Глава 2.1. Ограничители излучения на основе фотоиндуцированных процессов в монокристаллических полупроводниках.

Нелинейно-оптические эффекты в монокристаллических полупроводниках, которые могут быть использованы для ограничения излучения, были подробно рассмотрены в разделе 1 для спектрального интервала 0.4-1.1 мкм. Аналогичные эффекты – двухфотонное поглощение, а также самодефокусировка излучения при двухфотонном и однофотонном примесном поглощении могут быть использованы для ограничения излучения в спектральном интервале 1-2 мкм. Ограничение излучения с λ = 1.06 мкм при самодефокусировке в результате двухфотонного поглощения было получено в GaAs для длительности импульса излучения 40 пс [1]. Порог ограничения в этом случае составил 0.5 мкДж. Малая эффективность двухфотонного поглощения при длительности лазерного импульса 10 нс-100 мкс не позволяет обеспечить ограничение при низких энергиях излучения. Поэтому практический интерес для ограничения излучения в данном интервале длительностей импульса представляет только самодефокусировка излучения при однофотонном примесном поглощении.

Основными материалами, которые используются для ограничения излучения в спектральном интервале 1-2 мкм являются монокристаллические GaAs и ZnSe, легированные примесями, создающими глубокие примесные уровни с ΔЕ = 0.5-0.8 эВ. Линейный коэффициент пропускания в данных материалах зависит от концентрации примеси, толщины пластины полупроводника, длины волны излучения и лежит в пределах 30-80 %. Ограничение излучения в этих материалах в спектральном диапазоне 1.06-1.54 мкм для длительности лазерного импульса 5 нс – 6 мкс исследовалось в работах [2-9]. На рис.1 показана кривая ограничения при самодефокусировке в GaAs, легированном кислородом для λ = 1.315 мкм и τ = 50 нс [7].

Рис.1. Ограничение излучения при самодефокусировке в GaAs:O. λ = 1.315 мкм и τ = 50 нс [7].

Из рисунка видно, что порог ограничения составляет 2 пДж, а динамический диапазон достигает 10⁴. Аналогичные результаты были получены и для монокристаллического ZnSe, легированного кислородом. При увеличении длительности лазерного импульса и переходе в микросекундный диапазон в этих материалах также наблюдается низкопороговое ограничение излучения (рис.2 [7]). Однако, при увеличении длительности импульса эффективность ограничения уменьшается. В основном, это связано с процессами рекомбинации свободных электронов и с расплыванием динамической линзы из-за диффузии носителей заряда.

Рис. 2. Ограничение излучения при самодефокусировке в GaAs:O (а) и ZnSe:O (б). λ = 1.315 мкм и τ = 6 мкс [7].

Наличие в полупроводнике примесей с ΔЕ=0.6-0.7 эВ позволяет получить ограничение излучения на длине волны 1.5-1.6 мкм. На рис. 3 показаны кривые ограничения для GaAs:О ZnSe:О на длине волны 1.54 мкм при длительности лазерного импульса 20 нс [7].

Рис. 3. Ограничение излучения при самодефокусировке в GaAs:O (а) и ZnSe:O (б). λ = 1.54 мкм и τ = 20 нс [7].

Из рисунка видно, что порог ограничения для GaAs:O лежит ниже 10^-12 Дж, а для ZnSe:O - ниже 10^-10 Дж. Динамический диапазон ограничения составляет 10³-10⁴. На кривой ограничения в GaAs:O при Е_вх = 10^-7 Дж видна также область ограничения, связанная с самодефокусировкой в результате двухфотонного поглощения. Исследования ограничения излучения в данных материалах в спектральном интервале 1.6-2 мкм не проводились. Однако, исходя из механизма ограничения можно предположить, что при наличии в полупроводнике примесей с ΔЕ=0.4-0.6 эВ эффект ограничения может быть реализован и в этом спектральном интервале. Подтверждением этого является экспериментально наблюдаемое ограничение излучения в монокристаллах ZnSe:Zn в спектральном интервале 3.8-4.2 мкм, связанное с глубоким примесным уровнем с ΔЕ=0.23 эВ [7] (см. также раздел 3).

В работе [5] было экспериментально показано, что эффект ограничения при самодефокусировке излучения с λ = 1.55 мкм (τ = 5 нс) в примесных GaAs и ZnSe сохраняется при частоте повторения лазерных импульсов до 100 кГц. Однако, с увеличением частоты уменьшается динамический диапазон ограничения. Это связано с возникновением положительной тепловой линзы в области воздействия луча при высокой интенсивности излучения.

Таким образом, самодефокусировка излучения при однофотонном поглощении в примесных полупроводниках позволяет получить эффективное и низкопороговое ограничение излучения в спектральном интервале 1-2 мкм для нано- и микросекундных лазерных импульсов. Достоинства и недостатки данного типа ограничителе подробно описаны в разделе 1. Основным недостатком является сильная зависимость эффекта ограничения от пространственного распределения излучения, падающего на вход ограничителя.

Литература к главе 2.1.:

1. T.F.Boggess, A.L.Smirl, S.C.Moss et al Optical limiting in GaAs // IEEE J. of Quant. Electr., 1985, QE-21, N 5, P.488-494.

2. И.В. Багров, А.П. Жевлаков, А.И. Сидоров Ограничение лазерных импульсов нано- и микросекундного диапазона в компенсированном арсениде галлия. // Письма в ЖТФ, 2001, т.27, в.10, с.26-30.

3. А.Г. Калинцев, О.П. Михеева, А.И. Сидоров Ограничение излучения с длиной волны 1.06 мкм в компенсированном арсениде галлия. // Письма в ЖТФ, 2001, т.27, в.24, с.90-94.

4. А.И.Сидоров Механизм низкопорогового ограничения излучения в компенсированном арсениде галлия. // Оптический журнал, 2002, Т.69, №1, 7-10.

5. О.П. Михеева, А.И. Сидоров, А.С. Хайкина, Е.В. Чугуевец Особенности оптического ограничения импульсно-периодического лазерного излучения в примесном GaAs и ZnSe. // Письма в ЖТФ, 2002, т.28, в.2, с.21-24.

6. А.И.Сидоров Динамика поглощения импульсного лазерного излучения в широкозонном примесном полупроводнике // Оптический журнал, 2002, Т.69, №10, 15-20.

7. И.В.Багров, А.П.Жевлаков, О.П.Михеева, А.И.Сидоров, В.В.Судариков Низкопороговое ограничение инфракрасного излучения в примесных полупроводниках // Оптический журнал. 2002, Т.69, №2, С.15-20.

8. О.Б.Данилов, А.И.Сидоров Оптический ограничитель Пат. РФ №2216837, приоритет 01.10.2001.

9. А.И.Сидоров Динамика фотоиндуцированной линзы в примесном полупроводнике вблизи порога оптического ограничения // Письма в ЖТФ, 2003, Т.29, В. 7, С.77-80.