временную области применения ограничителя по сравнению с прототипом.
Изобретение может быть использовано в лазерных оптических системах для управления амплитудой лазерных импульсов, а также для защиты фотоприемных устройств от ослепления излучением высокой интенсивности и разрушения излучением.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент 4.846.561 (USA), 11.07.89.
1. Патент 4.846.561 (USA), 11.07.89.
2. Е.W. Van Stryland, Y.Y. Wu, D.J. Hagan, M.J. Soileau, K. Mansour. Optical limiting with semiconductors. J. Opt. Soc. Am. B, V.5, N9, P. 1980-1988, 1988.
3. T. F. Boggess, A.L. Smirl, S.C. Moss, I.W. Boyd, E.W. Van Stryland. Optical limiting in GaAs. IEEE J. of Quant. Electr., V. QE-21, N5, P.488-494, 1985.
4. A. Chantre, G. Vincent, D. Bois. Deep-level spectroscopy in GaAs. Physical Review B, V.23, N10, P.5335-5358, 1981.
Claims (1)
- Оптический ограничитель, содержащий оптическую систему с действительным фокусом и полупроводниковый нелинейно-оптический элемент, отличающийся тем, что нелинейно-оптический элемент выполнен из полупроводника с глубокими примесными уровнями либо глубокими уровнями дефектов в запрещенной зоне с энергетическим зазором между этими уровнями и дном зоны проводимости, меньшим энергии фотона, причем концентрация примеси или дефектов лежит в пределах 1015-1018 см-3.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001126690A RU2216837C2 (ru) | 2001-10-01 | 2001-10-01 | Оптический ограничитель |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001126690A RU2216837C2 (ru) | 2001-10-01 | 2001-10-01 | Оптический ограничитель |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2001126690A RU2001126690A (ru) | 2003-08-27 |
RU2216837C2 true RU2216837C2 (ru) | 2003-11-20 |
Family
ID=32026905
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2001126690A RU2216837C2 (ru) | 2001-10-01 | 2001-10-01 | Оптический ограничитель |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2216837C2 (ru) |
-
2001
- 2001-10-01 RU RU2001126690A patent/RU2216837C2/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
T.F. BOGGESS et al. Optical limiting in GaAs. IEEE Journal of Quantum Electronics, v.21, № 5, p.488-494, 1985. АСИМОВ М.М. и др. Подавление фона свободной генерации при инжекции внешнего монохроматического излучения в резонатор высокоэнергетичного лазера на красителе с ламповой накачкой/ Квантовая электроника, 1990, № 4, с.443-445, т.17. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Tutt et al. | A review of optical limiting mechanisms and devices using organics, fullerenes, semiconductors and other materials | |
US3620597A (en) | Method and apparatus for nonlinear optical limiting | |
US5805326A (en) | Optical limiter structure and method | |
Naga Srinivas et al. | Wavelength dependent studies of nonlinear absorption in zinc meso-tetra (p-methoxyphenyl) tetrabenzoporphyrin (Znmp TBP) using Z-scan technique | |
US4846561A (en) | Monolithic optical power limiter based on two-photon absorption | |
US5491579A (en) | Broadband thermal optical limiter for the protection of eyes and sensors | |
US11712754B2 (en) | Device and method for laser-based separation of a transparent, brittle workpiece | |
US20110051231A1 (en) | Light excited limiting window | |
US4776677A (en) | Means and method for reducing the amount of light irradiating an object | |
RU2216837C2 (ru) | Оптический ограничитель | |
US5018842A (en) | Optical switch device | |
EP3455674B1 (en) | Anti-dazzle imaging camera and method | |
US5317454A (en) | Broadband self-activated optical power limiter system and device | |
Kim et al. | Nonlinear optical effects in glasses containing copper chloride nanocrystals | |
US3801825A (en) | Apparatus for detecting coherent radiant energy | |
US5080468A (en) | Device for limiting maximum radiation intensity | |
Hernandez et al. | Dual focal plane visible optical limiter | |
Aithal et al. | Optical limiting studies in photorefractive pure and iron-doped Bi 12 SiO 20 crystals | |
Oron et al. | IR and visible wideband protection filter | |
Donval et al. | Nanotechnology Based Optical Power Control Devices | |
Bagrov et al. | Nano-and microsecond laser pulse confinement in compensated gallium arsenide | |
Bagrov et al. | Low-threshold limitation of IR radiation in impurity semiconductors | |
Rychnovsky et al. | Optical nonlinearities and optical limiting in GaP at 532 nm | |
RU2481604C1 (ru) | Устройство для ограничения интенсивности лазерного излучения | |
RU2555211C1 (ru) | Оптический пассивный затвор |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181002 |