DE1291029B

DE1291029B - Nach dem Maser- bzw. Laserprinzip arbeitende Anordnung fuer Mikrowellen- bzw. Lichtstrahlung

Info

Publication number: DE1291029B
Application number: DES83828A
Authority: DE
Inventors: Bartels; Dipl-Phys Dietrich; Dipl-Phys Dr Guenter; Winstel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-02-21
Filing date: 1963-02-21
Publication date: 1969-03-20
Also published as: GB1044724A; NL6401586A; US3525947A; SE319252B

Description

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Die Erfindung betrifft eine nach dem Maser- bzw. spannung, wobei die Tatsache noch zu berücksichti-Laserprinzip arbeitende Anordnung für Mikro- gen ist, daß die die Verspannung erzeugenden Kräfte wellen- bzw. Lichtstrahlung mit durch Pumpen an- bei Festkörpern mit insbesondere einkristallinem zuregenden Ladungsträgern in einem maser- bzw. Aufbau richtungsabhängige Wirkung haben können, laseraktiven Körper aus Halbleiterstoff mit einem 5 Die durch die Verspannung des Materials ver- oder mehreren pn-Übergängen. ursachte Verbreiterung einer Fluoreszenz- bzw. Ab-

Die physikalischen Vorgänge, die zur Verstärkung sorptionslinie kann so weit gehen, daß sich eine Auf- und/oder Erzeugung sehr kurzwelliger Strahlung im spaltung dieser Linie bemerkbar macht, d. h., daß Zentimeter- und Millimeter-Wellengebiet bzw. im statt der üblichen frequenzabhängigen Intensitäts-Gebiet der optischen Strahlung mit Maser- und io verteilung einer Fluoreszenzlinie etwa nach Art einer Laseranordnungen führen, sowie der Aufbau der- Glockenkurve eine Verteilungskurve mit zwei oder artiger Anordnungen sind an sich allgemein bekannt. mehr Maxima und den dazwischenliegenden Ein-Es handelt sich dabei um die Verstärkung bzw. Er- sattelungen zu beobachten ist, was auf eine Aufzeugung kohärenter Strahlung durch induzierte spaltung mindestens eines der am Übergang beEmission, stimuliert durch in die Anordnung ein- 15 teiligten Terme zurückzuführen ist.
gestrahlte bzw. bereits in der Anordnung vorhandene Beispielsweise ergibt sich bei arsendotiertem Ger-

Strahlung gleicher Frequenz. Die zur Verstärkung manium für die durch mechanische Verspannung der Strahlung erforderliche Energie wird aus der verursachte Aufhebung der Entartung der Störstellen-Energie der umbesetzten Energiezustände des maser- terme eine von der Größe der Verspannung ab- bzw. laseraktiven Materials geliefert, während die ao hängige energetische Aufspaltung der einzelnen An-Umbesetzung, d. h. die Inversion der Besetzung der regungsstufen des Arsens in je zwei Terme. Die Ent-Energiezustände, selbst durch äußere Energiezufuhr, artung des Tripletterms des Grundzustandes des etwa durch Lichteinstrahlung oder andere bekannte Arsens im Germanium kann ebenfalls durch mecha-Maßnahmen, bewirkt wird. In vielen Fällen, ins- nische Verspannung aufgehoben werden, so daß eine besondere bei Lasern, die optische Strahlung ver- 35 dreifache Aufspaltung dieses Terms eintritt. Allstärken oder erzeugen, werden Elektronenterme um- gemein ist der Grundzustand des Arsens im Gerbesetzt. Die induzierte Emission entspricht dann manium bereits von Natur aus in einen Singuletstimulierten Übergängen von Elektronen aus einer und einen Tripletterm aufgespalten,
energetisch höheren Termlage in eine energetisch Ganz ähnlich liegen die Verhältnisse bei den

niedrigere. 30 Tennen des Phosphors in phosphordotiertem Ger-

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, manium. Welcher Art die von der mechanischen die Bandbreite eines Maser- bzw. Laserverstärkers Verspannung abhängigen Verschiebungen und/oder zu vergrößern. Eine andere Aufgabe ist es, einen Aufspaltungen der Terme im Einzelfall bei bestimm-Maser bzw. Laser bezüglich der Frequenz seiner ver- ten laseraktiven Substanzen ist, läßt sich durch an stärkten Strahlung zu verstimmen. 35 sich bekannte experimentielle Untersuchungen bzw.

