Динамические ИК-голограммы на поверхности полупроводников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ
|
Пичугин, Игорь Геннадьевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Хабаровск
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2000
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.05
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
ргб оа
1 в ДЕК
Пичугин Игорь Геннадьевич
ДИНАМИЧЕСКИЕ ИК-ГОЛОГРАММЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Специальность 01.04.05 - "Оптика"
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Хабаровск 2000
Работа выполнена в Дальневосточном государственном университете путей сообщения.
Научный руководитель:
кандидат физико-математических наук, доцент В.И. Иванов
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
профессор А.И. Илларионов; кандидат физико-математических наук, доцент Б. Б. Авербух
Ведущая организация:
Амурский комплексный НИИ ДВО РАН
Защита состоится «22 декабря» 2000 г. в 13 часов на заседании диссертационного Совета К114.12.01 при Дальневосточном государственном университете путей сообщения по адресу: 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47, ауд. 204.
С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке Дальневосточного государственного университета путей сообщения.
Автореферат разослан «21 ноября» 2000 года.
ВЗЧЬЛОЪ
/
Ученый секретарь
диссертационного Совета К114.12/
к.т.н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Динамическая голография интенсивно используется в задачах регистрации и обработки оптической информации, для управления параметрами лазерного излучения (в частности, при обращении волнового фронта (ОВФ) излучения [1]). Одной из актуальнейших задач этой области лазерной физики является поиск и исследование новых сред и механизмов нелинейности, а также схем записи динамических голограмм . В среднем ИК - диапазоне спектра наибольший прогресс достигнут при использовании четырехволнового смешения (ЧВС) излучения в средах с нелинейной восприимчивостью третьего порядка, в которых записываются обычно «толстые» (или объемные ) голограммы [2-3]. В ряде случаев, однако, предпочтительнее оказываются «тонкие» голограммы (или поверхностные - в режиме отражения излучения, впервые предложенные Б.Я. Зельдовичем с сотрудниками [1]). К преимуществам таких голограмм относятся, например, резкое снижение влияния эффектов самовоздействия (самофокусировки и т.п.), отсутствие угловой селективности голограммы, удобное в ряде прикладных задач. Эффективная запись поверхностных голограмм требует сред с большой нелинейностью, поскольку «накопление» нелинейности на толщине образца отсутствует. Хотя эффективность поверхностной динамической голографии продемонстрирована достаточно давно [1], количество исследованных сред и механизмов очень ограничено. В средней ИК области спектра наибольшим значением кубичной нелинейной восприимчивости Х(3) (наряду с высоким быстродействием нелинейного отклика), обладают полупроводники.
В связи с этим актуальной является поставленная в данной работе цель: исследование эффективности записи динамических ИК - голограмм на поверхности полупроводников с кубичной нелинейностью, поиск новых механизмов, схем и методов реализации поверхностной нелинейности различных сред. В задачу входило изучение особенностей записи динамических голограмм в тонкослойных образцах (в частности, образующих интерферометр Фабри-Перо).
Научная новизна работы заключается в следующем:
- проанализированы основные механизмы кубичной нелинейности узкозонных полупроводников в среднем ИК-диапазоне спектра с точки зрения максимальной топографической чувствительности, выявлены наиболее перспективные полупроводниковые среды;
- предложена схема четырехволнового смешения (ЧВС) излучения на границе раздела сред вблизи угла нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), показана возможность значительного увеличения эффективности нелинейного взаимодействия волн в такой схеме;
з
- рассчитана тепловая нелинейность узкозонного полупроводника (СбНдТе), обусловленная смещением края поглощения при изменении температуры образца; экспериментально исследована температурная зависимость спектра поглощения кристалла 1пЗЬ\
- проанализирована эффективность нелинейного отражения ИК-излучения в схеме обращения волнового фронта поверхностью (ОВФ-П) полупроводниковым эталоном Фабри-Перо на основе кристалла СбНдТе, определена область мультистабильного режима ОВФ-зеркала.
