Лазеры на полупроводниковых наноразмерных структурах с катодно-лучевой накачкой

• 1 слайд

  В.И. Козловский
  
  
  - Этапы развития
  
  - Лазеры с резонансно-периодическим усилением на
  полупроводниковых наноструктурах
  
  - Широкозонные наноструктуры для видимого диапазона спектра
  
  - Возможность освоения УФ области
  
  - Лазерная ЭЛТ как источник монохроматического света
  
  - Заключение
  Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН,
  Лаборатория ЛКН НФО
  
  Лазеры на полупроводниковых наноразмерных структурах с катодно-лучевой накачкой
  

• 2 слайд

  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
  
  

• 3 слайд

  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.
  

• 4 слайд

  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.
  

• 5 слайд

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

• 6 слайд

  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/2N
  Длина волны в структуре – 0,2 мкм
  
  КЯ должны быть в пучностях стоячей волны, соответствующей максимуму усиления
  e-
  h
  AlDBRQWsDBRSubstrate
  

• 7 слайд

  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 %
  

• 8 слайд

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

• 9 слайд

  Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
  1
  3
  1
  2
  3
  Модель лазера
  r1r2exp(i2NbLb/) =1
  r1 и r2 - комплексные и вычисляются матричным методом
  
  Nqw = nqw – i g()
  Nb = nb + i ()
  g() пропорционален материальному коэффициенту усиления КЯ
  () – внутренние потери
  r1
  r2
  Lb Nb
  

• 10 слайд

  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».
  

• 11 слайд

  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
  

• 12 слайд

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

• 13 слайд

  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
  

• 14 слайд

  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
  

• 15 слайд

  Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
  2
  3
  УФ лазер (225-330 нм, 0.1-1 Вт)- проект
  катодп/п наноструктура нелинейный кристалл хладопроводвнешнее 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
  

• 16 слайд

  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
  

• 17 слайд

  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 %
  

• 18 слайд

  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 m
  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
  

• 19 слайд

  Лазерная ЭЛТ как источник излучения для пассивных дисплеев
  Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН,
  Principia LightWorks Inc., CA, USA
  
  Electron gun - Focus lens - Deflection coils h
  Water
  Laser
  screen
  11 см
  

• 20 слайд

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

• 21 слайд

  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
  

• 22 слайд

  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.
  

• 23 слайд

  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
  

• 24 слайд

  Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
  $16 million