двухчастотный лазерный электронно-лучевой прибор для генерации пикосекундных импульсов

Формула изобретения

Лазерный электронно-лучевой прибор, включающий электронную пушку, системы фокусировки и отклонения электронного пучка и лазерный экран, включающий плоскопараллельную полупроводниковую пластину с нанесенными на ее поверхности отражающими покрытиями, отличающийся тем, что содержит дополнительно СВЧ отклоняющую систему, расположенную между электронной пушкой и системой отклонения, и щелевую маску, выполненную из поглощающего электроны материала, расположенную на лазерном экране со стороны электронного пучка, причем полупроводниковая пластина выполнена из полупроводниковых материалов с различной длиной волны генерируемого излучения в областях, расположенных по разные стороны произвольно взятой перемычки щелевой маски.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к электронной и лазерной технике, а более конкретно к лазерным электронно-лучевым приборам - пикосекундным сканирующим полупроводниковым лазерам с накачкой электронным пучком для измерительной и медицинской техники.

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 полупроводниковую пластину с нанесенными на ее поверхности отражающими покрытиями.

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.

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 B), 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.

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.

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:

T=2n*L/c,

где n* - эффективный показатель преломления внутрирезонаторной среды, L - расстояние между зеркалами резонатора, с - скорость света в вакууме.

Недостаток данного прибора состоит в том, что отклонение и острая фокусировка электронного пучка по всему лазерному экрану, а следовательно, сканирование лазерного излучения практически неосуществимы 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.

Недостаток известных приборов состоит в невозможности генерации синхронизированных пикосекундных импульсов лазерного излучения нескольких длин волн света.

В основу настоящего изобретения поставлена задача обеспечения генерации синхронизированных пикосекундных импульсов лазерного излучения, по крайней мере, двух длин волн с возможностью сканирования лазерного излучения в пределах, определяемых размером лазерного экрана.

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, при этом области полупроводниковой пластины, расположенные по разные стороны от произвольно взятой перемычки щелевой маски, выполнены из полупроводниковых материалов с различной длиной волны генерируемого излучения. Щелевая маска может быть выполнена, в частности, с прямоугольными 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).

Сущность изобретения поясняется на чертеже.

На чертеже приведен схематически изображенный в разрезе предлагаемый лазерный электронно-лучевой прибор для варианта щелевой маски с длинными параллельными щелями и двух длин волн излучения.

Лазерный электронно-лучевой прибор содержит вакуумированную оболочку 1, электронную пушку 2, дополнительную СВЧ отклоняющую систему 3, системы фокусировки 4 и отклонения 5 электронного пучка 6, лазерный экран 7, представляющий собой полупроводниковую плоскопараллельную пластину, состоящую из чередующихся полос полупроводникового материала 8а и 8б с различными длинами волн излучения ₁ и ₂, отражающих покрытий 9, 10 и щелевой маски 11.

Лазерный электронно-лучевой прибор в одном из вариантов использования работает следующим образом. Электронный пучок, формируемый электронной пушкой, фокусируется системой фокусировки и направляется системой отклонения в выбранное место лазерного экрана так, чтобы центр электронного пучка находился на оси одной из перемычек щелей щелевой маски при отключенной СВЧ развертке. При подаче СВЧ напряжения на СВЧ отклоняющую систему электронный пучок периодически отклоняют перпендикулярно оси выбранной перемычки с частотой, задаваемой внешним генератором СВЧ развертки. При амплитуде СВЧ напряжения достаточной, чтобы электронный пучок в крайних положениях СВЧ развертки полностью перемещался на обе излучательные области экрана, смежные с выбранной перемычкой щелевой маски, из выбранной области экрана генерируются синхронизированные импульсы лазерного излучения пикосекундной длительности двух частот (длин волн). Время задержки импульсов определяется частотой СВЧ развертки и шириной перемычки щелевой маски.

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*10 ¹⁰ 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 синхронизированных сверхкоротких импульсов двух длин волн с длительностью ~10^-12 с.

В наиболее простом варианте исполнения лазерный экран предлагаемого прибора выполнен из отполированного с обеих сторон поперечного плоскопараллельного среза предварительно склеенной стопы полупроводниковых монокристаллических пластин, изготовленных из двух полупроводниковых материалов с различной длиной волны генерируемого излучения, чередующихся в упомянутой стопе.

В предпочтительном варианте исполнения лазерного экрана предлагаемого прибора линейные излучающие области полупроводникового материала с различной шириной запрещенной зоны могут быть выполнены легированием в объеме полупроводникового материала лазерного экрана.

В качестве материалов лазерного экрана могут быть использованы монокристаллы тройных полупроводниковых соединений группы A_II B_VI, (CdS_1-x Se_x, Zn_xCd_1-xS, Zn_x Cd_1-xSe, ZnSe_1-xTe_x) и эпитаксиальные пленки GaP_xAs_1-x и Al_xGa _1-xAs, выращенные на подложках из GaAs и GaP, а также многослойные гетероструктуры на их основе.