Приборы и техника эксперимента, 2019, № 5, стр. 92-95

ВВЕДЕНИЕ

Для исследования характеристик лазеров, генерирующих мощные короткие импульсы света в и.к.-области спектра, необходимы высокоэффективные фоторегистраторы, работающие при комнатной температуре. Для этой цели оказались пригодны неохлаждаемые фотоприемники на основе эффекта увлечения свободных носителей тока фотонами в полупроводниках. Эффект приводит к тому, что поглощенный импульс электромагнитной волны перераспределяется между фотонной и электронной подсистемами. При этом появляется направленный поток носителей тока, т.е. возникает ток увлечения [1–3]; э.д.с. увлечения пропорциональна мощности воздействующего излучения.

Как и все нелинейные эффекты в материалах, эффект фотонного увлечения проявляется при воздействии интенсивного излучения. Обычно он заметен при плотностях мощности излучения ~10⁵–10⁷ Вт/см², что позволяет использовать это явление для метрологической аттестации излучения мощных лазеров. Проблема точного измерения временных и энергетических характеристик мощных лазеров актуальна, и для таких измерений обычно отводится и измеряется часть излучения с помощью оптического клина (от 3–4%). Кроме того, если для измерений используется высокочувствительный фотоприемник, то входящее в него излучение приходится дополнительно ослаблять, чтобы не выходить из пределов динамического диапазона. В целом это снижает достоверность измерений. Поэтому использование фотоприемников на основе эффекта фотонного увлечения свободных носителей тока в полупроводниках стало весьма удачным техническим решением этой задачи.

Для импульсных СO₂-лазеров, излучающих в диапазоне длин волн 9–11 мкм (основная длина волны λ = 10.6 мкм), такие фотоприемники изготавливают из монокристаллов германия (Ge) p‑типа проводимости. Для лазеров других типов используются иные полупроводниковые монокристаллы. Так для лазеров, излучающих на длине волны 1.3 мкм, используют фотоприемники на основе эффекта увлечения свободных носителей тока фотонами в монокристаллах арсенида галлия (GaAs) [4]. Фотоприемник выполнен на основе полностью обедненной легированной сверхрешетки GaAs, перекрывающей весь диапазон от 0.8 до 1.4 мкм. Известен фотоприемник лазерного излучения и.к.-диапазона, на основе InSb, легированного примесью донорного типа [5].

В работе [6] сообщается об экспериментах с германиевым фотоприемником для регистрации излучения λ = 10.6 мкм, так как он представляет интерес для метрологии мощных лазеров в этой области спектра.

В данной статье представлен фотоприемник на основе германия, обеспечивающий регистрацию импульсов лазерного излучения в и.к.-диапазоне в широком диапазоне мощностей излучения и длительности импульса.

ФОТОПРИЕМНИКИ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Для измерения временных характеристик импульса СО₂-лазера традиционно использовались фотосопротивления на основе германия, легированного примесями золота, ртути, цинка и др., либо на основе соединений CdHgTe. Их применение осложняется тем, что позволяет получить лишь качественные результаты, так как эти фотоприемники, предназначенные для регистрации слабых сигналов, обладают высокой чувствительностью (~ 10^–10 В/Вт и даже выше, что вынуждает сильно ослаблять направляемое на них излучение), а также невысоким динамическим диапазоном. Кроме того, как правило, для работы требуется охлаждение кристалла до температуры жидкого азота (в некоторых случаях еще ниже), а также источник внешнего электропитания, что осложняет работу с прибором.

Эффект фотонного увлечения свободных носителей тока в полупроводниках впервые был обнаружен и исследован в работах [1–3]. Фотонное увлечение носителей тока происходит при “прямых” переходах между подзонами тяжелых и легких дырок в валентной зоне. Поглощенный импульс электромагнитной волны перераспределяется между решеткой и электронной подсистемой. При поглощении мощного электромагнитного излучения свободным носителям передается не только энергия излучения, но и импульс фотонов, перераспределение которого приводит к возникновению в кристалле направленного потока носителей зарядов, т.е. возникает электродвижущая сила фотонного увлечения (фото-э.д.с.). Впоследствии при исследовании влияния магнитного поля и анизотропии изоэнергетических поверхностей на ток увлечения были обнаружены фотомагнитный и анизотропный фотоэлектрические эффекты в полупроводниках [7].

