Содержание к диссертации
Введение
Глава I Обзор литературы 12
1. Фотонные кристаллы и их основные свойства 12
1.1. Распространение электромагнитных волн в периодической среде 12
1.2. Нелинейно-оптические свойства однородной среды и влияние на них фотоннокристаллической структуры 22
1.3. Развитие методов изготовления фотонных кристаллов 30
1.4. Функциональные структуры с фотонной запрещенной зоной 36
2. Пористый кремний 42
2.1. Формирование пористого кремния 42
2.2. Одномерные структуры на основе пористого кремния 45
2.3. Оптические и нелинейно-оптические свойства пористого кремния 47
3. Экспериментальные установки 51
3.1. Установка для электрохимического травления кремния 51
3.2. Установка для измерения спектров отражения и пропускания 53
3.3. Установка на основе YAG:Nd лазера для угловой спектроскопии второй и третьей оптических гармоник . 55
3.4. Установка на основе ПГС для экспериментов z-скани-рования 56
Глава II Композитные структуры с фотонной запрещен ной зоной на основе макропористого кремния 59
1. Структуры с фотонной запрещенной зоной на основе макро пористого кремния 61
1.1. Получение макропористого кремния методом электрохимического травления 61
1.2. Формирование структур с фотонной запрещенной зоной 64
1.3. Характеризация структур методами микроскопии и спектроскопии отражения и генерации ВГ 66
2. Композитные сегнетоэлектрические структуры на основе макропористого кремния и нитрита натрия 73
2.1. Основные свойства сегнетоэлектриков и нитрита натрия 75
2.2. Изготовление композитных структур на основе макропористого кремния и нитрита натрия 82
2.3. Оптические свойства композитного сегнетоэлектриче-ского фотоннокристаллического микрорезонатора... 85
2.4. Нелинейно-оптические свойства композитного сегпе-тоэлектрического фотоннокристаллического микрорезонатора 89
Глава III Исследование генерации второй и третьей оптических гармоник в фотоннокристаллических микрорезонаторах на основе макропористого кремния 94
1. Рэлеевское и гиперрэлеевскос рассеяние света 95
2. Исследуемые образцы и их оптические свойства 97
3. Изучение генерации второй гармоники 101
4. Изучение генерации третьей гармоники 106
Глава IV Композитные фотоннокристаллические микроре зонаторы на основе мезопористого кремния и по лимера полиметилметакрилат 116
1. Полимер полиметилметакрилат (РММА) и его основные свойства 118
2. Краситель Disperse Red (DR1) и его свойства 119
3. Изготовление композитных структур и их характеризация 121
4. Нелинейно-оптические свойства композитных фотонных микрорезонаторов на основе мезопористого кремния и полимера PMMA/DR1 126
4.1. Нелинейное преломление и нелинейное поглощение 126
4.2. Метод z-сканирования 128
4.3. Исследование фотоннокристаллических микрорезонаторов методом z-сканирования 132
Заключение 139
Список литературы 143
- Нелинейно-оптические свойства однородной среды и влияние на них фотоннокристаллической структуры
- Установка на основе YAG:Nd лазера для угловой спектроскопии второй и третьей оптических гармоник
- Композитные сегнетоэлектрические структуры на основе макропористого кремния и нитрита натрия
- Изучение генерации третьей гармоники
Введение к работе
Введение
Диссертационная работа посвящена исследованию круга задач, связанных с получением новых функциональных композитных структур с фотонной запрещенной зоной и комплексному изучению их структурных, оптических и нелинейно-оптических свойств.
В общем случае, иод структурами с фотонной запрещенной зоной (ФЗЗ) подразумевают объекты с изменяющейся в пространстве с периодом порядка длины волны диэлектрической проницаемостью. Периодическое варьирование оптических параметров изменяет спектральную плотность мод электромагнитного поля, что может привести к запрету распространения электромагнитных волн внутри структуры в некотором частотно-угловом диапазоне. Данная область частот получила название фотонной запрещенной зоны, а структуры с ФЗЗ - общее название фотонные кристаллы (ФК) [1]. Если фотонная запрещенная зона существует для всех направлений в фотонном кристалле, то говорят о полной фотонной запрещенной зоне, а кристалл является трехмерным фотонным кристаллом. Если фотонная запрещенная зона существует в какой-либо плоскости кристалла - он является двухмерным фотонным кристаллом. И, наконец, если фотонная запрещенная зона есть только в одном направлении - кристалл является одномерным. Внесение определенных искажений в перрюдичность структуры ФК может привести к появлению внутри его ФЗЗ разрешенных мод. Такие ФК имеют название фотоннокристаллических микрорезонаторов (MP), важным свойством которых является пространственная локализации электромагнитного поля с частотой разрешенной моды в области нарушения периодичности. К настоящему времени, основные оптические свойства структур с фотонной запрещенной зоной достаточно хорошо изучены [2].
