КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР (ЛАЗЕР) С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к терагерцовым квантовым генераторам (лазерам) с оптической накачкой и активным материалам для терагерцовых квантовых генераторов (лазеров) с оптической накачкой. Область применения данного изобретения: медицина, радиоастрономия, безопасность, а именно поиск неметаллических взрывчатых веществ.

Из уровня техники известны мазеры на основе ионов магнитных примесей в кристаллах в магнитном поле при оптической накачке. Подобные источники были получены еще на заре открытия лазеров/мазеров, но продвижение в более высокочастотную область оказалось практически невозможным, так как необходимо прикладывать достаточно большие магнитные поля и создавать громоздкие конструкции.

Известен активный материал для мазера с оптической накачкой, состоящий из кристалла карбида кремния, содержащего парамагнитные вакансионные дефекты (см. патент на изобретение RU 2523744, МПК H01S 1/02, опубликован 20.07.2014). Недостатком известного активного материала на основе кристалла карбида кремния, содержащего парамагнитные вакансионные дефекты, является невозможность использования для терагерцового диапазона частот.

Известен мазер с оптической накачкой (см. патент на изобретение RU 2523744, МПК H01S 1/02, опубликован 20.07.2014), включающий генератор сверхвысокой частоты (СВЧ), циркулятор, магнит, между полюсами которого размещен резонатор со светопрозрачным окном, активный материал, помещенный внутрь резонатора, и источник импульсного или непрерывного света, оптически связанный через светопрозрачное окно резонатора с активным материалом, при этом выход генератора СВЧ соединен коаксиальным кабелем или волноводом с входом циркулятора, вход/выход которого подключен коаксиальным кабелем или волноводом к входу резонатора, а активный материал является кристаллом карбида кремния, содержащего парамагнитные вакансионные дефекты. Недостатком известного мазера с оптической накачкой является практическая невозможность продвижения в область терагерцовых частот и громоздкость, вызванная использованием магнита. Известен активный материал для мазера с оптической накачкой (см. патент на изобретение US 5291145, МПК H01S 1/02, опубликован 01.03.1994), который представляет собой кристалл кремния, содержащего дефекты в виде четырех нейтральных вакансий, расположенных в одной плоскости {110}. Эти вакансии могут быть созданы облучением электронами высоких энергий, быстрыми нейтронами или пучками ионов. Данный активный материал может работать при температуре вплоть до 20 К. Недостатком указанного активного материала является трудность в создании необходимой конфигурации дефектов методом облучения, что может приводить к значительному уменьшению коэффициента усилении в активном материале и срыву генерации.

Известен мазер с оптической накачкой (см. патент на изобретение US 5291145, МПК H01S 1/02, опубликован 01.03.1994), включающий генератор СВЧ, циркулятор, постоянный магнит и/или электромагнит, между полюсами которого установлен криостат с размещенным в нем резонатором со светопрозрачным окном, активный материал, помещенный внутрь резонатора, и источник света, оптически связанный с активным материалом в виде кристалла кремния, содержащего дефекты в виде четырех нейтральных вакансий, расположенных в одной плоскости {110}. Недостатком указанного мазера с оптической накачкой является практическая невозможность при использовании активного материала достигнуть терагерцового диапазона частот.

Известен мазер с оптической накачкой (см. патент на изобретение US 3678400, МПК H01S 1/02, опубликован 18.07.1972), включающий генератор СВЧ, постоянный магнит, между полюсами которого установлен криостат с размещенным в нем резонатором со светопрозрачным окном, активный материал, помещенный внутрь резонатора, и источник света в виде решетки лазерных диодов, через систему из фокусирующий цилиндрической линзы и поляризатора оптически связанный с активным материалом в виде щелочно-галоидного кристалла, содержащего дефекты в виде F-центров.

Недостатком активного материала является его сильная гигроскопичность, что ведет к повышению уровня поглощения в терагерцовом диапазоне частот, а следовательно, снижению коэффициента усиления.

Недостатком данного мазера является необходимость использовать криостат для помещения в него активного материала, что затрудняет использование мазера, а также необходимость создания устройства для обеспечения подачи циркулярно-поляризованного света на активный материал, причем направление света должно быть согласовано с ориентацией магнитного поля. Достижение терагерцового диапазона затруднено требованием к сильным магнитным полям, требующим использование громоздких конструкций.

