RU2391753C1

RU2391753C1 - Laser electron-beam device for generating picosecond pulses

Info

Publication number: RU2391753C1
Application number: RU2008138032/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Уласюк (RU); Владимир Николаевич Уласюк; Валентина Филипповна Уласюк (RU); Валентина Филипповна Уласюк
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "ЭЛИТАР"
Priority date: 2008-09-23
Filing date: 2008-09-23
Publication date: 2010-06-10
Also published as: RU2008138032A

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: laser electron-beam device has series arranged electron gun, microwave deflection system, electron beam focusing and deflection system and laser screen, which includes a plane-parallel semiconductor plate with reflecting coatings on its surface and a slotted mask made from material which is not transparent for electrons, lying on the side of the electron beam. When voltage which is sufficient for displacement of the electron beam on the laser screen by the width of the slit, is applied across the microwave deflection system, picosecond radiation pulses are generated from the selected point on the axis of any of the slits of the mask. ^ EFFECT: generation of picosecond pulses with possibility of scanning laser radiation within limits defined by the size of the laser screen. ^ 4 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к электронной и лазерной технике, а более конкретно к лазерным электронно-лучевым приборам - сканирующим полупроводниковым лазерам с накачкой электронным пучком для измерительной и медицинской техники.The present invention relates to electronic and laser technology, and more particularly to laser electron-beam devices - scanning semiconductor lasers pumped by an electron beam for measuring and medical equipment.

Известен лазерный электронно-лучевой прибор [Патент РФ №2080718, кл. Н01S 3/18, 1997], содержащий электронную пушку и лазерный экран, содержащий полупроводниковую пластину с нанесенными на ее поверхности отражающими покрытиями, приклеенную оптически прозрачным клеем к лейкосапфировому хладопроводу, причем на лазерном экране выполнен дополнительно слой оксида алюминия толщиной (0,152±0,002)λ (где λ - длина волны излучения лазерного экрана), напыленный на поверхность лейкосапфирового хладопровода, к которому приклеена полупроводниковая пластина.Known laser electron-beam device [RF Patent No. 2080718, class. Н01S 3/18, 1997], containing an electron gun and a laser screen, containing a semiconductor wafer with reflective coatings deposited on its surface, glued with an optically transparent glue to a leucosapphire cold conductor, and an additional layer of aluminum oxide with a thickness of (0.152 ± 0.002) λ is made on the laser screen (where λ is the radiation wavelength of the laser screen) sprayed onto the surface of a leucosapphire cold conductor to which a semiconductor wafer is adhered.

Известен лазерный электронно-лучевой прибор [В.Н.Уласюк. Квантоскопы. - М.: Радио и связь, 1988, с.105-108], содержащий электронную пушку с катодом и модулирующим электродом (модулятором), системы фокусировки и отклонения электронного пучка и лазерный экран, содержащий плоскопараллельную полупроводниковую пластину с нанесенными на ее поверхности отражающими покрытиями. Этот прибор наиболее близок к предлагаемому и поэтому выбран за прототип.Known laser electron-beam device [V.N. Ulasyuk. Quantoscopes. - M .: Radio and communication, 1988, pp. 105-108], containing an electron gun with a cathode and a modulating electrode (modulator), electron beam focusing and deflection systems and a laser screen containing a plane-parallel semiconductor wafer with reflective coatings deposited on its surface . This device is the closest to the proposed and therefore selected for the prototype.