Фотонная запрещенная зона обуславливает разнообразные перспективы применения фотонных кристаллов. Поскольку в полупроводниках
Введение одним из основных каналов электронно-дырочной рекомбинации является спонтанное излучение, то его уменьшение при помещении активного вещества в фотоннокристаллический микрорезонатор, зеркала которого служат резонатором, делает возможным создание лазеров с предельно низким порогом возбуждения [1]. Благодаря особым дисперсионным свойствам, фотонные кристаллы оказываются весьма полезны в физике сверхкоротких световых импульсов. Например, совместное действие дисперсии фотонного кристалла и фазовой самомодуляции делает возможным сжатие и управление фазой фемтосекундных лазерных импульсов [3]. На основе материалов с фотонной запрещенной зоной возможно изготовление высокоэффективных одномодовых светодиодов [4], од-номодовых световодов с очень низкими потерями [5], диэлектрических зеркал и фильтров.
Широкие возможности для исследований и разнообразных применений открываются при сообщении структурам с ФЗЗ дополнительных специфических функциональных свойств. "Функциональный" в данном случае означает возможность изменения оптических свойств материала (показателя преломления, коэффициента поглощения, нелинейной восприимчивости и т.п.) каким-либо внешним воздействием (электрическим или магнитным полем, оптическим излучением или изменением температуры), либо возможность преобразования частоты излучения (люминесценция, генерация оптических гармоник). Например, фотонный кристалл с нелинейно-оптическими свойствами позволяет получить эффективную генерацию оптических гармоник [6]. Обычно эффективность процесса умножения частоты в сплошных средах ограничена из-за мэйкеровских биений и усиление сигнала оптической гармоники становится возможным лишь при выполнении условий фазового синхронизма. Традиционно это достигается путём выбора определённого направления распространения в двулучепреломляющих кристаллах, тогда как в фотонных кристаллах реализуются ещё два способа - компен-
Введение сация разности фаз связанной и свободной волн путём периодической модуляции линейной или нелинейной восприимчивости. Однако, одной из самых актуальных задач является получение фотонного кристалла с возможностью перестройки фотонной запрещенной зоны - управляемого изменения её спектрального положения или коэффициента отражения, что открывает путь к зеркалам с перестраиваемой полосой отражения, перестраиваемым фильтрам и более сложным устройствам.
Функциональные свойства структуре с ФЗЗ сообщает материал с соответствующими специфическими свойствами. Такой функциональный материал может быть исходным материалом при формировании фотон-нокристаллической структуры, в качестве примера можно привести одномерные магнитные фотонные кристаллы с использованием железо-иттриевого граната с добавлением висмута [7] или нелинейные фотонные кристаллы на основе нецентросимметричных ниобата лития и сульфида цинка [8,9]. В случае, например, опалов, представляющих собой трехмерный фотонный кристалл, применимо следующей способ: пространство между составляющими опал сферическими частицами заполняют функциональным материалом, затем частицы удаляют, в результате чего формируется инвертированная структура опала из функционального материала [10]. Возможно и третье решение: фотоннокристалличе-ская структура формируется материалом, не обладающим необходимой функциональностью, а затем необходимый функциональный материал внедряется в структуру, сообщая ей новые свойства. В результате, такой ФК представляет собой композитную структуру.
В данной работе рассматриваются функциональные композитные структуры с ФЗЗ на основе пористого кремния. Пористый кремний [11] образуется путем электрохимического травления кристаллического кремния и является удобным материалом для формирования разнообразных слоистых структур, в том числе и одномерных структур с ФЗЗ в оптическом диапазоне. Широкий диапазон параметров электрохими-
Введение чсского травления позволяет получать как брэгговские зеркала с коэффициентом отражения до 99%, которые затем молено комбинировать с другими материалами, так и одномерные и двухмерные структуры с фотонной запрещенной зоной, поры которых возможно заполнить функциональным материалом. При этом процедура формирования структур из пористого кремния относительно проста, имеет хорошую воспроизводимость и предсказуемость. Все это делает пористый кремний привлекательным материалом для разработки новых композитных структур.
