Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Нелинейно-оптические процессы в полупроводниках и композитах и их использование для ограничения лазерного излучения . 15
Глава 2. Ограничение излучения ближнего ИК диапазона при самодефокусировке в широкозонных полупроводниках с глубокими примесными уровнями 64
Глава 3. Ограничение излучения среднего ИК диапазона при фазовом переходе полупроводник-металл в диоксиде ванадия 121
Глава 4. Оптическое ограничение излучения наночастицами полупроводников и изоляторов 224
4.4. Выводы 300
Заключение 302
Список литературы
- Нелинейно-оптические процессы в полупроводниках и композитах и их использование для ограничения лазерного излучения
- Ограничение излучения ближнего ИК диапазона при самодефокусировке в широкозонных полупроводниках с глубокими примесными уровнями
- Ограничение излучения среднего ИК диапазона при фазовом переходе полупроводник-металл в диоксиде ванадия
- Оптическое ограничение излучения наночастицами полупроводников и изоляторов
Введение к работе
В настоящей диссертации представлены результаты исследований, проведенных в 1993-2003 годах в Институте лазерной физики. Диссертация посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию нелинейно-оптических эффектов в полупроводниковых монокристаллах, пленках полупроводников и полупроводниковых наноструктурах, приводящих к низкопороговому нелинейно-оптическому ограничению инфракрасного излучения в спектральном диапазоне 1-11 мкм.
Актуальность темы, В настоящее время лазеры и лазерные системы находят применение практически во всех сферах человеческой деятельности - промышленности, медицине, науке, культуре и экологии. Чрезвычайно интенсивно развивается направление передачи и обработки информации оптическими методами. Во многих из указанных областей актуальной является задача управления параметрами лазерных импульсов — амплитудой, длительностью, пространственным распределением и т. д. Во всех областях применения лазеров возникает проблема предохранения органов зрения и фотоприемных устройств от ослепления и разрушения интенсивным лазерным излучением.
Для решения данных задач используются оптические переключатели и модуляторы излучения. Оптические ограничители (лимитеры) являются частным случаем нелинейно-оптических переключателей. Данные устройства, в идеале, должны иметь высокий постоянный коэффициент пропускания при низкой интенсивности излучения и линейное уменьшение пропускания с ростом интенсивности, при превышении интенсивностью определенной пороговой величины. Ограничители могут быть использованы и для управления характеристиками лазерного излучения, в том- числе, для внутрирезонаторного управления генерацией, однако, основное и наиболее важное их применение - защита глаз и фотоприемных устройств от воздействия интенсивного излучения.
Большинство нелинейно-оптических материалов и нелинейно-оптических эффектов могут быть использованы лишь в видимой области спектра и коротковолновой части ближнего И К диапазона. Это связано, в первую очередь, с тем, что по мере увеличения длины волны, энергии фотона оказывается недостаточно для активирования процессов в веществе, приводящих к изменению его оптических характеристик. Кроме того, количество прозрачных материалов резко уменьшается при переходе из видимого и ближнего - в средний ИК диапазон. Так, если для видимой области спектра существуют сотни нелинейно-оптических
материалов, то в 10-микронном диапазоне таких материалов единицы. В то же время, лазеры, широко используемые в промышленности, экологии, лазерной локации и системах передачи и обработки оптической информации, имеют длину волны генерации в спектральном диапазоне 1-11 мкм.
Ограничитель излучения, как защитное устройство, должен иметь низкий энергетический порог ограничения излучения, не превышающий порог повреждения защищаемого объекта. . Нелинейно-оптические процессы, как. правило, протекают при высокой интенсивности излучения. Поэтому эффективное управление параметрами излучения за счет этих процессов, при малой энергии управляющего оптического сигнала, может осуществляться лишь в пико- и фемтосекундном диапазоне длительности лазерного импульса. В то же время, для решения многих прикладных задач используются лазерные источники с нано- и микросекундной длительностью импульсов излучения. При этом, интенсивность излучения, необходимая для инициирования нелинейно-оптического эффекта, возрастает на порядки и может достигать порога разрушения нелинейно-оптического материала.
Таким образом, актуальной является задача поиска, нелинейно-оптических материалов и эффектов, позволяющих получить эффективное низкопороговое ограничение лазерного инфракрасного излучения нано- и микросекундной длительности и создание на основе этих материалов и эффектов защитных оптических устройств -ограничителей излучения. Не менее актуальной является задача создания эффективных оптических переключателей для внутрирезонаторного управления генерацией лазеров среднего ПК диапазона.
