Оптические динамические нелинейности в прямозонных полупроводниках Иванов, Алексей Львович

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время все больший интерес вызывает исследование полупроводников в условиях сильного оптического возбуждения, в частности, изучение свойств полупроводниковых материалов в присутствии интенсивных электромагнитных волн. Если частота интенсивной электромагнитной волны лежит в области прозрачности вблизи края фундаментального поглощения полупроводника, то эту волну, которую в дальнейшем будем называть волной накачки, можно рассматривать как заданную внешним источником. В этом случае исследования оптических свойств полупроводника в присутствии волны накачки можно отнести к новому виду спектроскопии - динамической когерентной спектроскопии полупроводников. В известном смысле это следующий шаг после ранее разработанной спектроскопии полупроводников в присутствии квазистатических классических полей - электрического (электромодуляционная спектроскопия), магнитного и полей механических напряжений. Эта новая когерентная динамическая спектроскопия интересна как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения.

Фундаментальный аспект проблемы связан с тем фактом, что в присутствии электромагнитной волны накачки существенно изменяются (перенормируются) исходные элементарные возбуждения полупроводника - экситоны, фононы, биэкситоны и т.д.. Это приводит к сильным изменениям оптических свойств полупроводника в определенных частотных областях. Именно с этим обстоятельством и связан прикладной аспект новой спектроскопии. Речь идет о возможности создания оптического логического полупроводникового элемента, работающего в оптимальном режиме управления "свет-свет". Оптимальность такого управления связана с наименьшим возможным временем переключения, которое определяется динамическим характером процессов. До сих пор эти исследования, как правило, касались изучения динамических перестроек спектров в квазидвумерных полупроводниковых структурах при очень высоких уровнях возбуждения. Фактически речь идет об экситонном оптическом штарк-эффекте [2-4], заключающемся в голубом динамическом сдвиге экситонного уровня за счет экситон-экситонного взаимодействия. При этом характерный сдвиг экситонной линии на 1 мэВ связан с высокой интенсивностью накачки со 1 ТВт/см^г. Таким образом, весьма актуальной является проблема

поиска новых механизмов оптического штарк-эффекта в полупроводниках, характеризующихся существенно меньшими порогами наблюдения. Именно этому направлению исследований посвящена данная диссертационная работа.

При описании свойств полупроводников в присутствии поляритонной волны накачки, как правило, используют возможность введения перенормированных накачкой собственных возбуждений системы. Ведущая роль в формировании таких представлений принадлежит общепринятым в настоящее время взглядам на обычную поляритонную картину экситон-фотонного смешивания [1]. При этом основой подобного смешивания в присутствии волны накачки является фактически любое трехчастичное взаимодействие исходных возбуждений полупроводника с участием экситонов. Среди таких механизмов можно выделить экси-тон-фононное взаимодействие, приводящее к образованию фоноритонов - фотон-экситон-фононных смешанных состояний [5-6] или экситон-биэкситонное взаимодействие при резонансном возбуждении биэксито-нов [7-8].

Важной проблемой оптоэлектроники является задача устройства оптимальных оптических связей между рабочими элементами. При этом с возможностью солитонного распространения оптических импульсов в нелинейных средах связывают один из способов конструирования таких связей. В этой связи, по-видимому, представляет интерес предложенный в диссертационной работе анализ трехволновых солитонов нового типа.

Целью диссертационной работы является исследование механизмов и особенностей проявления оптических динамических нелинейнос-тей различной природы в прямозонных полупроводниках, развитие концепции элементарного возбуждения полупроводника в присутствии поляритонной волны накачки и рассмотрение соответствующих низкопороговых штарк-эффектов, а также анализ особенностей формирования трехволновых поляритонных солитонов.

Исходя из вышеизложенного, в диссертационной работе ставились следующие задачи:

1. Построение микроскопической теории антистоксова рассеяния интенсивной поляритонной волны в полупроводниковых средах. Исследование фоноритонных элементарных возбуждений, представляющих собой собственные возбуждения экситон-фотон-фононной системы пря-мозонного полупроводника в присутствии интенсивной поляритонной

волны.

1. Построение последовательной микроскопической теории низкопорогового экситон-Оиэкситонного оптического штарк-эффекта в полупроводниках с учетом электрон-дырочной природы экситонных и Оиэкситонных возбуждений. Выяснение роли экситон-экситонного взаимодействия, имеющего кулоновскую природу, в ренормализацион-ных явлениях в экситон-фотон-биэкситонной системе полупроводника в присутствии поляритонной волны накачки.

