Введение к работе
Актуальность темы. Огромный успех оптоэлектроники за последние четверть века продолжаег стимулировать фундаментальные исследования оптических свойств полупроводниковых материалов. Одним из направлений таких исследований является изучение отклика нелинейной восприимчивости полупроводников вблизи края поглощения на резонансное возбуждение импульсными источниками стимулированного излучения.
Многообразные проявления этого типа нелинейности как традиционных полупроводников микроэлектроники (Si, его соединения, GaAs и др.), так и новых, успешно синтезированных за последние годы (тройные и четверные полупроводниковые соединения), лежат в основе разработки перспективных нелинейно-оптических устройств многоволновог о смешения, лазерных элементов отрицательной обратной связи и мультистабилъных элементов оптической логики [5].
При умеренных уровнях возбуждения в области
комнатных температур доминирующий вклад в нелинейную
восприимчивость большинства полупроводниковых
материалов вносит плазменно-индуцированный отклик диэлектрической проницаемости (ДП) среды, обусловлешшй фотогенерацией свободных носителей (электронов и дырок). По сравнению с другими нелинейными эффектами этот тип нелинейности является наиболее распространенным, и в той или иной степени практически всегда присутствует в условиях резонансного взаимодействия электромагнитного поля с полупроводниками вблизи края поглощения. При этом в одних нелинейно-оптических экспериментах он сопутствует основным эффектам и часто искажает их проявления, тогда как в других является центральным объектом исследования и с точки зрения изучения оптических свойств материалов, и с точки зрения разработки новых методов измерения и управления
пространственно-временными характеристиками световых импульсов.
Наряду с плазменно-индуцированным механизмом
нелинейности, обусловленного перераспределением зон и
уровней электронной системы и сопровождающегося
параметрической зависимостью ДП от концентрации
электронов и дырок, резонансное возбуждение может
инициировать тепловой (температурный) отклик
полупроводника при условии, если велика величина избыточной энергии фотовозбужденных носителей и мало время их термолизации. Существует целый класс полупроводниковых материалов, у которых уже при умеренных уровнях возбуждения инициируется достаточно большой тепловой отклик нелинейности для проявления эффектов самовоздействия света. Основу его составляют соединения переходных и редкоземельных металлов, обладающих фазовым переходом металл-полупроводник, при котором происходит резкая и обратимая смена характера величины электропроводности (ДП) среды (фазовый переход Г рода). Наиболее известными из них, уже нашедшие широкое применение в оптоэлектроники, являются двуокиси и полутороокиси ванадия, а также их соединения гомологического ряда Магнели [14]. В данной работе анализ теплового отклика нелинейности V02 на фотовозбуждение проводится с точки зрения перспектив его использования в качестве синхронизатора мод лазерного излучения.
Таким образом, исследование нелинейной
восприимчивости фотовозбужденных носителей представляет собой актуальную задачу как с научной, так и с практической точки зрения.
Целью данной диссертации является теоретическое и экспериментальное исследование нелинейного поглощения и рефракции пикосекундных световых импульсов при фотогенерации ими свободных носителей AgGaSe2 (прямые двухфотонные переходы) и Si (непрямые однофотонные
переходы), а также в условиях теплового отклика нелинейгюй среды (V02).
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Для достаточно малоизученного с точки зрения
оптоэлектроники объекта - AgGaSe2, определены такие
оптические параметры, как коэффициент двухфотонного
поглощения и сечение поглощения свободных носителей.
-
Впервые исследована анизотропия наведенного поглощения в AgGaSe2 и установлена ее прямая связь с особершостями зонной структуры этого материала.
-
Задача кинетики нестационарного энергообмена в условиях брегговской самодифракции когерентных спектрально-ограниченных световых импульсов впервые поставлена с учетом как фазового, так и амплитудного характера нелинейного отклика.
-
Ее решение впервые получено аналитически в приближении заданного поля накачки. Тем самым реализован подход к определению наиболее оптимальных условий энергообмена между взаимодействующими световыми пучками для любой среды с амплитудно-фазовым характером локального генерационного отклика. С его помощью проанализированы основные особенности эксперимента по диагностике плазменно-индуцированного отклика Si.
-
Впервые экспериментально (AgGaSe:) и теоретически рассмотрена задача кинетики нестационарного энергообмена при двухфотонном возбуждении.
-
Эксперимент по исследованию кинетики отражения нелинейного элемента на основе двуокиси ванадия объяснен с точки зрения теплового отклика нелинейности этого материала.
-
Впервые использован новый тип внутрирезонаторного элемента, осуществляющий процесс пассивной самосинхронизации мод, и объяснен
принцип его действия на основе теплового механизма нелинейного отклика двуокиси ванадия.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Лазерный комплекс спектрально-временной диагностики
нелинейного отклика диэлектрической проницаемости имеет
высокую степень воспроизводимости основных характеристик
генерируемых им пикосекундных световых импульсов. Эта
воспроизводимость имеет место как в цуге импульсов, так и от цуга
к цугу.
-
Анализ экспериментов по динамике нелинейного поглощения в AgGaSe2 установил, что в диапазоне возбуждений от 10s до 2 10 Впь'см2 основным вкладом в экстинкцию пикосекундных импульсов является двухфотонное поглощение, тогда как вкладом линейного поглощения и поглощения свободных носителей можно пренебречь. Исследование анизотропии наведенного поглощения свободных носителей в объеме AgGaSe2 показало резкое отличие (в 3,7 раза) сечений поглощения перпендикулярно и параллельно оптической оси кристалла, что обусловлено анизотропией валентных подзон этого материала, характерной для большинства халькопиритов.
-
Решение задачи двухпучковой брегговской самодифракции в приближении заданного поля накачки определяет процесс максимального энергообмена между импульсами для локального генерационного отклика нелинейности. Анализ результатов экспериментов в Si и AgGaSe2 в этом приближении показывает, что эффективность энергообмена имеет асимметричный вид зависимости от времени задержки между импульсами, что обусловлено амплитудно-фазовым характером плазменно-индуцированного отклика этих сред.
4. Задача кинетики отражения нелинейного зеркала на основе
двуокиси ванадия может быть описана в рамках уравнения
теплопроводности в полуограниченном теле (подложка АЇ),
тепловой поток на границе которого (пленка V02) является
заданной функцией времени Показано, что тепловой механизм
нелинейности VQ2 в окрестности фазового перехода металл-
полупроводник в состоянии обеспечить отклик отражения, сравнимый по длительности с возбуждающим импульсом. 5. Анализ эволюции пикосекундаой флуктуации в резонаторе твердотельного лазера показывает, что временные характеристики отклика отражения нелинейного зеркала на основе двуокиси ванадия, механизм нелинейности которого имеет чисто тепловой характер, в состоянии обеспечить режим самосинхронизации мод.
Практическая ценность.
Одной из основных технических задач лазерной физики и нелинейной оптики является получение мощных световых импульсов, обладающих высокими когерентными свойствами. В этой связи основные результаты анализа самодифракции могут быть применены в разработке нелинейно-оптических устройств многоволнового смешения по усилению слабого когерентного импульса в поле мощной, но частично-когерентной возбуждающей волны.
Анализ теплового механизма нелинейного отклика нового типа внутрирезонаторного элемента на основе двуокиси ванадия показал перспективность его использования в качестве синхронизатора мод лазерного излучения.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались па семинарах в Физико-техническом институте РАН им. А.Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург).
Публикации. Результаты диссертации изложены в ірех печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Список литературы содержит 124 наименований. Объем диссертации составляет 120 страниц, в том числе 23 рисунка.