Наиболее близкими к предложенному техническому решению являются лазеры с оптической накачкой и активным материалом на основе кремния, легированного мелкими примесями пятой группы (см. статью The Physical Principles Of Terahertz Silicon Lasers Based On Intracenter Transitions, Pavlov S.G., Hubers H. - W., Zhukavin R.K., Shastin V.N., Physica Status Solidi (B): Basic Solid State Physics, том 250, с. 9-36, (2013)). Активный материал на основе кремния, содержащего доноры пятой группы Периодической таблицы, позволяет получить усиление и лазерную генерацию в терагерцовом диапазоне частот. Недостатком указанного активного материала является достаточно высокие уровни оптической накачки, что делает невозможным получение непрерывного режима лазерной генерации.

Известен лазер с оптической накачкой, содержащий активный элемент в виде монокристаллического кремния, содержащего доноры пятой группы. Активный материал выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда с полированными гранями, выполняющими функцию резонатора. В качестве источника излучения накачки используются лазеры среднего ИК диапазона. Активный материал помещается в охладитель - оптический криостат, позволяющий охладить активный материал до температуры ниже 20 К. Данный лазер содержит входное окно для ввода излучения накачки и выходное окно для вывода излучения наружу, а также модуль давления, выполненный с возможностью одноосного сжатия активного материала.

Недостатком известного лазера с оптической накачкой на основе кремния, легированного донорами пятой группы, является необходимость использования достаточно высоких плотностей мощности (сотни Вт - единицы кВт), что делает невозможным получение непрерывного режима лазерной генерации.

Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании активного материала для квантового генератора (лазера) с оптической накачкой и квантового генератора (лазера) с оптической накачкой на основе разработанного активного материала, в которых были бы исключены указанные выше недостатки. Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.

Технический результат, достигаемый при реализации данной группы изобретений, заключается в снижении пороговой мощности накачки и достижении непрерывного режима лазерной генерации в терагерцовом диапазоне частот.

В части активного материала технический результат достигается тем, что активный материал для квантового генератора (лазера) с оптической накачкой представляет собой монокристаллический кремний, содержащий донорную примесь магния с концентрацией 10¹⁴-10¹⁶ см^-3.

В частном случае монокристаллический кремний содержит изотопы кремния одной массы.

В части квантового генератора (лазера) по варианту 1 технический результат достигается тем, что квантовый генератор (лазер) с оптической накачкой включает оптически связанные источник излучения накачки, активный материал, резонатор, входное окно для ввода излучения накачки и выходное окно для вывода излучения наружу. Активный материал расположен внутри резонатора. Квантовый генератор (лазер) также содержит охладитель активного материала и модуль давления, выполненный с возможностью одноосного сжатия активного материала. Активный материал представляет собой монокристаллический кремний, содержащий донорную примесь магния с концентрацией 10¹⁴-10¹⁶ см^-3.

В частном случае активный материал, представляющий собой монокристаллический кремний с донорной примесью магния, содержит изотопы кремния одной массы.

В части квантового генератора (лазера) по варианту 2 технический результат достигается тем, что квантовый генератор (лазер) с оптической накачкой, включает оптически связанные источник излучения накачки, входное окно для ввода излучения накачки и выходное окно для вывода излучения наружу, активный материал у которого по меньшей мере один участок поверхности объемного тела или вся поверхность объемного тела выполнены светоотражающими и выполняют функцию оптического резонатора. Квантовый генератор (лазер) также содержит охладитель активного материала и модуль давления, выполненный с возможностью одноосного сжатия активного материала. Активный материал представляет собой монокристаллический кремний, содержащий донорную примесь магния с концентрацией 10¹⁴-10¹⁶ см^-3.

В частном случае активный материал, представляющий собой монокристаллический кремний с донорной примесью магния, содержит изотопы кремния одной массы.