Целью диссертационной работы являлось экспериментальное и
теоретическое исследование нелинейно-оптических эффектов в полупроводниках, приводящих к низкопороговому оптическому ограничению ПК излучения нано- и микросекундной длительности, а также разработка, создание и исследование ограничителей излучения для спектрального диапазона 1-11 мкм.
Для достижения указанной цели, среди всего многообразия нелинейно-оптических эффектов, были выбраны три группы светоиндуцированных эффектов в полупроводниках:
самодефокусировка излучения в монокристаллических полупроводниках с глубокими примесными уровнями,
индуцированный излучением обратимый фазовый переход полупроводник-металл в поликристаллических пленках диоксида ванадия и
светоиндуцированное поглощение и рассеяние в полупроводниковых наночастицах.
Исходя из поставленной цели работы и нелинейно-оптических эффектов, выбранных для исследования, было необходимо решить следующие задачи:
Теоретическое исследование процессов формирования динамической отрицательной линзы в полупроводнике при фотогенерации неравновесных носителей заряда с глубоких примесных уровней. Анализ влияния двухфотонного межзонного поглощения и тепловых процессов на пространственные характеристики линзы.
Экспериментальное исследование низкопорогового ограничения при самодефокусировке излучения в полупроводниках с глубокими примесными уровнями в спектральном интервале 14 мкм для нано- и микросекундной длительности лазерных импульсов.
Разработка многослойных тонкопленочных структур с пленкой диоксида ванадия, в качестве управляющего элемента, для ограничения инфракрасного излучения.
Теоретическое исследование пространственной динамики переключения пленки диоксида ванадия под действием импульса инфракрасного излучения. Анализ динамических процессов в С02 лазере с внутрирезонаторным ограничителем излучения. Анализ эффективности процесса ограничения излучения среднего ИК диапазона в пленке диоксида ванадия.
Экспериментальное исследование динамики генерации ТЕА-С02 лазера с внутрирезонаторным ограничителем на основе диоксида ванадия.
Экспериментальное исследование ограничения излучения среднего ИК диапазона тонкопленочными структурами с пленкой диоксида ванадия.
Теоретическое исследование светоиндуцированного поглощения и рассеяния в наночастицах широкозонных полупроводников и изоляторов с оболочкой, содержащей глубокие примесные уровни. Экспериментальное исследование ограничения излучения ближнего ИК диапазона наночастицами широкозонных полупроводников с оболочкой, содержащей глубокие примесные уровни.
Теоретическое исследование светоиндуцированного поглощения и рассеяния в наночастицах галогенидов серебра в условиях плазменного резонанса. Экспериментальное исследование ограничения излучения среднего ИК диапазона наночастицами галогенидов серебра в условиях плазменного резонанса.
Теоретическое и экспериментальное исследование светоиндуцированного поглощения и рассеяния, а также ограничения излучения среднего ИК диапазона в наночастицах диоксида ванадия.
Теоретическое и экспериментальное исследование светоиндуцированного поглощения и рассеяния, а также ограничения
излучения среднего ИК диапазона в диэлектрических наночастицах с оболочкой из диоксида ванадия.
11. Теоретическое и экспериментальное исследование светоиндуцированного поглощения и рассеяния, а также ограничения излучения ближнего и среднего ИК диапазона в наночастицах диоксида ванадия в условиях плазмонного резонанса.
Научная новизна.
Впервые экспериментально получено и исследовано низкопороговое ограничение при самодефокусировке излучения в монокристаллах полупроводников с глубокими примесными уровнями.
Разработаны, многослойные структуры на основе пленок диоксида ванадия с управляемыми оптическими характеристиками для ограничения излучения ближнего и среднего ИК диапазона. Теоретически исследована динамика переключения ограничителей с пленкой диоксида ванадия под действием импульса излучения, а также динамика генерации С02 лазера с внутрирезонаторным ограничителем.
Впервые экспериментально получено и исследовано управление генерацией ТЕА-С02 лазера, в том числе, управление диаграммой направленности излучения лазера, с помощью внутрирезонаторного ограничителя излучения с пленкой диоксида ванадия.
Впервые экспериментально исследовано ограничение импульсного излучения среднего ИК диапазона ограничителем с пленкой диоксида ванадия.
Теоретически исследованы нелинейно-оптические эффекты в наночастицах широкозонных полупроводников и изоляторов с оболочкой, содержащей глубокие примесные уровни. Впервые экспериментально получено и исследовано низкопороговое ограничение излучения видимого и ближнего ИК диапазона такими наноструктурами.