В работе изучаются как оптические свойства композитных структур на основе пористого кремния, характеризующие особенности их ФЗЗ, так и нелинейно-оптические свойства. С фундаментальной точки зрения интерес к нелинейно-оптическим свойствам продиктован возможностью получения новой информации о строении и свойствах материалов. Их изучение имеет и практическое значение, например, для получения эффективной генерации излучения на суммарной частоте или для изготовления устройств, основанных на эффектах самофокусировки и самоограничения интенсивности излучения.
Целью диссертационной работы является разработка методов изготовления композитных структур с фотонной запрещенной зоной на основе пористого кремния и исследование их оптических и нелинейно-оптических свойств — генерации второй и третьей оптических гармоник, ги-перрэлеевского рассеяния, эффекта светового самовоздействия.
Актуальность работы определяется интересом к созданию новых типов фотоннокристаллических структур и всестороннему их исследованию, в том числе для реализации возможности их практического использования в устройствах фотоники. Большое количество исследований, проведенных за последнее десятилетие, было ориентировано прежде всего на изучение уникальных оптических свойств фотоннокристаллических структур и взаимного влияния на них материала структуры. При этом большой класс материалов, из которых нельзя непосредствен-
Введение но сформировать структуру с ФЗЗ, преимущественно остается за пределами исследований. В работе решаются актуальные вопросы возможности сочетания свойств функциональных материалов и фотоннокристал-лических свойств в перспективных композитных фотоннокристалличе-ских структурах, а также изучение их взаимного влияния и наблюдение новых эффектов.
Научная новизна работы состоит в следующем: отработана методика и изготовлены образцы одномерных фотон-нокристаллических структур на основе пористого кремния со средним диаметром пор до 90 нм, имеющие ФЗЗ в оптическом диапазоне длин волн, перспективные для получения композитных фо-тоннокристаллических структур; обнаружено и систематически исследовано гиперрэлеевское рассеяние па частоте второй гармоники в MP моде фотоннокристалли-ческого микрорезонатора на основе пористого кремния; впервые получены и исследованы композитные фотоннокристалли-ческие микрорезонаторы на основе пористого кремния и сегнето-электрика нитрита натрия, обладающие свойством температурной перестройки положения MP моды и ФЗЗ; впервые методом генерации второй оптической гармоники наблюдался сегнетоэлектрический фазовый переход нитрита натрия в объеме тонкой пленки пористого кремния со средним диаметром пор 90 им; впервые получены и исследованы композитные фотоннокристал-лические микрорезонаторы с брэгговскими зеркалами на основе пористого кремния и с MP слоем на основе нелинейного полимера.
Практическая ценность работы заключается в экспериментальной демонстрации возможности использования кремниевых микроструктур
Введение в такой активно развивающейся области как фотоника. Развитие методов получения функциональных композитных кремниевых структур и исследование их оптических и нелинейно-оптических свойств позволяют ответить на важные вопросы о жизнеспособности кремниевых устройств фотоники, их потенциальных возможностях и перспективах дальнейшего развития.
Достоверность и надежность результатов обеспечена применением набора взаимно-дополняющих экспериментальных методик, а также детальным анализом физических явлений и процессов, определяющих оптические свойства исследуемых структур. В значительной степени достоверность полученных результатов подтверждается хорошим согласием между экспериментально полученными данными и значениями, рассчитанными в рамках общепринятых физических моделей.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Метод электрохимического травления позволяет изготавливать одномерные фотоннокристаллические структуры с ФЗЗ в оптическом диапазоне на основе пористого кремния с размером пор в десятки нанометров, что позволяет использовать их как матрицы для композитных ФК.
Генерация второй оптической гармоники в фотоннокристалличе-ских микрорезонаторах на основе пористого кремния с размером пор в десятки нанометров наблюдается в форме гиперрэлеевского рассеяния.
В фотоннокристаллических структурах на основе пористого кремния и сегнетоэлектрика нитрита натрия достигается спектральный сдвиг ФЗЗ и MP моды, индуцированный температурой.
Методом генерации второй оптической гармоники наблюдается се-гнетоэлектрический фазовый переход нитрита натрия в объеме
Введение тонкой пленки пористого кремния.
5. Композитные фотоннокристаллические микрорезонаторы с брэг-говскими зеркалами на основе пористого кремния и с MP слоем из нелинейного полимера обладают параметрами ФЗЗ не хуже, чем аналогичные структуры целиком из пористого кремния, и демонстрируют значительное усиление нелинейно-оптических свойств.
