Введение к работе
Возбуждение полупроводников мощным лазерным излучением позволяет получать чрезвычайно высокие концентрации неравновесных носителей, при которых существенную роль начинают играть процессы межчастичного взаимодействия, такие как неупругое экситон-экситонное и электрон-электронное рассеяние, образование биэкситонов, эффекты фазовых превращений в системе экситонов и носителей высокой плотности, связанные с ионизационным переходом к электронно-дырочной плазме (ЭДП) или с переходом от экситонов к электронно-дырочной жидкости (ЭДЖ) .
Действие эффектов коллективного взаимодействия приводит к сильной трансформашш спектра поглощения полупроводника и, как следствие, является источником сильных оптических нелинейностей, регистрируемых в области края поглощения. Эти нелинейности связаны с возбуждением неравновесных носителей заряда, поэтому их отличительной чертой является выраженный резонансный характер и сравнительно медленная релаксация, определяющаяся скоростью рекомбинационньгх процессов в системе фотовозбужденньгх носителей. Другой важной особенностью резонансных нелинейностей в полупроводниках являются "гигантские" значения нелинейных восприимчивостей и, в частности, нелинейной кубической воспрішмчивости хт< достигающей 0.01-1СГС.
Эти особенности нелинейностей в полупроводшіках привлекают внимание исследователей и с точки зрения развития элементной базы систем обработки и хранеїшя оптической информации, где важны материалы с сильными быстрорелаксирующими нелинейностями. Явление оптической бистабильности (ОБ) на этих материалах предоставляет широкие возможности для решения целого ряда задач эффективного управления лазерным излучением. Вместе с тем явление ОБ стимулирует и
изучение природы обуславливающих ее нелинейных процессов, поскольку обратная связь позволяет регистрировать малые изменения показателя преломления и коэффициента поглощения.
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию резонансных оптических нелинейностей и оптической бистабильности в объемных полупроводниковых соединениях CdS, CdSSe и GaSSe. Цель исследований состояла в следующем.
1. Изучение природы резонансных оптических нелинейностей,
действующих в области края поглощения полупроводниковых
монокристаллов CdS и CdSxSej.x. Разработка методик, позволяющих
разделить вклады различных типов нелинейностей и, в частности,
нелинейностей теплового и электронного происхождешш.
2. Исследование механизмов нелинейностей, приводящих к режиму
собственной безрезонаторной ОБ в области края поглощения CdS.
Изучение комбинированного действия тепловых и электронных
нелинейностей, а также влияния нестационарного теплового разогрева на
формирование нелинейно-оптического отклика полупроводника.
3. Экспериментальное исследование изменения распределения
интенсивности света в пространственно-неоднородном выходном лазерном
пучке при' переходах между устойчивыми состояниями бистабильного
элемента.
Актуальность поставленных задач обусловлена существованием целого ряда невыясненных вопросов, касающихся механизмов нелинейностей, регистрируемых в области края поглощения полупроводников. Даже в случае такого хорошо изученного материала, как CdS, до конца не выяснены как характер протекания перехода Мотга, так и его роль в формировании нелинейно-оптического отклика.
Одним из перспективных применений оптических бистабильных устройств является их использование в качестве элементной базы средств прямой обработки и хранения оптической информации без ее преобразования в электрические сигналы. При этом становится возможной параллельная обработка больших информационных массивов при плотном размещении бистабильных элементов, что может значительно повысить скоростные характеристики таких систем. Однако здесь неизбежно возникает вопрос о том, на каких расстояниях взаимодействие размещенных рядом оптичесгагх логических элементов не повлияет на их независимую работу. Этот вопрос невозможно решить, не зная, как трансформируется пучок с пространственно-ограниченным профилем при прохождешш через оптическое бистабильное устройство. Научная новизна представляемой работы состоит в следующем:
-
Получен режим безрезонаторной абсорбционной ОБ электронной природы в CdS при относительно низких уровнях возбуждения (до 10кВт/см2). Разработана модель "плавного" перехода Мотга для объяснения особешюстей нелинейно-оптического отклика CdS в исследованном диапазоне интенсивностей накачки.
-
Предложен и реализован в случае монокристаллов CdSSe метод исследования конкуренции тепловых и электронных механизмов нелинейности путем анализа релаксации наведенного поглощения в двухимпульсных экспериментах по синхронному зондированию с применением мощного зондирующего импульса, интенсивность которого достаточна для вывода полупроводника в режим нелинейного пропускаїшя.
3. Экспериментально показана определяющая роль отношения
длительности импульса ко времени релаксации нелинейности при
получении стационарного бистабильного режима нелинейной системы с
обратной связью. Зарегистрировано термически индуцированное изменение
пространственного распределения интенсивности выходного сигнала во время переключения бистабилыюго элемента как для случая дисперсионной (GaSSe), так и абсорбционной (CdS) термооптической нелинейности.
Практическая значимость получешшх результатов обусловлена тем обстоятельством, что обнаруженные и исследованные в ней эффекты могут быть использованы при создании новых оптоэлектронных устройств и элементов систем оптической обработки информации.
-
Получение и исследование режима безрезонаторной электронной ОБ в CdS, достигаемого при относительно ішзких уровнях возбуждения, позволяет использовать этот полупроводник (и ему подобные полупроводники А2Вб) в быстродействующих низкопороговых нелинейно-оптических переключателях.