Теоретически исследованы нелинейно-оптические эффекты в наночастицах галогенидов серебра в условиях плазмонного резонанса в среднем ИК диапазоне. Впервые экспериментально получено и исследовано низкопороговое ограничение излучения среднего ИК диапазона наночастицами галогенидов серебра с оболочкой из островковой пленки серебра.
Теоретически исследовано светоиндуцированное поглощение и рассеяние в наночастицах диоксида ванадия, а также в наноструктурах с диоксидом ванадия в ближнем и среднем ИК диапазонах. Впервые экспериментально получено и исследовано ограничение излучения среднего ИК диапазона такими наноструктурами.
Практическая значимость работы. Проведенные исследования нелинейно-оптического ограничения излучения в полупроводниках,
пленках с фазовым переходом полупроводник-металл и полупроводниковых наноструктурах послужили основой для разработки низкопороговьгх ограничителей излучения ближнего и среднего ИК диапазонов, предназначенных для защиты фотоприемных устройств от повреждения лазерным излучением. Результаты исследований были использованы при создании макетов ограничителей излучения ближнего и среднего ИК диапазонов, а также легли в основу ОКР по разработке и созданию опытных образцов ограничителей для спектральных областей 1-1.55 мкм и 3-12 мкм. Полученные результаты также могут быть использованы при разработке и создании низкопороговых оптических переключателей излучения ближнего ИК диапазона для систем передачи и обработки оптической информации и для внутрирезонаторного управления генерацией лазеров среднего ИК диапазона.
Результаты работы защищены 3 патентами Российской Федерации.
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
Предложены и изучены новые механизмы низкопорогового ограничения инфракрасного излучения в полупроводниках и на их основе созданы быстродействующие низкопороговые ограничители излучения.
Предложены и впервые реализованы низкопороговые ограничители излучения ближнего ИК диапазона на основе самодефокусировки излучения в полупроводниках с глубокими примесными уровнями. Исследованы основные закономерности формирования отрицательной динамической линзы, приводящей к ограничению излучения в примесном полупроводнике. Получено ограничение нано- и микросекундных лазерных импульсов с порогом 2-Ю пДж и динамическим диапазоном 10 -106.
Разработаны слоистые структуры с пленкой диоксида ванадия, обеспечивающие эффективное ограничение излучения среднего ИК диапазона и исследована динамика переключения таких структур под действием лазерного излучения. Впервые получено управление генерацией С02 лазеров и ограничение 10-микронного излучения с порогом менее 1 мДж и динамическим диапазоном до 104.
Предложены и реализованы новые композитные среды для низкопорогового ограничения излучения видимого, ближнего и среднего ИК диапазонов на основе светоиндуцированного поглощения и рассеяния в полупроводниковых наночастицах с оболочкой. Впервые в таких средах получено ограничение излучения видимого и ближнего ИК диапазонов с порогом менее 500 пДж/см2. Показано, что в наночастицах с оболочкой из островковой металлической пленки может быть реализован плазмонный резонанс
в среднем ИК диапазоне. Впервые получено ограничение 10-микронного излучения такими наночастицами с порогом 10 мкДж/см2 и динамическим диапазоном 103.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференции Photonics West (California, USA, 1998), IX международной конференции «Оптика лазеров» (С-Пб, Россия, 1998), конференции Photonics West (California, USA, .1999), X международной конференции «Оптика лазеров» (С-Пб, Россия, 2000), на международном симпозиуме ISOPL-2 (Venice, Italy, 2000), V международной конференции «Прикладная оптика» (С-Пб, Россия, 2002), на XI международной конференции «Оптика лазеров» (С-Пб, Россия, 2003) и на международном симпозиуме ISOPL-3 (Arizona, USA, 2003).
Макеты ограничителей излучения экспонировались на международных выставках в Мюнхене «Laser-2001» (Германия, июль 2001), в Шанхае (КНР, ноябрь 2001), в Орландо «Aerospace-2002» (США, апрель 2002) и в Мюнхене «Laser-2003» (Германия, июнь 2003).
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 45 опубликованной автором работе.