Апробация работы проводилась на следующих конференциях:
Международное рабочее совещание " Нанофотоника - 2004 ", Нижний Новгород, Россия, март 2004.
Международная конференция " Smart Structures and Materials 2005", Сан Диего, США, март 2005.
Международная конференция " International Conference on Coherent and Nonlinear Optics" (ICONO), Санкт-Петербург, Россия, май 2005. X Симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника", Нижний Новгород, Россия, март 2006.
Международная конференция " International Conference on Coherent and Nonlinear Optics" (ICONO), Минск, Белоруссия, май 2007.
Международная конференция " Microtechnologies for the New Millennium " (MNM), Маспаломас, Испания, май 2007. XII Симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника", Нижний Новгород, Россия, март 2008.
Личный вклад автора: все результаты диссертации получены автором лично, либо при его непосредственном участии.
Введение
Работа имеет следующую структуру: первая глава содержит обзор литературы, касающийся описания свойств структур с фотонной запрещенной зоной и развития методов их изготовления, а также свойств пористого кремния и формирования микроструктур на его основе; вторая глава посвящена разработке фотоннокристаллических структур на основе пористого кремния n-типа, композитных фотоннокристаллических структур на основе пористого кремния n-типа и сегнетоэлектрика нитрита натрия и исследованию их оптических свойств; третья глава посвяіцена исследованию методом спектроскопии второй и третьей оптических гармоник в k-прос транстве фотоннокристаллических структур на основе пористого кремния n-типа и композитных фотоннокристаллических структур на основе пористого кремния n-типа и сегнетоэлектрика нитрита натрия; четвертая глава посвящена разработке фотоннокристаллических микрорезонаторных структур на основе пористого кремния и функционального полимерного материала в качестве микрорезо-наторного слоя, и исследованию их нелинейно-оптических свойств методом z-сканирования.
Нелинейно-оптические свойства однородной среды и влияние на них фотоннокристаллической структуры
Нелинейно-оптические свойства однородной среды Пусть в однородной нелинейной среде распространяется плоская монохроматическая волна Отклик среды на такое поле может быть описан [25] наведенной в среде электрической поляризацией P(k,w), которую можно разложить в ряд по степеням напряженности поля при этом каждое из слагаемых можно разложить в ряд по мультиполям, учитывающим пространственную дисперсию Обзор литературы Здесь (n)D() - тензор дипольной (квадрупольной) восприимчивости среды порядка п. Малым параметром в разложении (23) является отношение напряженности поля электромагнитной волны к напряженности внутриатомного поля, которое по порядку величины можно оценить равным 10 2. Такая величина параметра обосновывает возможность разложения в ряд и обеспечивает его сходимость. Малым параметром в мультипольном разложении (25) является отношение характерного масштаба нелокальности отклика среды, который можно оценить равным боровскому радиусу в диэлектрике, к характерному масштабу пространственной неоднородности поля. Подробно процесс генерации оптической гармоники в полубесконечной нецентросимметричной среде рассмотрен, например, в работе [26] для случая второй гармоники (ВГ). Падающая на нелинейный кристалл из воздуха волна накачки с углом падения в и волновым вектором к после преломления в кристалле распространяется под углом 9 = arcsin(e-1/2(a;)sin0 ) с волновым вектором к (также имеет место отраженная от поверхности кристалла волна, распространяющаяся под углом в с волновым вектором к ). Прошедшая в кристалл волна накачки, благодаря объемной квадратичной дипольной восприимчивости, возбуждает волну квадратичной поляризации Р (2о;), которая распространяется под углом #, = 0 и имеет волновой вектор k, = 2 к . В случае слабых нелинейно-оптических эффектов амплитуда волны на частоте второй гармоники мала по сравнению с амплитудой волны накачки, поэтому её воздействием на накачку можно пренебречь, то есть можно решать задачу о генерации второй гармоники в приближении заданного поля. В этом случае напряженность поля ВГ удовлетворяет волновому уравнению: Волна квадратичной поляризации является источником излучения вто рой гармоники, при этом в среде рождаются две волны второй гармоники - связанная и свободная.