Концентрация донорной примеси магния находится в диапазоне 10¹⁴-10¹⁶ см^-3. Ограничение диапазона концентраций вызвано тем, что коэффициент усиления при концентрациях ниже 10¹⁴ см^-3 и выше 10¹⁶ см^-3 перестает превышать уровень потерь в активном материале. На нижней границе коэффициент усиления снижается за счет снижения количества активных центров (атомов магния) при фиксированном сечении (коэффициент усиления в пересчете на один атом). Верхняя граница концентраций обусловлена снижением сечения из-за взаимного влияния донорных атомов (атомов магния). Использование указанного диапазона концентраций позволит иметь достаточный для преодоления потерь в среде коэффициент усиления. Выбор магния в качестве легирующей примеси позволит получить максимально возможные времена жизни верхних рабочих состояний. Как известно, одноосное сжатие может значительно модифицировать энергетический спектр доноров в кремнии и времена жизни нижних уровней донора, что связано со снижением вероятности излучения междолинных фононов. Магний, в отличие от доноров пятой группы, имеет в кремнии более глубокое основное состояние (энергия связи порядка 107 мэВ). Группа отщепленных 1s состояний, являющихся нижними рабочими состояниями, находится над основным уровнем на расстоянии более энергии междолинных фононов в кремнии. Поэтому приложение внешнего давления к монокристаллическому кремнию должно сблизить отщепленные уровни и основной уровень примеси, и при давлениях порядка 1 кбар разница их энергий приблизится к энергии междолинных фононов в кремнии, что приведет к значительному снижению времени жизни отщепленных уровней, приводя, таким образом, к необходимому уровню инверсии. Действие заявленного квантового генератора (лазера) с оптической накачкой основано на эффекте создания инверсии населенности при криогенных температурах и оптической накачке между уровнями донора в кремнии. При этом при превышении пороговой мощности возбуждения активный материал переходит в режим лазерной генерации. По сравнению с прототипом при оптимальном подборе параметров возможно значительное снижение пороговой мощности излучения накачки и непрерывный режим генерации. Для осуществления непрерывного режима генерации при криогенных температурах (вблизи температуры жидкого гелия) необходимо снижение пороговых плотностей мощности накачки до величины порядка 10 Вт/см², что вызвано характеристиками охладителей и конечной теплопроводностью активного материала. Характерный уровень потерь в активном материале и оптическом резонаторе может быть порядка 0,01 см^-1. Для преодоления порога и достижения режима лазерной генерации необходимо, чтобы коэффициент усиления превысил уровень потерь (коэффициент усиления = сечение умножить на инверсию). Так как сечение усиления составляет величину порядка 10^-14 см², достаточно получить инверсию 10¹² см^-3, что составляет всего 1/1000 от концентрации 10¹⁵ см^-3. Такая инверсия возникает при воздействии 10 Вт/см² излучения накачки на магний в кремнии (скорость возбуждения 10⁶ 1/с) в случае, если время жизни состояния 2р₀ магния составляет как минимум 10^-9 с, что достигается, если кремний подвергнуть одноосному сжатию вдоль направления [001] (или эквивалентных направлениях [100], [010]) на величину порядка 1 кбар. Минимальная величина пороговой плотности мощности накачки для прототипа составляет порядка 100 Вт/см², что делает невозможным осуществление непрерывного режима. Таким образом, использование одноосно сжатого кремния, легированного магнием в качестве активного материала, позволяет достигнуть технического результата, а именно снижения пороговой мощности накачки и достижения непрерывного режима генерации в терагерцовом диапазоне частот.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на Фиг. 1 приведена схема уровней магния в кремнии, задействованных в создании инверсии в зависимости от величины одноосного сжатия монокристаллического кремния вдоль направления [001].

на Фиг. 2 изображен квантовый генератор (лазер) с оптической накачкой в соответствии с настоящим изобретением по варианту 1.

На Фиг. 3 изображен квантовый генератор (лазер) с оптической накачкой в соответствии с настоящим изобретением по варианту 2.

На Фиг. 1 представлены уровни магния в кремнии, задействованные в создании инверсии, в зависимости от величины одноосного сжатия монокристаллического кремния вдоль направления [001]. По горизонтальной оси отложено давление в килобарах, а по вертикальной - энергия залегания уровней магния: 1s(A₁), 1s(B₂) и 2р₀. Стрелки обозначают излучение источника накачки 1 и выходное излучение 2. Анализ схемы уровней магния в кремнии в зависимости от величины одноосного сжатия монокристаллического кремния вдоль направления [001] (Фиг. 1) показывает, что оптимальные условия для инверсии населенности донорных уровней и терагерцовой генерации (показано стрелками) возникают при давлениях порядка 1 кбар для кристаллографического направления [001], что соответствует порядка 47 мэВ для разности энергий между 1s(A₁) и 1s(B₂). При такой разности энергий время жизни 1s(B₂) оказывается минимальным, что способствует увеличению инверсии населенности и возникновению лазерной генерации в активном материале. Действие излучения источника накачки (стрелка 1) приводит к ионизации электронов магния с последующим обратным захватом.