В известном приборе остросфокусированный (~10÷100 мкм) электронный пучок, сканируя по лазерному экрану, возбуждает излучение в полупроводнике, то есть точка экрана, возбуждаемая в данный момент электронным пучком, становится мини-лазером. Излучение выходит наружу через отражающее покрытие. Мощность излучения в конкретной точке лазерного экрана определяется уровнем накачки (током электронного пучка) и добротностью резонатора. Модулируя ток электронного пучка импульсным напряжением, подаваемым на модулятор, и отклоняя с помощью системы отклонения электронный пучок, сфокусированный фокусирующей системой, можно управлять длительностью и мощностью лазерных импульсов и осуществлять сканирование лазерного излучения в пределах лазерного экрана.In a known device, a sharply focused (~ 10 ÷ 100 μm) electron beam, scanning on a laser screen, excites radiation in a semiconductor, that is, the point of the screen that is currently excited by the electron beam becomes a mini-laser. The radiation comes out through a reflective coating. The radiation power at a particular point on the laser screen is determined by the level of pumping (electron beam current) and the quality factor of the resonator. By modulating the electron beam current with the pulse voltage supplied to the modulator and deflecting the electron beam focused by the focusing system using the deflection system, it is possible to control the duration and power of the laser pulses and scan the laser radiation within the laser screen.

Недостаток известного прибора состоит в том, что модуляция лазерного излучения пикосекундными импульсами в них практически нереализуема. Связано это с тем, что для получения тока электронного пучка, достаточного для эффективной лазерной генерации (~1 мА), необходимы относительно большое управляющее напряжение на модуляторе (~100 В), относительно большая площадь эмитирующей поверхности катода (~1 мм²) и относительно малое расстояние катод-модулятор (~10 мкм). Такая геометрия определяет относительно большую паразитную емкость катод-модулятор (~10^-11 Ф), вследствие чего реально достижимая длительность лазерных импульсов в известном приборе ограничена величиной порядка 1 нс.A disadvantage of the known device is that the modulation of laser radiation by picosecond pulses in them is practically unrealizable. This is due to the fact that to obtain an electron beam current sufficient for efficient laser generation (~ 1 mA), a relatively large control voltage at the modulator (~ 100 V), a relatively large area of the emitting surface of the cathode (~ 1 mm ² ), and short distance cathode-modulator (~ 10 microns). Such a geometry determines a relatively large parasitic capacitance of the cathode-modulator (~ 10 ^-11 F), as a result of which the achievable laser pulse duration in the known device is limited to about 1 ns.

Известен другой прибор на основе компактного ускорителя электронов с предварительной группировкой электронного потока [О.В.Богданкевич, С.А.Дарзнек, П.Г.Елисеев. Полупроводниковые лазеры. - М.: Наука, 1976, с.364-368], содержащий катод электронной пушки, трубки дрейфа, группирующие резонаторы, ускоряющие резонаторы, постоянный магнит, полупроводниковый лазерный монокристалл.Another device is known based on a compact electron accelerator with preliminary grouping of the electron beam [O.V. Bogdankevich, S. A. Darznek, P. G. Eliseev. Semiconductor lasers. - M .: Nauka, 1976, pp. 344-368], containing an electron gun cathode, drift tubes, grouping resonators, accelerating resonators, a permanent magnet, a semiconductor laser single crystal.

Ускоритель представляет собой обращенный клистрон средней мощности, работающий на частоте 8 ГГц, в котором электронный пучок, сформированный пушкой Пирса, последовательно проходит через четыре тороидальных резонатора, разделенных дрейфовыми трубками (первые два резонатора служат для группировки электронного потока в сгустки малой фазовой протяженности, два последующих - для ускорения электронных сгустков). Попадая на полупроводниковый монокристалл, электронный пучок вызывает генерацию лазерного излучения, интенсивность которого благодаря режиму самосинхронизации продольных мод на внутренней нелинейности активной полупроводниковой среды представляет собой регулярную последовательность пикосекундных импульсов. Период повторения этих импульсов Т определяется длиной лазерного резонатора L:The accelerator is an inverted medium-power klystron operating at a frequency of 8 GHz, in which the electron beam formed by the Pierce gun passes sequentially through four toroidal resonators separated by drift tubes (the first two resonators are used to group the electron beam into clusters of small phase length, the next two - to accelerate electron bunches). When an electron beam hits a semiconductor single crystal, it generates laser radiation, the intensity of which, due to the self-mode of longitudinal modes on the internal nonlinearity of the active semiconductor medium, is a regular sequence of picosecond pulses. The repetition period of these pulses T is determined by the length of the laser resonator L:

Т=2n*L/c,T = 2n * L / s,

где n* - эффективный показатель преломления внутрирезонаторной среды, L - расстояние между зеркалами резонатора, с - скорость света в вакууме.where n * is the effective refractive index of the intracavity medium, L is the distance between the cavity mirrors, and c is the speed of light in vacuum.