Личный вклад автора. Содержание.диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Все представленные в диссертации экспериментальные результаты, и теоретические расчеты получены, и выполнены лично автором, либо при его непосредственном участии. Часть экспериментальных исследований выполнена совместно с аспиранткой О.П.Михеевой. Часть теоретических расчетов по динамике генерации ТЕА-С02 лазера с внутрирезонаторным ограничителем излучения - совместно с Е.Н.Сосновым. Основные работы выполнены в соавторстве с сотрудниками НИИ ЛФ, ВНЦ «ГОИ им. С.И.Вавилова» и ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 246 наименований. Диссертация- изложена на 327 страницах и содержит 115 рисунков и 15 таблиц.
Нелинейно-оптические процессы в полупроводниках и композитах и их использование для ограничения лазерного излучения
Данная глава посвящена обзору и анализу некоторых нелинейно-оптических эффектов в полупроводниках и полупроводниковых структурах, а также в композитных материалах. Охватить все многообразие процессов взаимодействия излучения с данными материалами в рамках одной главы не представляется возможным. Поэтому рассматриваются лишь те эффекты, которые используются, либо могут быть использованы для оптического ограничения инфракрасного лазерного излучения в спектральной области 0.7-12 мкм. В этом спектральном диапазоне располагаются линии генерации большинства широко используемых инфракрасных лазеров. В обзор не включены, также, нелинейно-оптические процессы, связанные с преобразованием частоты излучения - генерация гармоник, параметрическая генерация и т.д., так как данные процессы не входят в круг наших исследований.
Таким образом, нелинейная добавка к диэлектрической проницаемости среды, связанная с воздействием на среду излучения, однозначно определяется нелинейной восприимчивостью среды и, в зависимости от механизма нелинейности, приводит к изменению показателя преломления и поглощения среды. Методы, используемые для оптического управления и ограничения лазерного излучения можно разделить на две группы. Во-первых, это методы, при которых происходит самовоздействие излучения в нелинейной среде (рис. 1а). В этом случае среда проявляет оптическую нелинейность на длине волны падающего излучения, и изменения оптических характеристик среды под действием излучения приводят к изменению характеристик прошедшего через среду излучения. Во-вторых, это методы, при которых для изменения оптических характеристик среды используется управляющее излучение с длиной волны X). При этом среда является нелинейной для излучения с к і и, в то же время, может быть линейной для управляемого излучения с длиной ВОЛНЫ X.2 Xi (рис.16).
На рис.2 показаны идеальная (1) и типичная (2) характеристики ограничителя излучения. При EBX Enop коэффициент пропускания ограничителя линеен. При увеличении энергии падающего излучения (Евх Епор), вследствие возникновения оптической нелинейности, появляется зависимость коэффициента пропускания от энергии падающего излучения. Коэффициент пропускания начинает уменьшается с ростом энергии излучения - происходит ограничение излучения.
Требования к характеристикам ограничителей излучения определяются двумя основными областями их практического применения. Первая область (I) - это защита фотоприемных устройств от воздействия интенсивного и излучения, вторая (II) -управление формой, энергией и длительностью лазерного импульса. Для реализации данных функций важны следующие характеристики ограничителя (в скобках указана область применения, для которой данная характеристика имеет решающее значение): 1. Высокое быстродействие - малое время включения под действием импульса интенсивного излучения и восстановления начальных оптических характеристик после окончания воздействия интенсивного излучения (Г) 2. Низкий энергетический порог ограничения (Г) 3. Высокий коэффициент ослабления в режиме ограничения (I) 4. Большой динамический диапазон ограничения (отношение максимальной энергии, при которой имеет место ограничение к энергии порога ограничения) (Г) 5. Высокое пропускание в линейном режиме (І, П) 6. Широкая спектральная область ограничения (Г) 7. Высокая лучевая стойкость (І, П) 8. Широкий температурный диапазон функционирования (Г) 9. Совместимость с другими оптическими устройствами (І, П) Из приведенного перечня видно, что наиболее жесткие требования предъявляются к ограничителям, предназначенным для защиты фотоприемных устройств. Количественные значения параметров таких ограничителей зависят от конкретных условий их применения, однако, можно указать их примерный диапазон:
В большинстве нелинейно-оптических эффектов в полупроводниках, используемых для управления лазерным излучением, первичным процессом, приводящим к нелинейности, является генерация неравновесных носителей заряда при поглощении излучения. Поэтому, при систематизации нелинейных эффектов, их удобно группировать в подразделы по тем первичным процессам, которые являются общими для данной группы эффектов, в первую очередь - по типу поглощения. Исключением является подраздел, в котором описаны нелинейно-оптические эффекты, возникающие при обратимом фазовом переходе полупроводник-металл, что связано со спецификой данного процесса.