Квантовый генератор (лазер) с оптической накачкой по варианту 1 (Фиг.2) включает оптически связанные источник излучения накачки 1, активный материал 2, резонатор 3, входное окно для ввода излучения накачки 4 и выходное окно для вывода излучения наружу 5. Активный материал 2 расположен внутри резонатора 3. Квантовый генератор (лазер) также содержит охладитель 6 активного материала 2 и модуль давления 7, выполненный с возможностью одноосного сжатия активного материала 2. Активный материал 2 представляет собой монокристаллический кремний, содержащий донорную примесь магния с концентрацией 10¹⁴-10¹⁶ см^-3.

Стрелки на Фиг. 2 указывают: 8 - направление одноосного сжатия, приложенного к активному материалу; 9 - направление излучения накачки, 10 - направление выходного (терагерцового) излучения.

В частном случае активный материал 2, представляющий собой монокристаллический кремний с донорной примесью магния, содержит изотопы кремния одной массы.

Квантовый генератор (лазер) с оптической накачкой по варианту 1 (Фиг. 2) работает следующим образом. Контакт активного материала 2 с охладителем 6 активного материала 2 приводит к тому, что в отсутствие оптической накачки электроны захвачены на атомы магния. Модуль давления 7 обеспечивает необходимую для получения инверсии модификацию донорных уровней магния в кремнии. Ввод излучения накачки осуществляется через входное окно для ввода излучения накачки 4. Ввод излучения источника излучения накачки 1 и его воздействие на активный материал приводит к фотоионизации магния и последующему захвату электронов на уровни магния. В результате процесса отдачи энергии электроны спускаются до основного уровня. Так как при оптимальном одноосном сжатии уровень 2ро оказывается наиболее долгоживущим, то он же и наиболее населен. Возникает инверсия населенности на переходе между этим уровнем и нижележащим 1s(B₂). При превышении порога, в результате многократного прохождения излучения через активный материал 2 резонаторе 3 возникает лазерная генерация выходного излучения на переходе из 2р₀ в 1s(B₂). Выходное излучение терагерцового диапазона выводится через выходное окно для вывода излучения наружу 5.

Пример выполнения квантового генератора (лазера) с оптической накачкой по варианту 1 (Фиг. 2). Активный материал 2 представляет собой монокристаллический кремний с донорной примесью магния с концентрацией 10¹⁵ см^-3. Резонатор 3 содержит непрозрачное зеркало 11 и полупрозрачное зеркало 12. При этом при превышении пороговой мощности возбуждения активный материал 2, находящийся между двумя зеркалами 11 и 12 резонатора 3, переходит в режим лазерной генерации. Зеркало 11 выбирается непрозрачным, а зеркало 12 частично прозрачным для вывода выходного излучения из резонатора 3. Модуль давления 7 позволяет создавать одноосное сжатие активного материала 2. Модуль давления 7 выполнен в виде цилиндра, который содержит поршень, дно и крышку, а также пружину (рессору), которая расположена между поршнем и крышкой (на чертеже не показаны). При этом активный материал 2 находится между поршнем и дном цилиндра, и его кристаллографическое направление [001] совпадает с осью цилиндра. Охладитель 6 активного материала 2 имеет температуру в диапазоне от -270 до -220 градусов Цельсия и представляет собой холодильник замкнутого цикла. Ввод излучения накачки осуществляется через входное окно для ввода излучения накачки 4, материал которого должен быть прозрачен для излучения накачки, например, ZnSe. Излучение терагерцового диапазона выводится через выходное окно для вывода излучения наружу 5, которое может быть изготовлено из материала, прозрачного в терагерцовом диапазоне, например, из лавсана. В качестве источника излучения накачки 1 может быть использован коммерческий СО₂ лазер, работающий на длинах волн 9-11 микрометров.