Недостаток данного прибора состоит в том, что отклонение и острая фокусировка электронного пучка по всему лазерному экрану, а следовательно, сканирование лазерного излучения, практически не осуществимы из-за размытия энергетического спектра электронов, которое слишком велико для использования в сканирующих лазерных электронно-лучевых приборах даже при использовании предложенной многорезонаторной схемы с предварительной группировкой электронного потока.The disadvantage of this device is that the deviation and sharp focusing of the electron beam across the entire laser screen, and therefore the scanning of laser radiation, are practically not feasible due to the smearing of the electron energy spectrum, which is too large for use in scanning laser electron-beam devices when using the proposed multiresonator circuit with a preliminary grouping of the electron beam.

В основу настоящего изобретения поставлена задача обеспечения генерации пикосекундных импульсов с возможностью сканирования лазерного излучения в пределах, определяемых размером лазерного экрана.The basis of the present invention is the task of ensuring the generation of picosecond pulses with the possibility of scanning laser radiation within the limits determined by the size of the laser screen.

Поставленная задача решается тем, что лазерный электронно-лучевой прибор, содержащий электронную пушку, системы фокусировки и отклонения электронного пучка и лазерный экран, включающий плоскопараллельную полупроводниковую пластину с нанесенными на ее поверхности отражающими покрытиями, содержит дополнительно СВЧ отклоняющую систему, размещенную между электронной пушкой и системой отклонения электронного пучка, и щелевую маску, выполненную из поглощающего электроны материала, расположенную на полупроводниковой пластине со стороны электронного пучка. Щелевая маска может быть выполнена, в частности, с круглыми или квадратными отверстиями, или же с длинными параллельными щелями. Маска может быть выполнена, например, нанесением на лазерный экран в вакууме пленки тяжелых металлов (Os, W, Pt, Au и др.) с последующей фотолитографией, либо может использоваться металлическая маска, подобная используемым в цветных кинескопах, вплотную прижатая к лазерному экрану (предпочтительный вариант).The problem is solved in that the laser electron-beam device containing the electron gun, focusing systems and deflection of the electron beam and the laser screen, including a plane-parallel semiconductor wafer with reflective coatings deposited on its surface, additionally contains a microwave deflecting system located between the electron gun and the system deflection of the electron beam, and a gap mask made of an electron-absorbing material located on the semiconductor wafer from the side electron beam. The slit mask can be made, in particular, with round or square holes, or with long parallel slots. The mask can be performed, for example, by applying a film of heavy metals (Os, W, Pt, Au, etc.) to a laser screen in vacuum, followed by photolithography, or a metal mask similar to that used in color picture tubes, which is pressed against the laser screen ( preferred option).

Сущность изобретения поясняется на фиг.1.The invention is illustrated in figure 1.

На фиг.1 приведен схематически изображенный в разрезе предлагаемый лазерный электронно-лучевой прибор для варианта щелевой маски с длинными параллельными щелями.Figure 1 shows a schematic sectional view of the proposed laser electron-beam device for a variant of the slit mask with long parallel slots.

Лазерный электронно-лучевой прибор содержит вакуумированную оболочку 1, электронную пушку 2, СВЧ отклоняющую систему 3, системы фокусировки 4 и отклонения 5 электронного пучка 6, лазерный экран 7, представляющий собой полупроводниковую пластину 8 с отражающими покрытиями 9, 10 и щелевую маску 11.The laser electron-beam device contains a vacuum shell 1, an electron gun 2, a microwave deflecting system 3, a focusing system 4 and an electron beam deflection 5, a laser screen 7, which is a semiconductor wafer 8 with reflective coatings 9, 10 and a slit mask 11.