Ограничение излучения ближнего ИК диапазона при самодефокусировке в широкозонных полупроводниках с глубокими примесными уровнями
Самодефокусировка излучения в полупроводниках является эффективным механизмом ограничения излучения ближнего ИК диапазона. Основным процессом, приводящим к самодефокусировке является образование в полупроводнике динамической отрицательной линзы при фотогенерации неравновесных носителей заряда. Эффективность ограничения излучения в результате данного процесса продемонстрирована для однофотонного [59] и двухфотонного [56, 60] межзонного поглощения (см., также, Главу 1). Однако, ограничение излучения, основанное на данных типах поглощения, имеет свои недостатки. В первом случае - это высокий коэффициент линейного поглощения (т.к. Av Eg), в результате чего в ограничителе имеют место значительные потери излучения до возникновения режима ограничения. Во втором случае - низкий энергетический порог ограничения (до 10 нДж) и большой динамический диапазон ограничения (до 104) наблюдается лишь в пикосекундном диапазоне длительности импульса излучения. При переходе в наносекундный диапазон данные характеристики ухудшаются на 3-4 порядка.
Целью настоящего исследования было создание низкопороговых нелинейно-оптических устройств, обеспечивающих эффективное ограничение нано- и микросекундных лазерных импульсов и, в то же время, обладающих достаточно высоким линейным пропусканием.
В первой части данной главы приведено теоретическое описание процессов, приводящих к формированию отрицательной линзы в широкозонных полупроводниках с глубокими примесными уровнями, а также рассмотрена пространственная динамика этой линзы вблизи порога ограничения. Во второй части главы представлены экспериментальные результаты по ограничению нано- и микросекундных импульсов излучения с X-Q.65-4.2 мкм в примесном GaAs и ZnSe. В выводах обсуждаются достоинства и недостатки ограничения излучения на основе рассмотренных процессов и приводится сравнение с ограничением излучения на основе самодефокусировки при двухфотонном поглощении.
При введении в широкозонный полупроводник некоторых видов примеси, в его запрещенной зоне возникают глубокие примесные уровни с энергией ионизации ДЕ 0.1 эВ. Такие примесные центры при комнатной температуре являются ловушками для равновесных носителей заряда, что позволяет уменьшить их концентрацию и значительно увеличить удельное сопротивление полупроводника. Так, при введении в монокристалл GaAs примеси кислорода, меди или цинка с концентрацией 10 -10 см концентрация равновесных носителей заряда при комнатной температуре уменьшается до 10 -10 -см , а удельное сопротивление возрастает до 1-10 Мом-см и полупроводник приобретает полуизолирующие свойства [31]. Глубокие примесные уровни возникают также и при наличии в полупроводнике дефектов, например дефектов типа EL2 в GaAs (напр. [27]) и вакансий либо междоузельных атомов Zn и Se в монокристаллах ZnSe [30]. Под действием фотона с энергией ЛУ АЕ (ДЕ -энергетический зазор между примесным центром и дном зоны проводимости) происходит ионизация такой примеси, сопровождающаяся переходом носителя заряда в зону проводимости. Таким образом, существует аналогия между формированием в полупроводнике отрицательной линзы в условиях примесного поглощения и таким же процессом в условиях одно- или двухфотонного межзонного поглощения. В то же время, фотоиндуцированные электронные процессы в полупроводниках с глубокими примесными уровнями имеют целый ряд существенных отличий, которые оказывают сильное влияние на процесс ограничения излучения и усложняют его анализ. Ниже приведено краткое описание некоторых из этих отличий: (а) Коэффициент примесного поглощения зависит от концентрации примесных центров, содержащих захваченный электрон. В результате фотогенерации электронов с примесных центров может происходить насыщение примесного поглощения, (б) Для энергии фотонов Av AE (ДЕ - энергетический зазор между примесным центром и валентной зоной, ДЕ =Е8-ДЕ ) могут происходить переходы электронов из валентной зоны на свободные примесные центры. В результате, для hv E и Av AE возможны каскадные переходы, при которых электрон одним фотоном переводится из валентной зоны на свободный примесный центр, а затем, другим фотоном - с примесного центра - в зону проводимости, (в) При наличии в полупроводнике связанных примесных центров с разными АЕ, возможны переходы электронов с одного примесного уровня на другой [162]. В присутствии мелких донорных или акцепторных уровней (а в реальном полупроводнике они имеются почти всегда) процессы каскадной фотогенерации носителей могут происходить и с их участием, (г) Величина ДЕ (ДЕ ) зависит от состояния примеси - нейтральная она или ионизированная. Поэтому при поглощении излучения примесными центрами, сопровождающемся генерацией носителей заряда, величина ДЕ (ДЕ ) изменяется, (д) Некоторые примесные центры способны захватывать и, соответственно, отдавать 2-3 электрона [30]. (е) Существуют примесные центры, в которых ионизация происходит через возбужденное состояние примеси, а также центры, на которых, даже при комнатной температуре, формируются связанные экситоны [30]. (ж) Примесная рекомбинация носителей также имеет свои отличия от межзонной рекомбинации. Основным отличием является зависимость постоянной времени примесной рекомбинации от концентрации свободных примесных центров [7, 35]. В том случае, когда имеет место не только примесное поглощение, но и каскадные и межзонные переходы, процессы рекомбинации также могут происходить по нескольким путям.