Diese Aufgaben werden bei der oben beschrie- Berechnungen ermitteln.

benen Anordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, Ebenso wie eine Fluoreszenzlinie wird auch der

daß eine Einrichtung zur Erzeugung einer mecha- Frequenzbereich der stimulierten Emission eines Manischen Spannung in dem maser- bzw. laseraktiven sers oder Lasers, d. h. der Bereich, in dem Strah-Körper vorgesehen ist. 40 lungsverstärkung bzw. -erzeugung durch diese An-

Besonders günstig ist es gemäß einer besonders Ordnungen möglich ist, durch den Einfluß mechavorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, als Ma- nischer Verspannung verschoben bzw. verbreitert, terial für den Körper ein solches zu verwenden, bei Für den Betrieb eines Lasers ergeben sich dadurch dem ein oder mehrere Terme, die zu dem zu stimu- keine grundsätzlich neuen Bedingungen, z. B. kann lierenden Übergang gehören, quantenmechanisch 45 die Umbesetzung der für den stimulierenden Uberentartet sind, wobei dann bereits eine homogene gang in Frage kommenden Terme bzw. Bänder in Verspannung im Körper eine Bandbreitenvergröße- normaler Weise vorgenommen werden. Unter Umrung ergibt. ständen ist aber ein besonderer Aufbau des Masers

Zu der Erfindung führten die folgenden Über- bzw. Lasers notwendig, wie dies beispielsweise aus legungen: In einem Festkörper tritt bekanntlich 50 der Fig. 1, die eines der bevorzugten Ausführungsunter dem Einfluß mechanischer Verspannung eben- . beispiele darstellt, zu ersehen ist.
falls eine Veränderung der Eigenschaften der Terme Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich mit

auf. Je nach quantenmechanischer Entartung des be- jeglichen maser- bzw. laseraktiven Festkörpern, z. B. treffenden Terms äußert sie sich in einer bloßen Ver- mit optisch zu pumpenden oder auch mit durch änderung des energetischen Abstandes dieses Terms 55 Trägerinjektion anzuregenden Systemen, aufbauen, oder einer Bandkante von einem anderen Term und/ Insbesondere erscheinen einkristalline Aufwachsoder dem Leitfähigkeitsband und/oder dem Valenz- schichten, sogenannte epitaktische Strukturen, als band und/oder auch in einer Aufspaltung einzelner Lasermaterial vorteilhaft, da sich bei ihnen beson-Terme in jeweils mehrere Terme. ders leicht auch mehrfach übereinander abwechselnd

Diese durch mechanische Verspannung hervor- 60 p- und n-halbleitende Schichten, eventuell auch mit gerufenen Veränderungen im Termschema eines dazwischenliegender intrinsic-Ieitfähiger Schicht, aufMaterials äußert sich experimentell durch eine Ver- bringen lassen.

Schiebung der Frequenz von Fluoreszenz- bzw. Ab- Derartige Halbleiterstoffe, insbesondere solche,

sorptionslinien und/oder durch Verbreiterung der die durch Trägerinjektion gepumpt werden, eignen Linien des jeweiligen Stoffes. Die Verspannungen 65 sich besonders für die Durchführung des Verfahrens, können hervorgerufen sein z. B. durch Druck, Zug, Sie lassen sich auf verhältnismäßig einfache Weise Biegung oder Scherung oder auch durch das Zuh sehr dünn herstellen, was z. B. für die zu biegenden sammenwirken mehrerer Arten mechanischer Ver- Anordnungen entsprechend der Fig. 2 besonders

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vorteilhaft ist. Für erfindungsgemäße Anordnungen druckabhängige Verbreiterung der dem stimulierten durch Trägerinjektion zu pumpende laseraktive Übergang entsprechenden Fluoreszenzlinie hat, d. h., Stoffe oder Kombinationen von Stoffen zu ver- bei dem einer oder mehrere der am Laserübergang wenden, erscheint besonders günstig, da durch die beteiligten Terme unter dem Einfluß mechanischer Trägerinjektion allgemein eine spezifisch sehr hohe, 5 Verspannung aufspalten, und dazu noch inhomogene für die stimulierte Emission erforderliche Energie- Verspannung in der Schicht 2 erzeugt. Je nach Größe dichte zu erreichen ist. Dadurch können z. B. die der örtlichen Verspannung ergibt sich dann eine verfür den Laser zu verwendenden laseraktiven Körper, schieden starke Verbreiterung des zu stimulierenden verglichen z. B. mit einem Rubin-Laserstab, längen- Laserüberganges. Die Einsattelungen der frequenz- bzw. flächenmäßig bei etwa gleicher Strahlungs- io abhängigen Intensitätsverteilung der Linie des Laserleistung sehr klein ausgeführt werden. Dies bringt Überganges, die im Bereich sehr starker mechaunter anderem eine Reihe von Vorteilen für die Aus- nischer Verspannung des Lasermaterials festzustellen führung der mechanischen Spannvorrichtungen; z. B. sind, werden — für den gesamten Laser betrachtet — ist es einfacher, über eine kleinere Fläche hinweg durch den Anteil der Strahlung kompensiert, die nur homogene Verspannung zu erzeugen. 15 geringe oder gar keine Einsattelung der Linie auf-