Лазерный электронно-лучевой прибор работает следующим образом. Электронный пучок, формируемый электронный пушкой, фокусируется системой фокусировки и направляется системой отклонения в выбранное место лазерного экрана так, чтобы центр электронного пучка находился на оси одной из щелей щелевой маски при отключенной СВЧ-развертке. При подаче СВЧ-напряжения на СВЧ отклоняющую систему электронный пучок периодически отклоняют от оси выбранной щели с частотой, задаваемой внешним генератором СВЧ-развертки. При амплитуде СВЧ-напряжения достаточной, чтобы электронный пучок в крайних положениях СВЧ-развертки полностью затенялся поглощающими электроны перемычками щелевой маски, смежными с выбранной щелью, из выбранной точки экрана генерируются импульсы лазерного излучения пикосекундной длительности.Laser electron beam device operates as follows. The electron beam generated by the electron gun is focused by the focusing system and guided by the deflection system to a selected location on the laser screen so that the center of the electron beam is on the axis of one of the slots of the slit mask with the microwave scan turned off. When applying microwave voltage to the microwave deflecting system, the electron beam is periodically deflected from the axis of the selected slit with a frequency specified by an external microwave scan generator. When the microwave voltage amplitude is sufficient so that the electron beam in the extreme positions of the microwave scan is completely obscured by the electron-absorbing slit mask jumper adjacent to the selected slot, picosecond laser pulses are generated from the selected point on the screen.

При размещении СВЧ отклоняющей системы вблизи от электронной пушки как можно дальше от лазерного экрана и ширине щели, не превышающей диаметр электронного пучка, угол отклонения в СВЧ отклоняющей системе невелик. Это позволяет, как показали эксперименты, использовать СВЧ отклоняющие системы с уплощенными спиральными электродами, используемыми в СВЧ осциллографических ЭЛП, и стандартные маломощные генераторы и усилители СВЧ-колебаний с регулируемой частотой колебаний порядка 1·10¹⁰÷2·10¹⁰ Гц и амплитудой, не превышающей нескольких вольт. При этом длительность импульсов тока накачки лазерного экрана составляет ~10^-12 с, а интенсивность излучения представляет собой регулярную последовательность сверхкоротких импульсов с длительностью ~10^-12 с. При равенстве частоты СВЧ-развертки разности частот соседних продольных мод резонатора, определяемых Т, становится возможным режим активной синхронизации продольных мод более устойчивый, чем режим самосинхронизации.When placing the microwave deflecting system near the electron gun as far as possible from the laser screen and the slit width not exceeding the diameter of the electron beam, the deflection angle in the microwave deflecting system is small. This allows, as experiments have shown, the use of microwave deflecting systems with flattened spiral electrodes used in microwave oscillographic EBWs, and standard low-power oscillators and amplifiers of microwave oscillations with an adjustable oscillation frequency of the order of 1 · 10 ¹⁰ ÷ 2 · 10 ¹⁰ Hz and amplitude, not exceeding several volts. In this case, the duration of the pulses of the pump current of the laser screen is ~ 10 ^-12 s, and the radiation intensity is a regular sequence of ultrashort pulses with a duration of ~ 10 ^-12 s. If the frequency of the microwave scan is equal, the frequency difference of the adjacent longitudinal modes of the cavity determined by T becomes possible, the mode of active synchronization of the longitudinal modes is more stable than the self-synchronization mode.