Ограничение излучения среднего ИК диапазона при фазовом переходе полупроводник-металл в диоксиде ванадия
ФП в VOj сопровождается сильным увеличением показателя преломления и поглощения для излучения среднего ИК диапазона (см. табл. 1.1.4 и рис. 1.1.5). Так, для А.=10.6 мкм, комплексный показатель преломления (n =n-j-k) поликристаллической пленки VO2 при ФП изменяется от и =2.55-_/-0.08 до n =8-j-9 (рис.3.1.1 б, данные получены О.П.Коноваловой и И.И Шагановым, ВНЦ «ГОИ им. С.Ивавилова»). На рис.3.1.1а показана температурная зависимость коэффициента отражения и пропускания пленки УОг толщиной d=Q.2 мкм при ФП для ,=10.6 мкм. Из рисунка видно, что с ростом температуры происходит скачкообразное уменьшение пропускания пленки, вызванное ростом поглощения и коэффициента отражения. Отсюда следует, что собственно пленка УОг уже является простейшим ограничителем излучения, в том случае, если интенсивность излучения достаточна для нагрева пленки до температуры ФП. Однако, характеристики такого ограничителя, по ряду причин, которые подробно рассматриваются ниже, скорее всего, будут неудовлетворительными. Поэтому, для ограничения излучения выгоднее использовать более сложные тонкопленочные системы, в которых пленка VO2 выполняет функцию управляющего элемента.
Прежде чем переходить к анализу таких систем, необходимо сделать несколько предварительных замечаний. 1. Особенностью интерферометра с пленкой УОг является то, что, в зависимости от температуры пленки, он имеет, по крайней мере, три состояния. Первое состояние — до ФП, когда пленка VO2 находится в полупроводниковой фазе, второе -промежуточное состояние, соответствующее непосредственно температурной области ФП, и третье - после ФП, когда пленка VO2 находится в металлической фазе. Причем, при переходе тонкопленочной системы с пленкой V02 из одного состояния в другое, как правило, изменяться и тип интерферометра. Наличие температурного гистерезиса (см. рис.3.1.1) приводит к тому, что области температур, соответствующих трем состояниям интерферометра, при нагреве и охлаждении смещаются по температурной шкале.
Оптические константы поликристаллических пленок УОг и их изменение при ФП в очень сильной степени зависят от стехиометрии, структуры и наличия примесей в пленке (см. Главу 1). С одной стороны, это позволяет варьировать оптические свойства пленок УОг в широких пределах. С другой стороны, уже малые отклонения условий синтеза пленки от оптимальных, могут приводить к тому, что реальные оптические свойства интерферометра будут существенно отличаться от расчетных.
При ФП в поликристаллической пленке происходит изменение гомогенности материала. До ФП и после ФП пленка может считаться однородной -полупроводниковой или металлической соответственно. Непосредственно в области ФП пленка содержит и полупроводниковую и металлическую фазу, то есть является композитным материалом. Оптические свойства такого материала описываются уже эффективной диэлектрической проницаемостью, кроме того, появляется рассеяние излучения на частицах металлической фазы. Композитные свойства пленки VO2 в области ФП, с точки зрения оптики, подробнее рассмотрены в Главе 4. Зависимости n(t) и k(t), рассчитанные в рамках композитной модели, мало отличаются от аналогичных экспериментальных зависимостей. Кроме того, как показало сравнение экспериментальных свойств интерферометров с пленкой VO2 и рассчитанных без учета рассеяния, при использовании только экспериментальных температурных зависимостей пик, они достаточно хорошо совпадают. Поэтому, моделирование интерферометров и слоистых структур в данной главе проводилось в приближении гомогенной пленки VO2, без учета ее композитных свойств.