Эффект фотонного увлечения был использован для создания быстродействующих субнаносекундных неохлаждаемых фотоприемников импульсного и.к. лазерного излучения [6, 7]. К достоинствам этих фотоприемников относится возможность работы при комнатной температуре, высокая помехоустойчивость, стабильность параметров, возможность изготовления приемников с большой апертурой, отсутствие электропитания, возможность регистрации не только формы лазерного импульса, но и его мгновенной и средней мощностей. Следует отметить, что данные фотоприемники являются хорошими вторичными эталонами вследствие очень высокой стабильности своих характеристик.

Таким образом, приемники на эффекте фотонного увлечения стали удачным решением проблемы измерения мгновенной и средней мощностей, а также длительности импульса мощных СО₂-лазеров.

ФОТОПРИЕМНИКИ НА ЭФФЕКТЕ ФОТОННОГО УВЛЕЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ГЕРМАНИЯ

Квант излучения СО₂-лазера (hν = 0.117 эВ) поглощается в германии, главным образом, за счет внутризонного перехода между подзонами тяжелых и легких дырок. Для выполнения законов сохранения энергии и импульса необходимо перемещение дырок относительно решетки в направлении распространения излучения. Это вызывает появление между торцами кристалла Ge разности потенциалов – э.д.с. фотонного увлечения (V). Основные параметры такого фотоприемника: временное разрешение до 10^–10 с, большой динамический диапазон (10–10⁷ Вт/см²), работа при комнатной температуре, чувствительность порядка 0.1–1.0 В/МВт. Временная постоянная фотоприемника определяется прохождением светового импульса в кристаллическом стержне и определяется по формуле

где n – показатель преломления, L – длина рабочего кристалла фотоприемника, с – скорость света.

Э.д.с. фотонного увлечения можно выразить зависимостью

где $C = e( - {{\tau }_{{\text{h}}}}{{v}_{{\text{h}}}} + {{\tau }_{{\text{L}}}}{{v}_{{\text{L}}}})$ – константа образца кристалла (${{v}_{{\text{h}}}}$ и ${{v}_{{\text{L}}}}$ – групповые скорости тяжелых и легких дырок соответственно, τ_h и τ_L – времена релаксации импульса в двух системах дырок, e – заряд электрона); W_P1 – пиковая мощность лазерного импульса; ρ – удельное сопротивление кристалла; S – площадь приемной площадки; R₁ – коэффициент отражения от поверхности приемника; h – постоянная Планка; ω – угловая частота лазерного излучения.

Для получения максимального значения V требуется оптимизация образца по параметрам ρ, S, L. Максимальное значение измеряемой э.д.с. наблюдается при максимальной длине кристалла. Известно [6, 7], что при комнатной температуре оптимальные значения ρ ≈ 1–10 Ом см, L = 4–6 см, а площадь приемной площадки должна соответствовать минимально возможному размеру сечения измеряемого лазерного луча. При большей длине кристаллического стержня поглощение излучения в германии будет искажать получаемые результаты [8]. Однако для измерения субнаносекундных импульсов приходится сознательно снижать чувствительность, уменьшая временную постоянную за счет укорочения кристалла.

Временное разрешение фотоприемника ограничивают следующие физические процессы:

1. Время релаксации носителей по импульсу τ_и (~10^–12–10^–13 с) – параметр не является определяющим, ограничивающим временное разрешение фотоприемника.

2. Время установления равновесия в системе “ток увлечения – электрическое поле ”τ_м, определяющее наблюдаемую э.д.с. фотонного увлечения; оценки показывают, что это время также достаточно мало: при использовании Ge р-типа с ρ = 10 Ом · см, оно составляет ~10^–11 с.

3. Время τ_ин, определяемое сопротивлением и емкостью кристаллического стержня из Ge р-типа и измерительного устройства; без существенной потери фоточувствительности приемник может быть выполнен с сопротивлением <10 Ом, а емкость уменьшена до 10^–11 Ф, τ_ин ≤ 10^–10 с.