Еще одним возможным вариантом исполнения лазерного экрана предлагаемого прибора может быть создание в объеме полупроводникового материала областей, которые поглощают фотоны с частотой, лежащей в полосе лазерной генерации прибора, например областей в виде параллельных полос с легированием полупроводника, приводящим к безизлучательной рекомбинации носителей и поглощению света, или же удалением в пределах полос части полупроводникового материала с заполнением образовавшихся щелей безизлучательно поглощающим электроны материалом, например диффузионно-твердеющим металлическим припоем Ga-In-Cu или Ga-In-Ag. Более детально второй вариант исполнения лазерного экрана предлагаемого прибора поясняется на фиг.2. Лазерный экран в этом исполнении состоит из полупроводниковой пластины 8 с отражающими покрытиями 9, 10 и поглощающими областями 11.Another possible embodiment of the laser screen of the proposed device may be the creation in the volume of the semiconductor material of areas that absorb photons with a frequency lying in the laser generation band of the device, for example, areas in the form of parallel bands with doping of the semiconductor, leading to nonradiative recombination of carriers and absorption of light, or by removing within the bands part of the semiconductor material with filling the formed gaps with non-radiation-absorbing electrons material, on An example is Ga-In-Cu or Ga-In-Ag diffusion hardening metal solder. In more detail, the second embodiment of the laser screen of the proposed device is illustrated in figure 2. The laser screen in this design consists of a semiconductor wafer 8 with reflective coatings 9, 10 and absorbing regions 11.

Для увеличения Т может быть использован внешний резонатор, изготовленный из материала прозрачного для генерируемого лазерного излучения, например лейкосапфира или алюмоиттриевого граната, приклеенный к тонкой полупроводниковой пластине, или полупроводниковая гетероструктура, содержащая относительно тонкий активный слой, выращенный эпитаксиальным способом на подложке прозрачной для излучения, генерируемого в активном слое. Более детально варианты исполнения лазерного экрана предлагаемого прибора с внешним резонатором поясняются на фиг.3 и 4. Лазерный экран в этом исполнении состоит из внешнего резонатора 7а, полупроводниковой пластины 8 с отражающими покрытиями 9, 10 и щелевой маски 11 (фиг.3) или поглощающих областей 11 (фиг.4).To increase T, an external resonator made of a material transparent to the generated laser radiation, for example, leucosapphire or yttrium aluminum garnet glued to a thin semiconductor wafer, or a semiconductor heterostructure containing a relatively thin active layer grown epitaxially on a transparent substrate for radiation generated can be used. in the active layer. In more detail, embodiments of the laser screen of the proposed device with an external resonator are illustrated in Figs. 3 and 4. The laser screen in this design consists of an external resonator 7a, a semiconductor wafer 8 with reflective coatings 9, 10 and a slit mask 11 (Fig. 3) or absorbing areas 11 (figure 4).

В качестве материала лазерного экрана могут быть использованы монокристаллы полупроводниковых соединений группы А_II B_VI (CdS, CdS_1-х Se_х, CdSe, Zn_x Cd_1-xS, ZnSe Zn_xCd_1-xSe, ZnSe_1-xTe_x) монокристаллы ZnO и GaAs, эпитаксиальные пленки GaP_xAs_1-x, и Al_xGa_1-xAs, выращенные на подложках из GaAs и GaP, а также гетероструктуры GaAs/GaAlAs, GaAs/GaPAs и CdS_1-xSe_x/CdS, в том числе квантоворазмерные гетероструктуры.Single crystals of group A _II B _VI semiconductor compounds (CdS, CdS _{1 x} Se _x , CdSe, Zn _x Cd _1-x S, ZnSe Zn _x Cd _1-x Se, ZnSe _1-x Te _x ) ZnO and GaAs single crystals, GaP _x As _1-x , and Al _x Ga _1-x As epitaxial films grown on GaAs and GaP substrates, as well as GaAs / GaAlAs, GaAs / GaPAs, and CdS _1-x Se _x heterostructures / CdS, including quantum-well heterostructures.

Claims

A laser electron beam device including an electron gun, focusing systems and electron beam deflection and a laser screen including a plane-parallel semiconductor wafer with reflective coatings deposited on its surface, characterized in that it further comprises a microwave deflecting system located between the electron gun and the deflection system, and a slit mask made of an electron-absorbing material located on the laser screen from the side of the electron beam.