Введение к работе
Актуальность темы
Значительные достижения последних лет в создании
инфракрасных лазеров на кристаллах YAG:Er3+ (эрбиевые лазеры), открыли широкую перспективу их практического использования в научных исследованиях в среднем ИК диапазоне. В первую очередь это относится к исследованиям в области нелинейной оптики: генерация гармоник, нелинейное поглощение и т. д. Научный интерес к исследованиям нелинейно-оптических явлений, связанных с нелинейными свойствами вещества, до сих пор не теряет своей актуальности, поскольку эти явления лежат в основе современных электронных, оптоэлектронных, оптических приборов и устройств.
Одним из фундаментальных нелинейных эффектов, который
интенсивно исследуется в течении многих лет как теоретически, так и
экспериментально, является многофотонное поглощение.
Повышенный интерес к многофотонному поглощению, в частности
двухфотонному поглощению (ДФП), обусловлен рядом причин: во-
первых, новыми возможностями для изучения энергетической
структуры кристаллов, открываемыми спектроскопией даухфотошюго
поглощения (двухфотонная спектроскопия), во-вторых, возможностью
интенсивного объемного возбуждения носителей в полупроводниках.
Это обстоятельство часто оказывается полезным при решении как
чисто научных, так и сугубо технических проблем. Многофотонное
возбуждение позволяет изучать, например, объемные
рекомбинационные процессы, малоискаженные влиянием поверхности. Интерес к двухфотонному поглощению, определяемому мнимой частью кубической нелинейной воспримчивости х(3) , стимулирован также важностью учета нелинейного поглощения в технологии лазеров большой мощности, так как нелинейное поглощение играет
решающую роль в ограничении прозрачности оптических материалов и их возможном повреждении. Для прогнозирования этих процессов иебходимо иметь информацию о коэффициенте индуцированного поглощения , сечении поглощения генерированными в процессе ДФП свободными носителями и т. д.
Известно, что в большинстве случаев, прежде всего в полупроводниковых кристаллах из-за особенностей их энергетической структуры, ДФП сопровождается сопутствующими конкурирующими нелинейными процессами. Исследование этих процессов в кристаллах антимонида галлия и составляет главное содержание настоящей диссертационной работы.
Цель диссертационной работы
Целью настоящей диссертационной работы являлось изучение нелинейно-оптических свойств кубических полупроводников в среднем ИК диапазоне.
Основными направлениями исследований были
экспериментальное изучение механизмов нелинейного поглощения в полупроводниках с помощью инфракрасного денситометра и численное моделирование данного процесса, теоретическое и экспериментальное исследование процесса термоупругой генерации акустической волны с помощью лазерного излучения при наличии двухфотонного поглощения в полупроводнике.
Научная новизна
1. Впервые экспериментально исследовано нелинейное
поглощение трехмикронного излучения в кристалле антимонида галлия n-типа (n-GaSb), измерены коэффициенты двухфотонного поглощения при температурах 293К и 77К. Выявлено, что при комнатной температуре коэффициент ДФП определяется вкладами
как межзонных, так и внутризонных двухфотонных переходов, а при температуре 77К только межзонными двухфотонными переходами.
2. Методом генерации отраженной второй гармоники,
определена квадратичная восприимчивость кристалла n-GaSb при
условии, когда частота второй гармоники попадает в область
фундаментального поглощения.
3. На основе экспериментальных данных проведено численное
моделирование процесса нелинейного поглощеїшя в исследуемых
образцах и определены вклады двухфотонного поглощения,
поглощения неравновесными свободными носителями заряда,
генерации второй гармоники с последующим однофотонным
поглощением.
4. Теоретически проанализирован процесс термоупругой
генерации продольных акустических волн в полупроводниковых
кристаллах в присутствии нелинейного поглощения. Найдены
области интенсивностей излучения, где наблюдается отклонение
амплитуды акустического импульса от линейной зависимости.
5. Методом лазерной оптоакустики определен коэффициент
двухфотонного поглощения в антимониде галлия р-типа. Показана
перспективность оптоакустического метода в исследовании
непрозрачных для излучения полупроводников.
Научная и практическая ценность
Развитые в диссертации экспериментальные методы и созданная экспериментальная установка могут быть использованы для проведения экспериментальных исследований полупроводников в среднем ИК диапазоне спектра.
Выявленные свойства кристалла антимонида галлия могут найти применение в оптических и оптоэлектронных устройствах.
Проведенные оптоакустические исследования нелинейного поглощения в полупроводнике свидетельствуют о возможности использования метода лазерной оптоакустики как альтернативного по сравнению с прямыми оптическими измерениями. Данный метод может применяться в бесконтактных неразрушающих исследованиях и диагностике полупроводниковых материалов.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Для генерации лазерных импульсов наносекундной
длительности в лазере на кристалле YAG:Er3+ оптимальной является
схема с поляризациошіьім выводом излучения.
2. Коэффициент двухфотонного поглощения в кристалле
n-GaSb, измеренный на длине волны 3 мкм при комнатной
температуре, составляет величину Кг=0,38±0, L см/МВт.
3. Компонента тензора квадратичной нелинейной
восприимчивости кристалла n-GaSb на длине волны 3 мкм,
определенная методом генерации второй гармоники на отражение,
составляет хі2з<2>=(5,48+1)-10^ и/В.
4. Значение коэффициента двухфотонного поглощения в
сильнопоглощающем полупроводнике p-GaSb, измеренное мегодом
генерации акустических волн, составляет Кг= 0,18+0,02 см/МВт.
Объем и структура диссертации