F i g. 1 zeigt schematisch eine Laseranordnung weist und die an Stellen mit geringer mechanischer

mit einem Halbleiter 1, der aus den Teilstücken 1' Verspannung des Materials verstärkt bzw. erzeugt

und 1", die vorzugsweise unterschiedlichen Leitungs- wird.

typus haben, besteht, und zwischen denen eine F i g. 2 zeigt eine weitere spezielle bevorzugte Auspn-Übergangsschicht 2 mit gegebenenfalls zwischen 20 führung der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der der n- und der p-Schicht befindlicher eigenleitender, die gewünschte inhomogene Verspannung durch sogenannter »intrinsic«-Schicht vorgesehen ist. Die Biegung des bei diesem gewählten Beispiel stab-Schicht 2 wird von den Strahlen 3 etwa parallel zur förmigen Halbleiter-Maser-Materials 21 erzielt wird, Schicht durchsetzt. 4 und 4' stellen Reflexionsflächen auf den die Übergangsschicht 22, bestehend aus dar, die in an sich bekannter Weise abhängig von as einem oder mehreren schichtförmigen pn-Überder Frequenz des Lasers und der Art der vor- gangen gegebenenfalls mit zwischen den Schichten gesehenen Auskopplung der Strahlung geeignet aus- unterschiedlichen Leitungstypus eingefügten Schichgebildet sind. Für einen Verstärker entfallen ge- ten mit eigenleitendem Verhalten, in der sich die gebenenfalls die Reflexionsflächen, und die Strahlen 3 stimulierten Übergänge des Laserprozesses abspielen, durchsetzen die Ubergangsschicht 2 nur einmal. 30 beispielsweise epitaktisch aufgebracht ist. Der Laser-Durch eine Spannvorrichtung 5 kann einstellbar mit strahl verläuft auf einem Weg, wie ihn etwa 23 ander Schraube 6 ein Druck auf die Platten 7 und T gibt, auf dem er z. B. mehrmals an der Oberfläche ausgeübt werden. Die Druckverteilung in der 24 des Lasermaterials und gegebenenfalls an der Schicht 2 kann dabei homogen, sie kann aber auch Fläche 25 zwischen dem Grundmaterial 1 und der bei entsprechenden, etwa nichtplanen Platten 7 35 Übergangsschicht 2 des Lasermaterials vorzugsweise und T inhomogen gewählt werden. 9 und 8 sind total reflektiert wird. 24 ist vorteilhafterweise eine Stromanschlüsse, die an dem halbleitenden Mate- polierte Fläche. Für den Fall einer gewünschten Rerial 1 so angeordnet sind, daß ein elektrischer Strom flexion an 25 bietet sich auch die Möglichkeit, das des Generators 10 von dem Teilstück 1' auf der Material 21 wenigstens an der Fläche 25 so stark zu einen Seite von 2 ausgehend über die ganze Fläche 40 dotieren, daß die Strahlung dort metallisch reflektiert von 2 verteilt in Richtung der Durchlaßrichtung des wird. Je nachdem, ob die Anordnung als Laserpn-Überganges durch 2 hindurch nach dem Teil- Verstärker- oder als Laser-Strahlungs-Erzeuger einstück 1" auf der anderen Seite von 2 fließt. gesetzt werden soll, werden die Flächen 26 für die

Bei homogener Verspannung in der Schicht 2 wer- Strahlung durchlässig oder fast vollständig reflektieden die jeweiligen Tenne in der ganzen Schicht 45 rend gemacht. Zur Erzielung eines vielfachen Durchgleichmäßig, d. h. um den gleichen Betrag, in ihrer laufes der Strahlung in der Schicht 22 können auch energetischen Lage verschoben, wenn keine Auf- äußere Reflektoren in bekannter Weise angeordnet spaltung der Terme eintritt. Auf diese Weise wird werden.