Связанная волна распространяется под тем же углом #, = #, = 6 и эффективный показатель преломления для нее равен є1І2(иі). Свободная волна второй гармоники распространяется под углом в ш, который в общем случае не равен 6 и определяется показателем преломления на частоте 2ш, #, = arcsin(-1/2(2a;) sin 0 ,). Суммарное излучение второй гармоники, распространяющейся в среде, является интерференцией связанной и свободной волн, его интенсивность изменяется синусоидально по мере распространения в среде. Характерным пространственным масштабом нарастания интенсивности излучения является когерентная длина /со/г, = 7г/[2о;с_1(1/ 2(а;) cos (9 " — (20;) сое С)] Помимо излучения второй гармоники в объеме кристалла, также появляется отраженное от поверхности кристалла излучение второй гармоники, распространяющееся под тем же углом в„, что и отраженная волна накачки. Формально возникновение этого излучения следует из граничных условий на границе раздела воздух-кристалл. Физическая причина отраженной волны заключается в нескомпенсированности обратного излучения поверхностных нелинейных источников интерференцией с излучением более глубоко лежащих нелинейных источников. При этом интенсивность отраженного излучения второй гармоники нечувствительна к соотношению фазовых скоростей связанной и свободной волн второй гармоники в объеме кристалла. Будучи оптическими характеристиками среды, тензоры нелинейных восприимчивостей имеют определенную симметрию, отражающую структурную симметрию среды, а именно, они должны быть инвариантными по отношению ко всем преобразованиям симметрии. Пусть Т - тензор какого-либо преобразования симметрии, тогда, например, в случае тензора квадратичной дипольной восприимчивости каждая его компонента преобразуется как хкк = TuTjmTkn Ximn
Инвариант ность тензора х относительно такого преобразования, требующая V(2).D _ - (2)- приводит к появлению связей между его компонентами, равенству и обращению в ноль некоторых из них. Рассмотрим кристалл кремния, который принадлежит к кубической сингонии, точечной группе симметрии m3m. Для однородной среды без центра инверсии величина квадратичной поляризации Р 2) определяется наибольшим ненулевым членом разложения (25) — дипольным, однако в случае кремния имеет место центральная симметрия и все компоненты тензора квадратичной дипольной восприимчивости х тождественно равны нулю. В этом случае величина квадратичной поляризации определяется следующим членом разложения - квадрупольным, х 2 . Из 81 компоненты тензора в декартовой системе координат, связанной с кристаллографическими осями, с учетом симметрии по перестановке второго и четвертого индексов остаются ненулевыми следующие компоненты [27]:
Установка на основе YAG:Nd лазера для угловой спектроскопии второй и третьей оптических гармоник
Для проведения нелинейно-оптических экспериментов использовалась установка на основе AI4T:Nd3+ лазера, схема которой приведена на рисунке 8. AI4T:Nd3+ лазер (1) обладет следующими характеристиками: излучение с длиной волны 1064 нм, частота повторения импульсов 25 Гц, длительность импульса 15 не. При этом импульсная плотность мощности на образце составляет около 10 МВт/см2. Необходимая поляризация излучения выделяется при помощи призмы Глана (2). Далее, излучение накачки проходит через фокусирующую линзу (4) с фокусным расстоянием «50 см и попадает на образец, закрепленный на столике (5). Часть излучения накачки (около 5%) отводится с помощью делительной пластинки (3) в канал сравнения. Столик с образцом располагается на автоматическом гониометре (6), имеющем угловое разрешение 0.24. Излучение, отраженное от образца, проходит через фильтр СЗС-17 (8), блокирующий излучение на частоте накачки и пропускающий излучение на частоте второй гармоники. Излучение второй гармоники проходит через диафрагму (8), фокусирующую линзу (9), призму Глана (10) и попадает в фотоэлектронный умножитель ФЭУ-79, который работает в режиме счета фотонов. Излучение в канале сравнения попадает на вырезанный под коллине-арный синхронизм кристалл ВВО (12), который служит источником излучения на частоте второй гармоники. После прохождения через фильтр СЗС (13), поглощающий излучение накачки, это излучение детектируется с помощью фотодиода (14). Канал сравнения используется для снижения влияния флуктуации мощности лазерного излучения. Сигналы, поступающие из обоих каналов (сигнального и канала сравнения) через систему электронной стробируемой регистрации попадают на карту АЦП. Обработка результатов эксперимента, также как и управление вращением гониометра, осуществляется компьютером со специализированным программным обеспечением (15). Для проведения экспериментов z-сканирования использовалась установка на основе параметрического генератора света (ПГС) с возможностью перестройки в диапазоне 450-1000 нм. В основе работы ПГС лежит процесс вынужденного параметрического рассеяния ультрафиолетовой на качки в нелинейном кристалле ВВО.
