Патент на изобретение №2216837

(54) ОПТИЧЕСКИЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к оптическим ограничителям лазерного излучения. Разработано устройство для ограничения интенсивности лазерного излучения на основе нелинейных эффектов в полупроводниковом элементе. Нелинейно-оптический элемент выполнен из полупроводника с глубокими примесными уровнями либо глубокими уровнями дефектов в запрещенной зоне с энергетическим зазором между этими уровнями и дном зоны проводимости, меньшим энергии фотона. Концентрация примеси или дефектов лежит в пределах 10¹⁵-10¹⁸ см^-3. Технический результат изобретения – расширение диапазона рабочих параметров ограничителя, в частности снижение энергетического порога ограничения излучения. 3 ил.

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в лазерной технике.

Известен ограничитель лазерного излучения [1, 2], состоящий из полупроводникового нелинейно-оптического элемента и диафрагмы. Полупроводниковый нелинейно-оптический элемент имеет ширину запрещенной зоны _g, большую энергии фотона h, но меньшую удвоенной энергии фотона (hg<2h). Торцы нелинейно-оптического элемента имеют сферическую поверхность и выполняют функцию линз. Ограничение интенсивности излучения в таком устройстве происходит благодаря самодефокусировке излучения в полупроводнике при двухфотонном поглощении.

Недостатками такого ограничителя являются относительно высокий порог ограничения излучения и узкая спектральная область функционирования – для получения ограничения энергия фотона должна лежать в пределах E_g/2g.

Известен ограничитель лазерного излучения, выбранный в качестве прототипа [3], состоящий из двух софокусных линз, диафрагмы, расположенной за второй линзой, и нелинейно-оптического полупроводникового элемента, с шириной запрещенной зоны E_g, большей энергии фотона h, но меньшей удвоенной энергии фотона (hg<2h), расположенного в общей фокальной плоскости линз. Ограничение интенсивности излучения происходит благодаря самодефокусировке излучения в полупроводнике при двухфотонном поглощении [2, 3]. В результате двухфотонного поглощения в полупроводнике происходит генерация неравновесных электронно-дырочных пар, приводящая к уменьшению показателя преломления полупроводника в области воздействия излучения, то есть к образованию динамической отрицательной линзы, на которой происходит дефокусировка излучения. Недостатками такого ограничителя является относительно высокий энергетический порог ограничения излучения – 10-100 нДж, узкая спектральная область функционирования – E_g/2g и то, что наиболее эффективное ограничение излучения может быть получено лишь в пикосекундном диапазоне длительности импульса излучения. При длительности импульса излучения десятки наносекунд – единицы микросекунд энергетический порог ограничения увеличивается в 10^-3-10^-4 раз.

Целью данного изобретения является уменьшение энергетического порога ограничения излучения и расширение спектральной и временной области применения ограничителя.

Поставленная цель достигается тем, что нелинейно-оптический элемент ограничителя выполнен из полупроводника с глубокими примесными уровнями либо глубокими уровнями дефектов в запрещенной зоне с энергетическим зазором между этими уровнями и дном зоны проводимости, меньшим энергии фотона, причем концентрация примеси или дефектов лежит в пределах 10¹⁵-10¹⁸ см^-3.

В этом случае основным механизмом генерации неравновесных носителей заряда является не двухфотонное поглощение излучения, имеющее высокий порог возникновения, а примесное однофотонное поглощение, которое имеет место даже при интенсивности излучения, стремящейся к нулю. Это позволяет уменьшить энергетический порог ограничения излучения. За счет уменьшения порога ограничения – увеличить коэффициент ослабления излучения. Так как в данном случае спектральная область ограничения определяется не только шириной запрещенной зоны полупроводника, как в случае двухфотонного ограничения, но и энергией ионизации примеси (Eg), то спектральная область ограничения увеличивается в сторону меньших энергий фотона – Eg. Так как процесс является однофотонным и благодаря тому что время примесной рекомбинации неравновесных носителей заряда превышает время межзонной рекомбинации, повышается эффективность ограничения в наносекундном и микросекундном диапазоне длительности импульса излучения.

Данное техническое решение является новым, а совокупность отличительных признаков не следует из известных технических решений. Существенность отличительных признаков заключается в том, что в ограничителе излучения используется полупроводниковый нелинейно-оптический элемент с глубокими примесными уровнями либо уровнями дефектов с энергией ионизации, меньшей энергии фотона.

Конкретные примеры реализации изобретения.

На фиг. 1 показана конструкция ограничителя излучения. Ограничитель состоит из двух софокусных линз 1 и 3 с фокусными расстояниями F1 и F2 соответственно, нелинейного элемента 2, расположенного в общей фокальной плокости линз, и диафрагмы 4, расположенной на расстоянии L от второй линзы и пропускающей 90% падающего излучения при отсутствии нелинейного элемента. В качестве нелинейного полупроводникового элемента использовались пластина из компенсированного GaAs (E_g= 1,45 эВ), содержащего глубокие примесные уровни с энергией ионизации Е=0,6-0,7 эВ [4], концентрацией примеси 10¹⁶ см^-3 и толщиной 5 мм, либо пластина из ZnSe (E_g=2,7 эВ), с глубокими уровнями в запрещенной зоне, образованными дефектами – междоузельным цинком и вакансиями цинка и селена с Е=0,23, 1,1 и 1,58 эВ с концентрацией 10¹⁸ см¹³, толщина пластины ZnSe – 5 мм.