der Maser bzw. Laser in erster Linie lediglich ver- Das Pumpen der Laser, bei denen gemäß der Erstimmt. Wenn der oder die laseraktiven Terme je- 50 findung durch Einwirkung mechanischer Verspandoch entartet sind, so daß einer oder mehrere davon nung eine Verstimmung und/oder Bandbreitenaufspalten, ist bereits eine Bandbreitenvergrößerung vergrößerung bewirkt wird, kann in an sich bezu erreichen. Ebenfalls eine Bandbreitenvergrößerung kannter Weise etwa durch Einstrahlung von elektroerzielt man bereits, wenn ein inhomogener Druck auf magnetischer Strahlung, z. B. Licht, wie durch 27 das Material 1 bzw. auf die Schicht 2 ausgeübt wird 55 angedeutet, vorgenommen werden. Dazu ist er- und die Terme, die zu dem laseraktiven Übergang forderlich, daß die Oberfläche 24 für das Pumplicht gehören, nicht aufspalten, d. h. nicht entartet sind. durchlässig ist und die Pumplichtstrahlung in die Entsprechend der mehr oder weniger großen Ver- Schicht 22 ausreichend tief eindringen kann. Ein anspannung in der Schicht 2 ist dadurch der ener- deres anwendbares Verfahren, das Material des Lagetische Abstand der zu den laseraktiven Übergängen 60 sers umzubesetzen, d. h. zu pumpen, ist die Angehörenden Terme mehr oder weniger gegenüber regung der laseraktiven Terme durch Ladungsträgerdem vorspannungslosen Zustand des Materials ver- injektion, z. B. im Übergangsgebiet eines pn-Uberändert. ganges.

Wird eine besonders große Bandbreitenvergröße- 28 und. 28' sowie 29 deuten an sich bekannte

rung, insbesondere ein weitgehend rechteckiger Ver- 65 Vorrichtungen an, durch die die Biegung des Stabes

lauf der Kurve der Frequenzabhängigkeit der Ver- 21 erzwungen bzw. beibehalten wird.

Stärkung des Lasers gefordert, empfiehlt es sich, als Untersuchungen haben ergeben, daß beispiels-

laseraktives Material einen Stoff zu nehmen, der eine weise Aufspaltungen einer Fluoreszenz- bzw. Ab-

sorptionslinie bis zu -j- = 5°/o zu erreichen sind, worin Af der Abstand der durch den Einfluß der mechanischen Verspannung entstandenen zwei Maxima der Intensitätsverteilung der Fluoreszenzlinie und / die Frequenz der Laserstrahlung ist. Bei einer Frequenz von / = 3 · 10¹⁴ Hz, was einer Wellenlänge von etwa 1 μ entspricht, ergibt dies eine Bandbreite des Verstärkers von etwa 15 · 10¹² Hz.

Wie oben bereits angedeutet, können an Stelle einer pn-Übergangsschicht auch mehrere Schichten mit abwechselndem Leitungstypus ρ oder η aufeinander angebracht werden, zwischen denen sich der jeweils laseraktive Übergang befindet. Durch Zusammenschalten der Schichten jeweils gleichen Leitungstypus erhält man die zwei Pole, an die die Stromquelle, die zur Speisung des Lasers mit dem zum Pumpen durch Trägerinjektion erforderlichen Gleichstrom dient, angeschlossen werden. Bei Verwendung von Wechselstrom genügt es dagegen ao schon, die oberste oder die unterste Schicht abzuschließen und die übrigen als hintereinandergeschaltete: Schichten zu betreiben, wobei jeweils die in Sperrichtung gepolten Übergänge als kapazitive Vorschaltwiderstände für die in Durchlaßrichtung gepolten. Übergänge wirken.

Claims

Patentansprüche:

1. Nach dem Maser- bzw. Laserprinzip arbeitende Anordnung für Mikrowellen- bzw. Lichtstrahlung mit durch Pumpen anzuregenden Ladungsträgern in einem maser- bzw. laseraktiven Körper aus Halbleiterstoff mit einem oder mehreren pn-Übergängen> dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Erzeugung einer mechanischen Spannung in dem maser- bzw. laseraktiven Körper vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Erzeugung einer homogenen mechanischen Spannung in dem Körper vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Körpers stimulierbare Strahlungsübergänge besitzt, von denen einer oder mehrere der zugehörigen Tenne im mechanisch noch spannungsfreien Zustand quantenmechanisch entartet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eine oder die mehreren Übergänge durch epitaktisches Abscheiden· hergestellt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen