Лазеры на полупроводниковых наноразмерных структурах с катодно-лучевой накачкой

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
2
3
Этапы развития
Предложение по созданию инверсной населенности в полупроводниках при электронной накачке
N.G. Basov, Advances in Quantum Electronics, N.-Y.,Columbia Univ. Press, p.506 (1961)
Н.Г. Басов, О.Н. Крохин, Ю.М. Попов, Вестник АН СССР, 3, 61 (1961)
Реализация первого лазера на CdS с электронной накачкой
Н.Г. Басов, О.В. Богданкевич, А.Г. Девятков, ДАН СССР, 155, 78 (1964)
Предвидение лазеров с «вертикальным микрорезонатором», продольной накачкой, излучающим зеркалом
Н.Г. Басов, Нобелевская лекция, 11 декабря 1964.
Предложение лазерной ЭЛТ
Н.Г. Басов, О.В. Богданкевич, А.С. Насибов, Авт. Свид. №270100 с приоритетом от 1967 г. Патент США 3558956

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
2
3
Этапы развития (продолжение)
Реализация лазерной ЭЛТ
Parkard I.R., Tait W.C., Dierssen G.H. Appl. Phys. Lett., 19, 338 (1971).
Н.Г. Басов и др. ДАН СССР, 205, 72 (1972).
Создание отпаянного прибора «Квантоскопа»
ФГУП «Платан» - 1980-1991 г.
Соглашение с Pricipia Optics на 20 лет с 1991 г.
Макет лазерного проектора на монокристаллах, работающий при комнатной температуре
ФИАН совместно с комп. Principia LightWorks Inc. CA, USA – 1999 г.
Реализация первого лазера на наноструктуре
ФИАН совместно с Центром волоконной оптики при ИОФ РАН – 1995 г.
Реализация лазера на наноструктуре с резонансно-периодическим усилением
ФИАН совместно с Технологическим центром при Университете г. Шеффилда (Великобритания) – 2004 г.

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
2
3
Патенты
V.I. Kozlovsky, A.S.Nasibov, Ya.K. Skasyrsky. Laser screen for a cathode-ray tube. US Patent #5339003.
N.V. Derdyra,V.I. Kozlovsky. Laser screen cathode-ray tube with beam axis correction.. US Patent #5280360.
V.I. Kozlovsky, A.A. Kolchin. Laser screen for a cathode-ray tube and method for making same. US Patent #5313483, 1994.
V.I. Kozlovsky, A.A. Kolchin. Method for making a laser screen for a cathode-ray tube. US Patent #5283798, 1994.
V.I. Kozlovsky. Laser screen for a cathode-ray tube and method for making same. US Patent #5254502.
A.M. Akhekyan, V.I. Kozlovsky, A.S. Nasibov, M.N. Sypchenko, I.A. Krykanov. Laser screen cathode-ray tube with increased life span. US Patent 5374870, 1994.
V.I. Kozlovsky, B.M. Lavrushin. Laser cathode-ray tube. US Patent # 5687185, 1997, Nov. 11, PCT Pub. Date: Jul.7, 1994; Priority Date: Dec.28 1992 [Ru].
A.S. Nasibov, P.V. Reznikov. Semiconductor laser screen of a cathode-ray tube. US Patent No. 5317583, 1994.
V.I. Kozlovsky, B.M. Lavrushin. Laser electron-beam tube. European Patent No. EP 0696094 B1, Bulletin 1999/41.

Лазерные ЭЛТ на монокристаллах
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Principia LightWorks Inc, CA
25 см

Лазера на наноструктуре с резонансно-периодическим усилением
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Оптимальное число КЯ – 15-25
Глубина возбуждения – 4-5 мкм
Период – m⋅λ/2N
Длина волны в структуре – 0,2 мкм
КЯ должны быть в пучностях стоячей волны, соответствующей максимуму усиления
e-
hν
Al DBR QWs DBR Substrate

Красный лазер на наноструктуре GaInP/AlGaInP
с 25 и 13 КЯ
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Principia LightWorks Inc., USA
The University of Sheffield, EPSRC National Center for III-V Technologies, UK
Лазер с мощностью 8 Вт на наноструктуре с 13 КЯ и двумя брэгговскими зеркалами AlAs-AlGaAs
Изображение скола лазера в зондовом микроскопе
4.38 мкм AlGaInP пассивный слой
8 нм GaInP 25 слоев
193 нм AlGaInP 25 слоев
Зеркала - 99 и 94 %

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
1
2
3
1
2
Мощность и порог лазера
от периода структуры

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
1
3
1
2
3
Модель лазера
r1r2exp(i2πNbLb/λ) =1
r1 и r2 - комплексные и вычисляются матричным методом
Nqw = nqw – i ×g(ω)
Nb = nb + i ×α(ω)
g(ω) пропорционален материальному коэффициенту усиления КЯ
α(ω) – внутренние потери
r1
r2
Lb Nb

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
3
Зависимость порога и длины волны генерации от положения КЯ в резонаторе
Может возникнуть ситуация, когда резонансная структура не дает выигрыша по сравнению с хаотически расположенными КЯ. Тогда надо вводить отстройку или «дефект».