-
Изучение нелинейного пропускания смешанных полупроводников CdSxSei_x и получение двухимпульсного режима работы (при переключении коротким уггравляюшим импульсом) продемонстрировало возможность их использования в нелинейных устройствах термооптического типа. Перспективы применения смешаїшьгх полупроводников связаны с возможностью широкой (во всем видимом диапазоне) перестройки их рабочей частоты путем изменения композиционного состава.
3. Учет пространственной распределенности световых полей и
параметров оптических бистабилышх систем приводит к выявлению новых
процессов и эффектов, сопровождающих переход таких систем из одного
устойчивого состояния в другое. Среди них - пространственный пістерезис,
или пістерезис интенсивности светового пучка. При этом характерным
является возникновение волн переключения, на границе которых система
находится в разнородных состояниях. Физической основой, определяющей
наличие поперечных эффектов в оптической бистабильности, является диффузия изменения параметров среды или светового поля (дифракция). Помимо чисто научного интереса, поперечные эффекты в ОБ могут иметь и существенную практическую значимость как средство для обеспечегаїя передачи информационных сигналов в направлениях, отличных от направления светового потека. Последнее обстоятельство накладывает определенные ограничения как на само ОБ-устройство (малые размеры вдоль луча, ішзкие интенсивности воздействия), так и на область параметров, в которой существуют требуемые режимы. Эта область не должна быть слишком узкой с тем, чтобы не затруднять экспериментальной реализации.
Исследование изменения распределения интенсивности света по поперечному сечегапо лазерного пучка, отраженного или прошедшего через бистабильный элемент, привело к практически важному определению условий однородности переключения пучка по поперечному сечению. Экспериментально показано, что при уменьшении размеров области возбуждения до некоторого критического значения и улучшении теплообмена (усилении степени связи нелинейной системы с окружающей средой) переключение происходит однородно по поперечному сечению луча.
Разработанные и опробованные в диссертации методы измерений могут быть применены при решешга широкого круга задач лазерной спектроскопии. На защиту выносятся следующие положения:
1. В CdS (80К) может быть реализован режим безрезонаторной ОБ электронной природы с относительно низкими порогами переключений (до 10кВт/см2) при настройке лазерной линии в область длинноволнового крыла Л-эксигонной линии поглощения в поляризации, близкой к ЕНс.
2. Режим безрезонаторной электронной ОБ в CdS связан с
нелинейностями при переходе от слабоионизованного экситонного газа к
сильно ионизованной ЭДП (с так называемым переходом Мотта). Переход
Мотта в CdS при Т=80К является "плавным" и не сопровождается
иошізационной катастрофой во всем возбуждаемом объеме
полупроводника.
3. Исследования конкуренции тепловых и электронных механизмов
нелинейности может быть проведено путем анализа релаксации
наведенного поглощения в двухимпульсных экспериментах по синхронному
зондированию монокристаллов CdSxSei_x с применением мощного
зондирующего импульса, интенсивность которого достаточна для вывода
полупроводника в режим нелинейного пропускания.
4. На примере полупроводникового интерферометра с 5. Экспериментально обнаружен переход от гистерезиса профиля Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на II Всесоюзной конференции "Материаловедение халькогенидных и кислородосодержащих полупроводников" (Черновцы, 1986), VI Республиканский коллоквігум по оптике и спектроскопии полупроводников и диэлектриков (Сухуми, 1987), III Советско-американском симпозиуме "Лазерная оптика конденсированных сред" (Ленинград, 1987), Международном совещании "Нелішейная оптика полупроводников" (Bandstuer, 1987), III Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлектронике "Проблемы оптической памяти" (Ереван, 1987), Международной конференции "Оппгческая бистабильность" (Aussois, France, 1988), Международной конференции "Оптические нелинейности и бистабильность" (Berlin, GDR, 1988), XIV Международной конференции по когерентной и нелішейной оптике (Ленинград, 1991), а также на научных семинарах физического факультета МГУ. Публикации. Основные материалы диссертащш изложены в 13 статьях, опубликованных в отечественных и зарубежных журналах (ЖЭТФ, Письма в ЖЭТФ, ФТТ, Квантовая Электроника, Доклады АН БССР, Phys. Stat. Sol., J. de Phys.) и препринтах физического факультета МГУ, а также в тезисах докладов, представленных на международных и всесоюзных конференциях. Структура и объем работы. Диссертациошіая работа состоит из введения, четырех глав, заключения и сгшска литературы. Полный объем работы - 143 страницы машинописного текса, включая 50 рисунков. Библиография содержит 154 наименования, в том числе 19 авторских публикаций.
термооптической нелинейностью экспериментально показана
определяющая роль отношения длительности импульса возбуждающего
излучения го ко времени релаксации нелинейности г в получении
стационарного бистабильного режима в нелинейной системе с обратной
связью. Переход от оптического гистерезиса, обусловленного
нестационарностью отклика нелинейной системы, к оптической
бистабильности зарегистрирован при увеличении величины отношения
tq/t от значения l
распределения интенсивности света в пространственно-неоднородном
лазерном луче, отражешюм от полупроводникового ИФП с
термооптической нелинейностью, к пространственно-однородному
переключению при увеличении степени связи нелинейной системы с
окружающей средой (улучшении теплоотвода).Похожие диссертации на Сильные оптические нелинейности и оптическая бистабильность в полупроводниках CdS, CdSSe, GaSSe