Ограничитель работает следующим образом. Под действием импульса излучения с энергией фотонов Eg в полупроводниковой пластине происходит генерация неравновесных носителей с глубоких примесных уровней в зону проводимости. При низкой энергии падающего излучения скорость генерации носителей не превышает скорость их рекомбинации, поэтому с увеличением энергии излучения на входе ограничителя энергия излучения на его выходе растет линейно. При некоторой пороговой энергии излучения на входе скорость генерации носителей начинает превышать скорость их рекомбинации. При этом в полупроводнике возникает отрицательная линза, приводящая к дефокусировке излучения, в результате чего уменьшается энергия излучения, прошедшего через диафрагму.

На фиг. 2 показаны зависимости энергии излучения на выходе ограничителя от энергии излучения на его входе для нелинейно-оптического элемента из GaAs при длине волны падающего излучения 1,315 мкм (h=0.95 эВ) и длительности импульса излучения =50 нс (кривая 1) и =6 мкс (кривая 2), а также для нелинейно-оптического элемента из ZnSe для длины волны 1.54 мкм (h=0.8 эВ) и длительности импульса излучения 20 нс (кривая 3). В первом случае F1=25 мм, F2= 15 мм, L=50 мм, во втором и в третьем случаях – F1=6 мм, F2=4 мм, L=60 мм. Энергетический порог ограничения в первом случае равен 2 пДж, во втором – 10 пДж и в третьем – 60 пДж. Ограничение происходит в диапазоне изменения входной энергии для первого случая – 210^-12-10^-8 Дж, во втором случае – 10^-11-10^-3 Дж и в третьем случае – 610^-11-10^-4 Дж. Коэффициент ослабления сигнала в режиме ограничения излучения в первом и третьем случаяхе равен 10⁴, во втором случае равен 10⁵.

На фиг. 3 показана зависимость энергии излучения на выходе ограничителя от энергии излучения на его входе для нелинейно-оптического элемента из ZnSe для излучения в спектральной области 3.8-4.2 мкм и длительности импульса излучения =250 нс при F1=50 мм, F2=30 мм, L=100 мм. В данном случае также наблюдается ограничение излучения с энергетическим порогом 500 мкДж в диапазоне 510^-4-0.0025 Дж.

Из приведенных примеров следует, что использование для ограничения излучения полупроводников с глубокими уровнями в запрещенной зоне позволяет уменьшить порог ограничения излучения в 10^-3-10^-4 раз по сравнению с порогом ограничения за счет двухфотонного поглощения, предложенного в прототипе, причем такое уменьшение порога ограничения достигается как в нано- так и в микросекундном диапазоне длительности импульса излучения, тем самым происходит расширения временного диапазона функционирования ограничителя. Из приведенных примеров также следует, что для ZnSe с глубокими уровнями в запрещенной зоне спектральная область ограничения излучения расширяется до 4 мкм, в то время как при двухфотонном поглощении ограничение возможно лишь в спектральном интервале от 0,47 до 0,9 мкм. Таким образом, изобретение позволяет уменьшить энергетический порог ограничения излучения и расширить спектральную и временную области применения ограничителя по сравнению с прототипом.

Изобретение может быть использовано в лазерных оптических системах для управления амплитудой лазерных импульсов, а также для защиты фотоприемных устройств от ослепления излучением высокой интенсивности и разрушения излучением.

ЛИТЕРАТУРА
1. Патент 4.846.561 (USA), 11.07.89.

2. Е.W. Van Stryland, Y.Y. Wu, D.J. Hagan, M.J. Soileau, K. Mansour. Optical limiting with semiconductors. J. Opt. Soc. Am. B, V.5, N9, P. 1980-1988, 1988.

3. T. F. Boggess, A.L. Smirl, S.C. Moss, I.W. Boyd, E.W. Van Stryland. Optical limiting in GaAs. IEEE J. of Quant. Electr., V. QE-21, N5, P.488-494, 1985.

4. A. Chantre, G. Vincent, D. Bois. Deep-level spectroscopy in GaAs. Physical Review B, V.23, N10, P.5335-5358, 1981.

Формула изобретения

Оптический ограничитель, содержащий оптическую систему с действительным фокусом и полупроводниковый нелинейно-оптический элемент, отличающийся тем, что нелинейно-оптический элемент выполнен из полупроводника с глубокими примесными уровнями либо глубокими уровнями дефектов в запрещенной зоне с энергетическим зазором между этими уровнями и дном зоны проводимости, меньшим энергии фотона, причем концентрация примеси или дефектов лежит в пределах 10¹⁵-10¹⁸ см^-3.

РИСУНКИ