При моделировании интерферометров с пленкой VCh учитывались следующие технологические факторы, связанные с выбором материалов для пленок интерферометра и его подложки. Во-первых, количество пленкообразующих материалов, прозрачных в спектральной области 8-12 мкм очень ограничено. Так, если для видимой и ближней ИК области спектра, количество таких материалов исчисляется десятками, то в спектральной области 8-12 мкм таких материалов единицы. То же касается и прозрачных материалов для подложек интерферометра. Во-вторых, дополнительное ограничение на выбор материалов для пленок и подложки накладывают условия, синтеза пленки УОг- Во всех методах синтеза пленок УОг используется нагрев подложки до 500-600С. При таких температурах, в слоях, расположенных между пленкой VO2 и подложкой, могут происходить твердотельные химические реакции на границе материалов, взаимная диффузия материалов, отслаивание пленок, изменение их структуры и оптических свойств под действием температуры. Химические реакции и диффузия из пленок могут также оказывать влияние и на оптические свойства синтезируемой пленки VO2 и на свойства поверхности подложки. Данные факторы накладывают серьезное дополнительное ограничение на количество и материал пленок, расположенных между пленкой УОг и подложкой, а также на материал подложки.
Сопоставление достоинств и недостатков различных типов интерферометров и слоистых систем с пленкой УОг проводилось как по их оптическим характеристикам, так и, качественно, по их применимости для решения задач ограничения излучения. Ниже приведен перечень оптических параметров, по которым проводилось сравнение и их влияние на характеристики ограничителя: Коэффициент пропускания (отражения) до ФП - определяет линейное пропускание ограничителя излучения. Коэффициент пропускания (отражения) после ФП - определяет коэффициент ослабления излучения в режиме ограничения. Коэффициент отражения после ФП - определяет лучевую стойкость ограничителя. Спектральная область максимального изменения коэффициента пропускания (отражения) при ФП - определяет ширину спектрального интервала ограничения излучения.
Оптическое ограничение излучения наночастицами полупроводников и изоляторов
Ограничители излучения, рассмотренные в предыдущих главах, наряду с очевидными достоинствами обладают и недостатками. Ограничители на основе самодефокусировки излучения в полупроводниках с глубокими примесными уровнями имеют чрезвычайно низкий порог ограничения - до единиц пикоджоулей и большой динамический диапазон ограничения - і О4-10 в ближнем ИК диапазоне. В то же время, их параметры весьма чувствительны к спектру и пространственному распределению падающего пучка, а их применение невозможно без оптической схемы с действительным фокусом. Ограничители на основе диоксида ванадия позволяют получать ограничение излучения в спектральной области 3-12 мкм с динамическим диапазоном до 10 . Однако, они имеют достаточно высокий порог ограничения и требуют термостатирования. Кроме того, для эффективного ограничения излучения такие устройства должны быть многопроходовыми, то есть для их функционирования также требуются дополнительные оптические элементы. Данные недостатки ограничителей не являются фатальными, но все же они осложняют применение ограничителей в реальных оптических устройствах. В связи с этим актуальной остается задача дальнейшего поиска новых нелинейно-оптических сред и эффектов, которые позволили бы создать ограничители излучения, сохраняющие достоинства описанных выше, но, в то же время, лишенные их недостатков. Такие среды должны иметь низкий порог ограничения - менее 1 мкДж/см2 и динамический диапазон ограничения более 103 , не требующие термостабилизации и использования дополнительных оптических элементов - линз, зеркал и т.д.
Нелинейно-оптические эффекты в наночастицах полупроводников являются, на наш взгляд, наиболее перспективными для решения данной задачи. В первую очередь, это связано с тем, что линейные и нелинейные оптические свойства наночастиц могут варьироваться в широких пределах путем изменения их размера, формы и структуры (см. Главу 1). Оптическими свойствами среды с наночастицами также можно управлять, комбинируя наночастицы с различными оптическими свойствами и изменяя их концентрацию. В средах с наночастицами, кроме нелинейного изменения показателя преломления и поглощения, может возникать и нелинейное изменение рассеяния. Причем, последний механизм, в ряде случаев, может быть преобладающим.