2. Анализ проблемы дополнительных граничных условий при сильных динамических модификациях дисперсии экситонных, фотонных, биэкситонных и фононных возбуждений. Исследование соответствующих спектров экситонного отражения полупроводника в присутствии поляритонной волны накачки.

3. Теоретическое исследование солитонного режима распространения в прямозонном полупроводнике двух интенсивных поляритонных волн, резонансно взаимодействующих через LO-фононное поле или через биэкситонную поляризацию.

4. Построение микроскопической теории распространения нелинейных электромагнитных волн в прямозонных полупроводниках в условиях резонансного возбуждения межзонных электронных переходов. Исследование соответствующих солитонных режимов распространения интенсивных электромагнитных волн.

Научная новизна. В диссертационной работе:

1. Впервые рассмотрена перестройка экситонного, фотонного и фононного спектров полупроводника в присутствии поляритонной волны накачки и введено соответствующее фоноритонное элементарное возбуждение.

2. Исходя из последовательной микроскопической модели, получена система макроскопических фоноритонных уравнений и подробно проанализированы свойства фоноритонных возбуждений.

3. Впервые предложен низко-пороговый экситон-биэкситонный оптический штарк-эффект для полупроводниковых сред, в которых возможно существование биэкситонов. Построена последовательная микроскопическая теория указанного эффекта, заключающегося, в частности, в эффективном динамическом длинноволновом сдвиге экситонного уровня полупроводника в присутствии поляритонной волны накачки.

4. Исследованы перестройки экситонного, фотонного и биэкси-

тонного спектров полупроводника в присутствии волны накачки и выделен соответствующий механизм этого ренормализационного явления - прямое кулоновское взаимодействие экситонов, приводящее к виртуальному образованию биэкситонов.

5. Впервые сформулирована и исследована проблема дополнительных граничных условий для задач, в которых рассматриваются динамические перестройки спектров элементарных возбуждений полупроводника .

6. Предложены и обоснованы специфические дополнительные граничные условия в задаче об антистоксовом рассеянии интенсивной поляритонной волны.

Т. Для системы макроскопических уравнений, описывающих поведение экситон-фотон-биэкситонной системы полупроводника в присутствии поляритонной волны накачки, впервые предложены и проанализированы соответствующие дополнительные граничные условия нового типа.

8. Изучены особенности спектров экситонного отражения прямо-зонного полупроводника в области антистоксова и экситон-биэкситонного резонансов поляритонной волны накачки.

9. Рассмотрен вопрос о формировании трехволновых солитонов при нелинейном взаимодействии двух интенсивных поляритонных волн, резонансно взаимодействующих через LO-фононное поле. Предложен нетрадиционный подход к исследованию соответствующих солитонных решений. Проведена классификация солитонных решений по типу дисперсионной зависимости.

10. Впервые получены и исследованы трехволновые нелинейные решения нового типа - квазифоношше солитоны, обладающие необычными свойствами.

11. Исследованы особенности образования связанных трехволновых солитонов при резонансном взаимодействии двух поляритонных волн через биэкситонную поляризацию.

12. Впервые введено понятие зона-зонной поляритонной волны, позволяющее связать характер распространения нелинейной электромагнитной волны с традиционной концепцией Хопфилда линейных поляритонных волн.

13. Получено нелинейное волновое уравнение для зона-зонных поляритонных волн, с помощью которого, в частности, исследован солитонный характер распространения интенсивных электромагнитных

-б-

волн в прямозонных полупроводниках.

Практическая ценность.

Рассмотренные в диссертационной работе динамические перестройки спектров элементарных возбуждений тлеют существенное значение в плане изучения возможности создания быстродействующего оптического логического полупроводникового элемента, работающего в оптимальном режиме управления "свет-свет".

В связи с исследованиями солитонных режимов распространения оптических импульсов в нелинейных средах представляет интерес предложенный в диссертации анализ трехволновых солитонов нового типа.

На защиту выносятся следующие положения.

1. На основе рассмотрения микроскопической теории антисток-сова рассеяния интенсивной поляритонной волны введено фоноритон-ное элементарное возбуждение, состоящее из экситонной, фотонной и фононной компонент.