В качестве накачки используется излучение третьей гармоники 1064 нм импульсного наносекундного AHP.Nd3+ лазера с двухкаскадным утроителем частоты на основе кристалла KDP. Перестройка частоты генерации осуществляется путем путем поворота кристалла ВВО, при этом условие коллинеарного фазового синхронизма выполняется для различных длин сигнальной и холостой волн согласно закону сохранения 1/AP = 1/As + 1/Aj. Излучение сигнальной и холостой волн разделяется системой диэлектрических зеркал. На выходе из ПГС излучение имеет следующие характеристики: длительность импульса 15 не, частота повторения 10 Гц, средняя энергия в импульсе 7 мкДж, диаметр пучка около 5 мм. Схема экспериментальной установки для z-сканирования изображена на рисунке 9. Излучение ПГС (1) (использовалась холостая волна с длиной 730-1000 нм) проходит через набор нейтральных фильтров (2) для гибкой настройки интенсивности излучения на образце и фильтры RG 740 (3) для очистки излучения от остатков накачки и излучения сигнального диапазона. Затем излучение проходит через делительную пластинку (4) и диафрагму (5), которая необходима для формирования "top-hat" профиля импульса. Далее, излучение проходит через со бирающую линзу (7), установленную на автоматизированном трансляторе (6). Транслятор обеспечивает перемещение линзы вдоль оптической оси z. Сфокусированное линзой излучение направляется на образец (8), отражается и регистрируется фотодиодом сигнального канала (10). При апертурном z-сканировании перед фотодиодом устанавливается диафрагма (9), при безапертурном z-сканировании она отсутствует.
Часть изучения отражается делительной пластинкой (4) и направляется на фотодиод канала сравнения (11). Сигналы с фотодиодов сигнального канала и канала сравнения направляются в оцифровывающую импульсы напряжения систему регистрации (12), синхронизированную с ПГС. Эксперимент проходит под управлением компьютера со специализированным программным обеспечением, управляющим транслятором и получающим данные с системы регистрации.
Композитные сегнетоэлектрические структуры на основе макропористого кремния и нитрита натрия
Задача внедрения каких-либо материалов в объем слоистой пористой структуры сопряжена с рядом сложностей. Очевидно, для внедрения оправдано использовать материалы, находящиеся при нормальных условиях в твердой фазе (конечно, возможно изготовление и изучение композитных структур с жидкими и даже газообразными при нормальных условиях материалами, но эти случаи мы рассматривать не будем). Но также очевидно, что введение,твердых материалов в пористую, структуру возможно либо в виде газообразной фазы - методом газофазного осаждения, либо в виде жидкой фазы - раствора. Метод газофазного осаждения применим к довольно небольшому кругу материалов, интересных для изготовления композитных структур, при этом отдельной задачей является обеспечение проникновения материала вглубь пористой структуры. В случае растворов проникновение в пористую структуру происходит за счет действия капиллярных сил, что накладывает требования к раствору в вязкости и в смачиваемости поверхности материала, из которого изготовлена пористая структура. Это означает необходимость подбора подходящего растворителя или их комбинации, что возможно не для всякого интересного в смысле внедрения в пористую фотоннокристаллическую структуру материала. В последнем случае вариантом является использование коллоидных растворов, но в этом случае необходим контроль за размером частиц, чтобы обеспечить возможность их проникновения в поры. Возможны и более сложные способы внедрения желаемого материала в пористую структуру. Например, автором была изготовлена и исследована серия композитных структур на основе пористого кремния с использованием материалов, получаемых по золь-гель технологии - сегнетоэлектриком цирконатом-титанатом свинца Pb(Zr,Ti)03 [101] и ферромагнетиком железо-иттриевым гранатом с примесью висмута Ві Уз-жРебОїг [102].