В данной главе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований ограничения излучения видимого, ближнего и среднего ИК диапазонов в средах с полупроводниковыми наночастицами. Основное внимание уделялось низкопроговым эффектам. Исследовались три типа наночастиц: наночастицы широкозонных полупроводников и изоляторов с оболочкой, содержащей глубокие примесные уровни (видимый и ближний ИК диапазоны), наночастицы с фазовым переходом полупроводник-металл (ближний и средний ИК диапазоны) и наночастицы галогенидов серебра с оболочкой из островковой пленки серебра (средний ИК диапазон). Так как каждому типу наночастиц соответствуют свои механизмы ограничения излучения, глава состоит из отдельных разделов, посвященных конкретному типу наночастиц.
В данном разделе представлены экспериментальные результаты по низкопороговому ограничению излучения с длиной волны 0.53 и 1.06 мкм наночастицами полупроводников и изоляторов с шириной запрещенной зоны, превышающей 3 эВ, а также предложена теоретическая модель, объясняющая механизм ограничения.
В экспериментах исследовались наночастицы ТІО2, MgO, АІ2О3, ВаО, CaCOj, СаРг, BaF2 и BN. Наночастицы выделялись либо из мелкодисперсных кристаллических порошков промышленного изготовления (ТіОг (рутил), MgO, Al2Oj, ВаО, СаСОз, BN (гексагональный)), либо из порошков, изготовленных путем дробления беспримесных монокристаллов соответствующего материала (CaF2, БаИг). Для выделения наночастиц нужного размера использовался метод «отмучивания» [225]. Для этого готовилась взвесь порошка в ацетоне, которая отстаивалась в течение некоторого времени (2-5 часов в зависимости от материала частиц). После того, как верхний слой жидкости становился практически прозрачным, он сливался на фторопластовую пленку, с которой ацетон выпаривался. Данная процедура повторялась многократно. Такой метод позволял получать достаточно большое количество наночастиц размером 50-100 нм. После этого наночастицы с пленки вводились в прозрачную среду. Размер наночастиц контролировался с помощью электронно-лучевого микроскопа. На рис.4.1.1, в качестве примера, показано электронно-лучевое изображение наночастиц ТіОз, осажденных на стеклянную подложку (изображение получено в ВНЦ ГОИ им.С.И.Вавилова). Во всех случаях, за исключением BN, наночастицы по форме вписываются в сферу, либо в слабо вытянутый эллипсоид. Наночастицы гексагонального нитрида бора (BN) имели форму чешуек с отношением ширины к толщине примерно равным 10:1. В качестве прозрачной среды использовался фторопластовый лак и вакуумные масла ВМ-4 и ВМ-5 (прозрачные и бесцветные жидкости с п 1.4 и кинематической вязкостью 50- 10б м2/с [226]). Благодаря высокой вязкости масла, взвесь наночастиц размером менее 100 нм сохранялась в течение длительного времени - более трех недель. Объемная концентрация наночастиц в среде составляла 0.05—0.5%. Толщина среды варьировалась от 200 мкм до 10 мм. Источником излучения в экспериментах являлся YAG:Nd лазер с модуляцией добротности и длительностью импульса генерации 10 не. Оптическая схема и методика проведения экспериментов были аналогичны описанным в Главе 2 (см. рис.2.2.1 б). На рис. 4.1.2а показан спектр пропускания среды с наночастицами ТЮг (спектр пропускания масла ВМ-5 вычтен). На спектре видна широкая полоса поглощения в спектральном интервале от 0.4 до 1.6 мкм, наложенная на характерное для наночастиц увеличение пропускания с ростом длины волны. Аналогичные спектры получены и для наночастиц других материалов, указанных выше. Они содержат либо широкие полосы поглощения в видимой области спектра и захватывающие часть ближнего ИК диапазона, либо относительно узкие дискретные полосы в видимой и ближней ИК области спектра. Например, наночастицы BN имеют две полосы поглощения на длине волны 0.8 и 0.95 мкм. На спектрах пропускания чистых монокристаллов данных материалов такие полосы поглощения отсутствуют. На рис.4.1.26 показаны экспериментальные зависимости плотности энергии излучения за средой с наночастицами Т1О2 от плотности энергии падающего излучения для Х=0.53 и 1.06 мкм [244]. Из рисунка видно, что в среде с наночастицами ТЮг происходит ограничение излучения как для А==0.53 так и для А.=1.06 мкм с порогами ограничения соответственно 0.15 и 0.1 нДж/см2. Динамический диапазон ограничения в первом случае равен 50, во втором -100. При QB 10 НДЖ/СМ2 процесс ограничения прекращается.