2. Из анализа фоноритонного дисперсионного уравнения, описывающего перестройку поляритонного и фононного спектров в полярном прямозонном полупроводнике в присутствии поляритонной волны накачки продемонстрировано явление динамического сдвига и модификации спектров экситонного отражения (экситон-фононный штарк-эффект). Зависимость матричного элемента фрелиховского экситон-фононного взаимодействия от переданного фононом импульса приводит к индуцированному накачкой изменению эффективной массы экситона и появлению фононной эффективной массы в оптической области спектра.

3. Корректное рассмотрение экситон-фотон-биэкситонной системы полупроводника в присутствии поляритонной волны накачки требует учета как отклонения статистики биэкситонных операторов от Оозевской, так и операторной связи экситонных и биэкситонных возбуждений, отражающей их общую физическую природу. Это связано с тем, что возникающие при этом поправки оказываются того же порядка, что и исследуемые ренормализационные эффекты.

4. Расщепление экситон-биэкситонных термов полупроводника в присутствии поляритонной накачки определяется не "гигантской" силой осциллятора экситон-биэкситонного оптического перехода, как это принято считать, а экситон-экситонным взаимодействием, имею-

шим кулоновскую природу.

5. В рассматриваемой экситон-фотон-биэкситонной системе полупроводника в присутствии поляритонной волны накачки возникают динамические сдвиги зкситонного и биэкситонного уровней. Указанный эффект может быть определен как низкопороговый экситон-биэкситонный оптический штарк-эффект.

6. При анализе спектров отражения прямозонного полупроводника в присутствии поляритонной волны накачки необходимо использовать модифицированные дополнительные граничные условия. Их вид определяется с учетом специфики рассматриваемой задачи, исходя из качественных физических соображений и требования непрерывности потока энергии пробного излучения через границу кристалла. Сформулирована соответствующая энергетическая теорема Пойнтинга.

7. При распространении в прямозонном полупроводнике двух интенсивных поляритонных волн возможно форміфование связанных трехволновых солитонов за счет резонансного нелинейного взаимодействия как посредством ЬО-фононного поля, так и через биэкси-тонную поляризацию. Явный учет поляритонных эффектов и перестройки* дисперсионных кривых исходных элементарных возбуждений полупроводника в присутствии интенсивной волны накачки позволяет найти новые солитонные решения и провести их классификацию по типу дисперсионной зависимости.

8. Впервые исследованные квазифононные солитоны, устойчивые в ограниченной частотной области антистоксова резонанса поляри-тонного импульса накачки, обладают необычными свойствами: их существование носит пороговый характер по интенсивности накачки, а скорость возрастает с ростом интенсивности волны накачки.

9. Сильное уменьшение коэффициента поглощения с ростом интенсивности электромагнитной волны, распространяющейся в условиях межзонных электронных переходов, позволяет явным образом рассмотреть динамические изменения дисперсионных свойств и ввести понятие зона-зонной нелинейной поляритонной волны. Для такой волны возможен солитонный характер распространения.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на II Всесоюзном симпозиуме по световому эхо (Казань, 1981), XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982), XXII Всесоюзном совещании по физике низких температур (Кишинев, 1982), Пятом Всесоюзном совещании "Физика и техническое применение полупроводников А²В^б" (Вильнюс, 1983), Международной конференции "Экситоны-84" (Гюстров, ГДР, 1984), I Советско-западногерманском семинаре "Современные проблемы спектроскопии конденсированных сред" (Москва, 1984), III Всесоюзном симпозиуме по световому эхо и когерентной спектроскопии, (Харьков, 1985), Всесоюзной конференции "Избранные вопросы физики твердого тела" (Звенигород, 1987), II Республиканской школе-семинаре "Актуальные проблемы физики твердого тела" (Кишинев, 1987), Всесоюзном совещании "Экситоны в полупроводниках-88 " (Вильнюс, 1988), XIII Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (КиНО, Минск, 1988), Международной конференции по оптическим нелинейнос-тям и бистабильности в полупроводниках (ONBS, ГДР, Берлин, 1988), 11-ой Европейской конференции по квантовой электронике (ЕОЕС'89, ГДР, Дрезден, 1989), IV-ом Всесоюзном симпозиуме по световому эхо и путям его практических применений (Куйбышев, 1989), 11-ой Международной школе-семинаре по нелинейной оптике и кинетике возбуждений в полупроводниках (N0EKS II, ГДР, Бэд Штуер, 1989), а также на сессии Научного совета АН СССР "Когерентная и нелинейная оптика", Ломоносовских чтениях (МГУ, 1988-1990), научных семинарах МТУ, ФИАН , ИОФАН, МФТТ АН СССР, ИПФ МССР.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ, список которых приведен в конце реферата.