В этом случае исходный коллоидный раствор с составляющими будущего материала вводился в пористую структуру, используя капиллярные силы, затем образец подвергался температурной обработке с целью удаления растворителей и формирования натюкристаллитов материала внутри пористой структуры. Коротко, основные трудности с которыми пришлось столкнуться, заключались в следующем: достижение заметной степени заполнения пор требует проведения нескольких циклов внедрения; вследствие температурной обработки происходит значительное окисление кремниевой матрицы, что значительно влияет на ее оптические свойства (качество и спектральное положение ФЗЗ); температурная обработка способствует образованию химических соединений с кремнием составляющих внедряемого в поры раствора. В этой главе представлены результаты более простой композитной структуры - в качестве внедряемого материала использовался сегнето-электрик нитрит натрия NaNCb, который хорошо растворяется в воде и в твердом состоянии имеет вид кристаллитов с размерами вплоть до нанометровых. Интерес к сегнетоэлектрическому материалу, а точнее, к композитной сегнетоэлектрической структуре с фотонной запрещенной зоной, продиктован оптическими и нелинейно-оптическими свойствами сегнетоэлектриков и их зависимостью от температуры. Вследствие изменения кристаллической структуры сегнетоэлектрика при изменении температуры, можно ожидать изменения с температурой его показателя преломления (данное явление наблюдалось, например, для кристаллов дигидрофосфата калия — KDP [ЮЗ]), что изменяет и эффективный показатель преломления композита в целом. То есть можно ожидать, что от температуры зависит эффективный показатель преломления составляющих фотонный кристалл слоев, что даёт возможность перестройки спектрального положения фотонной запрещенной зоны. Также представляет интерес зависимость от температуры нелинейно-оптических свойств се-гнетоэлектрика.
В частности, объемная дипольная квадратичная нелинейная восприимчивость отлична от нуля в сегнетоэлектрической фазе и уменьшается до нуля при переходе в параэлектрическую фазу. Данный эффект дает возможность переключения нелинейно-оптических свойств композитного фотонного кристалла. Хорошо известно, что все диэлектрические материалы обладают способностью к электрической поляризации во внешнем электрическом поле, так как поле, действуя на разноименно заряженные частицы, смещает их в противоположных направлениях, вызывая разделение "центров тяжести" положительных и отрицательных зарядов. Однако в некоторых кристаллах электрическая поляризация может возникнуть и существовать спонтанно, т.е. в отсутствие внешнего электрического поля. Это физическое явление было обнаружено впервые в кристаллах сегнетовой соли, поэтому все подобные диэлектрики получили название сегнето-электриков. Примерами сегнетоэлектриков являются такие вещества, как ВаТіОз, Pb(Zr,Ti)03, КН2Р04. Величина спонтанной поляризации может изменяться от Ю-9 до Ю-4 Кл/см2 [104]. Спонтанная поляризация возникает как следствие формирования ионами кристаллической решетки пецентросимметричной структуры. Каждая элементарная ячейка имеет ненулевой электрический момент и в результате взаимодействия соседних элементарных ячеек формируются домены - области с сонаправленными векторами поляризации. В обычных условиях спонтанная поляризация не проявляется: если домены малы, то в разных областях вещества вектор поляризации направлен различно и суммарное значение электрического момента близко к нулю , такое расположение соответствует минимуму энергии. Во внешнем электрическом ноле происходит изменение направления поляризации в отдельных областях, векторы поляризации приближаются к положению, параллельному направлению поля . Кроме того, границы между отдельными доменами могут смещаться так, чтобы объем энергетически более выгодных областей увеличивался за счет объема энергетически менее выгодных.