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
2
Возможные варианты зеленого
и синего лазера
ZnCdSe/ZnSSe//GaAs CdSSe/CdZnS//CdS
ZnCdS/ZnSSe//GaAs
ZnCdSe/ZnSe//ZnSe
ZnCdSe/ZnMgCdSe//InP
CdSSe/ZnSSe//GaAs
ZnTe/ZnMgSeTe//GaSb
ZnSe/ZnMgSSe//GaAs ZnSe/ZnMgSSe//ZnSe
CdS/CdZnMgSe//CdS
ZnCdSe/ZnMgSe//CdS
ZnTe/ZnMgSeTe//GaSb

Cтруктуры ZnCdSe/ZnSSe на GaAs
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Институт радиотехники и электроники РАН

Характеристики лазера на наноструктуре ZnCdSe/ZnSSe c 40 КЯ
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Институт радиотехники и электроники РАН
Лазер с мощностью 2 Вт при 550 нм был реализован также на структуре CdSSe/CdS
Проблема – высокие внутренние напряжения в структуре
at 1.6 mA

Характеристики лазера на наноструктуре ZnSe/ZnMgSSe c 30 КЯ
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Институт радиотехники и электроники РАН
Проблема – термодинамическая неустойчивость ZnMgSSe, транспорт носителей в КЯ

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
2
3
УФ лазер (225-330 нм, 0.1-1 Вт)- проект
катод п/п наноструктура нелинейный кристалл хладопровод внешнее зеркало
е-
10 -15 см
Реализована непрерывная генерация на 338 нм с мощностью 0.12 Вт c оптической накачкой второй гармоникой Nd- лазера с диодной накачкой – (Appl. Phys. Lett. 89, 061114 (2006), UK)
450-660 нм 225-330 нм

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
В настоящее время используются лампы с дуговым разрядом
Новые разработки
SemLED – синие и зеленые GaInN светодиоды, 1.4 Вт (10 %),
малая яркость (август 2006)
Q-peak – твердотельные лазеры с диодной накачкой, импульсно- периодический режим, 22.5 кГц, 15.4 Вт средняя (< 4 %),
высокая стоимость, спеклы (июль 2002)
Coherent – удвоение частоты в лазере на полупроводн. наноструктуре с
диодной накачкой, непр. 15 Вт на 488 нм (27 %) и 5 Вт на 460 нм (15 %),
высокая стоимость, спеклы (2004 Photonics West)
Novalux - удвоение частоты в матрице инжекционных лазеров с внешним зеркалом, 0.75 Вт на 620 нм, 3 Вт на 535 нм, 3 Вт на 465 нм, ожидаемая эффективность - 15 %
высокая стоимость (August 2006)
ФИАН - Principia LightWorks – ЛЭЛТ на наноструктурах, 9.4 Вт на 640 нм
(11 %), 3.2 Вт на 535 нм, 1.5 Вт на 460 нм (декабрь 2006)
Проблема – создание эффективного источника монохроматического излучения в видимой области спектра для светоклапанных дисплейных технологий

Проекторы с ксеноновой лампой
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
JVC projector, 5000 lm, 2.2 kW
Xe-lamp
Xe-lamp, 1.6 kW, 15 W used, efficiency <1 %

Лазеры для дисплейных применений
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Coherent
LD
Cooler DBR MQW NLO crystal external mirror
Novalux
d = 0.5-1 mm
h = 1-2 μm
d = 0.1 mm
PPLN
Output
coupler
Thermal lens
n- contact p-contact MQW DBR BeO
Структура из III-V соединений с резонансно-периодическим усилением

Лазерная ЭЛТ как источник излучения для пассивных дисплеев
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН,
Principia LightWorks Inc., CA, USA
11 см

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
2
3
Публикации о данной технологии
Laser Focus World, May 2005

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
2
3
Публикации о данной технологии (продолжение)
Photonics West-2005
Compound
Semiconductor,
October 2006
Projection summit, June 2006

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
2
3
Заключение
Лазеры на п/п наноструктурах с катодно-лучевой накачкой являются перспективными источниками света для дисплейных технологий.
Красный лазер. Достигнуты высокие характеристики по эффективности лазера, до 12 % при энергии 40 кэВ и комнатной температуре. Уровень разработки близок к промышленному освоению отпаянных приборов.
Зеленый и синий лазеры. Требуются дальнейшие усилия по совершенствованию технологии получения соответствующих наноразмерных структур.
Имеются хорошие перспективы освоения УФ диапазона: создание эффективного малогабаритного лазера с мощностью 0.1-1 Вт в спектральном диапазоне 225-330 нм.
Научные основы и технология получения наноструктур для видимой области спектра могут быть использована в лазерах с оптической накачкой лазерными диодами на основе GaN.

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Партнеры
Principia LightWorks Inc., CA, USA
Институт радиотехники и электроники, Лаб. MOCVD
EPSRC National Centre for III-V Technologies, University of Sheffield, UK;
Центр волоконной оптики при ИОФ РАН
РФФИ, гранты 05-02-16390, 07-02-01139
Программы ОФН РАН «Когерентное оптическое излучение полупроводниковых соединений и структур», «Новые материалы и структуры»
Программа «Научные школы», грант 6055.2006.2; УНК ФИАН
Контракт с Principia LightWorks Inc.
Гранты