4. Характеристическое время τ_пр, которое для фотоприемника на основе продольного эффекта увлечения становится определяющим, – время прохождения света в кристаллическом стержне, например, для фотоприемника c длиной монокристалла Ge р-типа 4 см τ_пр ≈ 3 ⋅ 10^–10 с; это время может быть уменьшено за счет уменьшения длины кристаллического стержня, что приведет к уменьшению фоточувствительности.

Таким образом, становится понятно, что для проведения измерений излучения лазеров со сравнительно “длинными” импульсами желательно использовать фотоприемник с максимально возможной длиной кристаллического стержня. Для исследования излучения субнаносекундных лазеров приходится жертвовать величиной измеряемого сигнала за счет уменьшения длины кристаллического стержня ради повышения временного разрешения.

В случае измерения характеристик лазеров с большим диапазоном перестройки длительности импульса использование фотоприемников с только “короткими” или только “длинными” кристаллами становится неудобным, и часто приходится периодически менять фотоприемники.

В данной работе сообщается о техническом решении, позволившим избегнуть этого.

Был изготовлен чувствительный элемент фотоприемника – кристаллический стержень длиной 6 см, на который было нанесено 7 омических контактов на равном расстоянии друг от друга нормально к оптической оси кристаллического стержня. Рабочий элемент – кристаллический стержень фотоприемника – имел квадратное сечение 10 × 10 мм².

Прибор снабжен переключателем, позволяющим снимать фото-э.д.с. с любой пары контактов, тем самым оперативно меняя рабочую длину кристаллического стержня. Это позволило оперативно регулировать величину измеряемых параметров. Данная конструкция фотоприемника позволяет регистрировать фото-э.д.с. разными участками кристалла. Это сделано для того, чтобы измерять “быстрые” импульсы, для которых требуется малая длина кристалла и при этом уменьшается чувствительность фотоприемника. В случае необходимости измерения сравнительно длинных импульсов возможен рост чувствительности за счет увеличения рабочей длины кристалла (см. формулу (1)). Характеристики используемого лазера представлены в работе [9].

На рис. 1 приведены вольт-ваттные характеристики фотоприемника, а на рис. 2 – зависимость выходного сигнала фотоприемника от сопротивления кристалла.

Калибровку фотоприемника проводили путем измерения его вольт-ваттных характеристик на шести рабочих диапазонах (рис. 1). Исследована также зависимость выходного сигнала от сопротивления кристалла (рис. 2). Эти измерения проведены в диапазоне мощностей воздействующего излучения 10⁵–10⁷ Вт. Видно, что при W_P1$ \leqslant $ 5 МВт/см², вольт-ваттные характеристики приемника линейны. Линейны также зависимости V = f(R) при фиксированном уровне мощности, т.е. работа прибора возможна на любом из шести диапазонов.

Верхний предел динамического диапазона фотоприемника ограничивается разрушением материала под действием излучения и эффектом возможного просветления германия при больших интенсивностях. Эффект просветления полупроводника возникает, во-первых, вследствие того, что при высоких мощностях излучения оказываются заполненными состояния в “легкой” подзоне, куда могут переходить носители, и, во-вторых, потому, что скорость перехода дырок под действием излучения из “тяжелой” подзоны в “легкую” может превысить скорость их поступления за счет междырочных столкновений с основной массой носителей в энергетический интервал, где они могут поглощать кванты света.

Наиболее высокая чувствительность F, как и следует из формулы (1), наблюдалась при максимальной рабочей длине стержня и составляла (0.4–0.6) ⋅ 10^–6 B/Вт.

Следует отметить, что эти исследования проведены на непросветленном кристалле Ge. После просветления чувствительность F должна возрасти почти вдвое, так как германий легко просветляется однослойным четвертьволновым покрытием из ZnS или As₂S₃ [8].

ВЫВОДЫ

Разработана конструкция и создан универсальный фотоприемник на основе эффекта фотонного увлечения свободных носителей тока в полупроводниках, обеспечивающий регистрацию импульсов лазерного излучения в и.к.-диапазоне во всем весьма широком диапазоне времен и мощностей, заменяющий комплект фотоприемников.