Доменная структура приводит к тому, что значение электрического смещения определяется не только значением напряженности поля, но и зависит от предшествующих состояний. Это явление называется гистерезисом. В процессе нагревания сегнетоэлектрика, при температуре, называемой точкой Кюри Тс, происходит фазовый переход из сегнетоэлектриче-ской кристаллической фазы в параэлектрическую кристаллическую фазу, в которой спонтанная поляризация отсутствует. Различают фазовые переходы первого и второго рода. Фазовые переходы первого рода отличаются наличием температурного гистерезиса. При фазовых переходах второго рода изменения структуры происходят непрерывно, плавно и не имеют температурного гистерезиса [104]. Согласно теории Ландау [105], при фазовых переходах второго рода параметр порядка J] (характеризующий степень упорядочения электрических диполей) и спонтанная поляризация Psp вблизи точки перехода спадают по закону \JT — Тс- В некоторых случаях существуют две температуры Кюри и сегнетоэлек-трические свойства наблюдаются только при температурах, лежащих между обеими точками. Для антисегнетоэлектриков характерно наличие двух кристаллических подрешеток [106], при этом соседние ячейки имеют антипараллельные направления спонтанной поляризации. Антисегнетоэлектрики мож
Изучение генерации третьей гармоники
На рисунке 32 представлены угловые спектры интенсивности генерации третьей гармоники в фотоннокристаллическом микрорезонаторе на основе пористого кремния при s- и р-поляризованном излучении накачки. В обоих случаях наблюдается максимум интенсивности в области 33-34. При s-поляризации падающего излучения интенсивность генерации ТГ выше, чем при р-поляризации, во всем диапазоне изменения углов. Причем в случае s-поляризации интенсивность ТГ в MP моде в 10-12 раз Рис. 31: Индикатриса рассеяния излучения второй гармоники для композитного фотоннокристаллического микрорезонатора на основе пористого кремния и нитрита натрия при s-поляризации накачки и угле падения 40, соответствующему MP моде. Точки - эксперимент, линия - аппроксимация выражением вида (54). Рис. 33: Зависимость интенсивности третьей гармоники от угла поворота анализатора для фотоннокристаллического микрорезонатора на основе пористого кремния при s- (красные точки) и р-поляризации накачки (синие) и угле падения 33, соответствующем MP моде. Положения анализатора 0 и 180 соответствуют р-поляризации. Линии - результат аппроксимации функциями вида A cos2 (р. Поляризационные зависимости интенсивности генерации ТГ при угле падения 33 при s- и р-поляризациях падающего излучения представлены на рисунке 33. Углы поворота анализатора 0 и 180 соответствуют р-поляризации регистрируемого излучения. На представленных зависимостях при этих углах наблюдается минимум в случае s-поляризованно-го падающего излучения и максимум в случае р-поляризованного.
При углах поворота анализатора 90 и 270 наблюдается обратная картина. Причем во всех случаях в минимуме интенсивность ТГ равна нулю в пределах погрешности измерения. Таким образом, генерация ТГ наблюдается только в s-s и р-р геометриях, что соответствует теоретическому описанию генерации третьей гармонии в изотропных средах в данной геометрии эксперимента. Экспериментальные кривые на рисунке 33 аппроксимированы функциями вида A cos2 tp и В sin2 р, где А и В - константы. Рис. 34: Индикатриса рассеяния излучения третьей гармоники для фотонно-кристаллического микрорезонатора на основе пористого кремния при s- (красные точки) и р-поляризации накачки (синие) и угле падения 33, соответствующему MP моде. Как видно из рисунка 34, в отличие от случая генерации второй гармоники, индикатрисы рассеяния излучения третьей гармоники при обеих поляризациях накачки имеют узкий пик в зеркальном направлении (угол падения накачки равен 33). При этом, вне пиков сигнал ТГ находится на уровне ошибки измерения, что позволяет говорить об отсутствии заметного пьедестала. Ширина пиков на иолувысоте составляет примерно 2, что соответствует апертуре регистрирующего излучение ФЭУ в этом эксперименте. Из полученных поляризационных зависимостей и индикатрис рассеяния можно однозначно заключить, что излучение генерации ТГ в микрорезонаторе на основе пористого кремния является когерентным. Композитами фотоннокристаллический микрорезонатор на основе пористого кремния и нитрита натрия Максимум интенсивности генерации излучения на частоте третьей гармоники в области 36-38 (соответствующей MP моде) наблюдается и для Рис. 35: Угловой спектр интенсивности генерации третьей гармоники в композитном фотоннокристаллическом микрорезонаторе на основе пористого кремния и нитрита натрия при s- (красные точки) и р-поляризации накачки (синие). композитного микрорезонатора с нитритом натрия (рис. 35). Для обеих поляризаций падающего излучения интенсивность сигнала в MP моде примерно в 10 раз выше интенсивности сигнала в ФЗЗ.
На рисунке 36 представлены поляризационные зависимости интенсивности ТГ при угле падения излучения 38. Углы поворота анализатора 0 и 180 соответствуют р-поляризации регистрируемого излучения, углы 90 и 270 s-поляризации. Наблюдаемая картина аналогична поляризационной зависимости для микрорезонатора на основе пористого кремния - генерация ТГ наблюдается только в s-s и р-р геометриях. Экспериментальные кривые аппроксимированы функциями вида A cos2 ip и В sin2 tp, где А и В - константы. Индикатрисы рассеяния излучения ТГ для обеих поляризаций падающего излучения при угле падения 38 представлены на рисунке 37. Обе зависимости имеют острый пик в зеркальном направлении, а сигнал вне пиков не превышает виличину ошибки измерения. Пики имеют ширину на полувысоте около 1.5, что соответствует апертуре регистрирующего