Квантовый генератор (лазер) с оптической накачкой по варианту 2 (Фиг. 3) включает оптически связанные источник излучения накачки 1, входное окно для ввода излучения накачки 2 и выходное окно для вывода излучения наружу 3, активный материал 4 у которого по меньшей мере один участок поверхности объемного тела или вся поверхность объемного тела выполнены светоотражающими и выполняют функцию оптического резонатора. Квантовый генератор (лазер) также содержит охладитель 5 активного материала 4 и модуль давления 6, выполненный с возможностью одноосного сжатия активного материала 4. Активный материал 4 представляет собой монокристаллический кремний, содержащий донорную примесь магния с концентрацией 10¹⁴-10¹⁶ см^-3.

Стрелки на Фиг.3 указывают: 7 - направление давления, приложенного к активному материалу; 8 - направление излучения накачки, 9 - направление выходного (терагерцового) излучения.

В частном случае активный материал 4, представляющий собой монокристаллический кремний с донорной примесью магния, содержит изотопы кремния одной массы.

Квантовый генератор (лазер) с оптической накачкой по варианту 2 (Фиг. 3) работает следующим образом. Контакт активного материала 4 с охладителем 5 активного материала 4 приводит к тому, что в отсутствие оптической накачки электроны захвачены на атомы магния. Модуль давления 6 обеспечивает необходимую для получения инверсии модификацию донорных уровней магния в кремнии. Ввод излучения накачки осуществляется через входное окно для ввода излучения накачки 2. Ввод излучения источника излучения накачки 1 и его воздействие на активный материал приводит к фотоионизации магния и последующему захвату электронов на уровни магния. В результате процесса отдачи энергии электроны спускаются до основного уровня. Так как при оптимальном давлении уровень 2р₀ оказывается наиболее долгоживущим, то он же и наиболее населен. Возникает инверсия населенности на переходе между этим уровнем и нижележащим 1s(B₂). У активного материала 4 по меньшей мере один участок поверхности объемного тела или вся поверхность объемного тела выполнены светоотражающими (на чертеже не показаны) и выполняют функцию оптического резонатора. Наличие светоотражающих поверхностей, формирующих резонатор, необходимо для создания условий многократного прохождения излучения через активный материал, что приводит к усилению излучения и последующей лазерной генерации. Светоотражающие поверхности (в данном случае под «светом» понимается диапазон выходного излучения, то есть терагерцовый диапазон частот), формирующие оптический резонатор, могут быть созданы путем полировки активного материала, вырезанного в определенной форме, либо нанесения специальных отражающих покрытий (металлических, диэлектрических) как в виде сплошного нанесения, так и частичного, в том числе в виде различных решеток. При превышении порога возникает лазерная генерация. Выходное излучение терагерцового диапазона выводится через выходное окно для вывода излучения наружу 3.

Пример выполнения квантового генератора (лазера) с оптической накачкой по варианту 2 (Фиг. 3). Активный материал 4 представляет собой монокристаллический кремний с донорной примесью магния 10¹⁵ см^-3. Уровень остаточных примесей составляет не более 10¹³ см^-3_. Активный материал 4 выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда с полированными гранями (на чертеже не показаны). Указанные полированные грани выполняют функцию оптического резонатора. Размер сторон основания прямоугольного параллелепипеда составляет 3 мм и 5 мм, а бокового ребра 7 мм. Грани прямоугольного параллелепипеда полируются механически или механико-химическими методами до снижения величины шероховатости менее 5 микрон. Кристаллографическое направление вдоль длинной стороны параллелепипеда совпадает с осью кристалла типа [001]. Модуль давления 6 позволяет создавать одноосное сжатие активного материала 4 до величин 2 кбар. Модуль давления 6 выполнен в виде цилиндра, который содержит поршень, дно и крышку, а также пружину (рессору), которая расположена между поршнем и крышкой (на чертеже не показаны) При этом активный материал 2 находится между поршнем и дном цилиндра, и его кристаллографическое направление [001] совпадает с осью цилиндра. Охладитель 5 активного материала 4 имеет температуру в диапазоне от -270 до -220 градусов Цельсия и представляет собой холодильник замкнутого цикла. Ввод излучения накачки осуществляется через входное окно для ввода излучения накачки 2, прозрачное в диапазоне длин волн 8-12 мкм, например, ZnSe. Излучение терагерцового диапазона выводится через выходное окно для вывода излучения наружу 3, прозрачное в терагерцовом диапазоне, например, лавсан. В качестве источника излучения накачки 1 может быть использован коммерческий СО₂ лазер, работающий на длинах волн 9-11 микрометров.