Апробация работы: Основные результаты диссертации, опубликованные в работах [1-12], докладывались и обсуждались на:
- Всесоюзной конференции «Обращение волнового фронта в нелинейных средах» (г. Минск, 1989); :
- Международной конференции молодых ученых «Горячие электроны и коллективные явления в полупроводниках» (г. Вильнюс, 1990);
- V Международной конференции «Лазерные технологии-95» (г. Шатура, 1995);
- XI Международной Вавиловской конференции по нелинейной оптике (г. Новосибирск, 1997);
- 1\/-й Всероссийской школе - семинаре "Люминесценция и сопутствующие явления" {г. Иркутск, 1998);
- ежегодных научно-технических конференциях и семинарах ДВГУПС, ХГТУ, ХГПУ (г. Хабаровск).
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Генерация электронно-дырочных пар в узкозонных полупроводниках (СбНдТе, /пБЬ) является наиболее эффективным электронным механизмом записи поверхностных голограмм, обеспечивающим для излучения среднего ИК-диапазона спектра топографическую чувствительность до 104 см2/Дж.
2. Эффективность записи поверхностных ( в том числе рельефных) динамических голограмм в схеме четырехволнового смешения может быть существенно (более чем на порядок) повышена при использовании схемы смешения излучения на границе раздела сред вблизи угла нарушенного полного внутреннего отражения.
3. Обращение волнового фронта низкоинтенсивного (несколько Вт/см2) ИК-излучения в отражательном тонкослойном интерферометре Фабри-Перо на основе кристалла СёНдТе характеризуется наличием мультистабильного режима, характеристики которого определяются параметрами среды, геометрией образца и спектром излучения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность и практическая значимость работы, сформулирована цель диссертации.
Глава I посвящена анализу электронных механизмов нелинейности полупроводников. В работе [4] предложено сравнивать различные среды и механизмы нелинейности не по величине нелинейной восприимчивости третьего порядка х'3), а по эффективности кубичного нелинейного отклика х<3)т"и (гДе т - время релаксации отклика). Для оценки1 эффективности записи динамической голограммы гораздо более информативным является параметр голографической чувствительности
ХгЕ =2%пг(хаХ)-[{смг1 Дж\, (1)
где п2[см2/кВт]= (2~/п0)2х'3) [ед. СГСЕ], а - коэффициент поглощения среды). Последний параметр учитывает тот фактор, что толщина голограммы ограничена поглощением среды. Для объемной голограммы величина данного параметра соответствует энергии записывающего излучения, необходимой для изменения оптической толщины слоя среды на длину волны излучения и прямо характеризует дифракционную эффективность голограммы. Размерность введенной таким образом чувствительности позволяет сравнивать как объемные, так и поверхностные механизмы нелинейности. Для последних голографических чувствительность по энергии определяется как Л/2/=(ф/ЭДО), где р - амплитудный френелевский коэффициент отражения излучения границей раздела сред, \А/=/т - энергия записывающего излучения.
Для поверхностной нелинейности среды, основанной на кубичной нелинейном отклике, легко получить из формул Френеля следующую взаимосвязь (учитывая, что (5р/3/)=(3р/5л)пг):
Н2В'=И1Е(аХ) [(я + 1)2 + к2Г\ (2)
где п, к - действительная и мнимая части показателя преломления среды. Из (2) видно, что для сильнопоглощающих сред (для которых ал~1), топографическая чувствительность среды для записи поверхностных голограмм практически такая же, что и для объемных.
Проведенный анализ основных электронных механизмов (энгармонизм связанных электронов, непараболичность зоны проводимости полупроводника, генерация электронно-дырочных пар, насыщение резонансных переходов) показал, что наиболее эффективным механизмом нелинейности для излучения среднего ИК-диапазона в узкозонных полупроводниках является генерация электронно-дырочных пар, для которого максимальная величина голографической чувствительности (например, для Сс4Нд,.х7е) может достигать величины 104-106 см2/Дж. Лракти-
чески аналогичный вывод сделан в работе [4], где анализ нелинейно-стей выполнен в рамках модели ангармонического осциллятора
Для поверхностной голограммы существенным фактором является наличие специфической поверхностной рекомбинации, связанной с дополнительным каналом рекомбинации через поверхностные состояния, наличием у поверхности обогащающего по ударно-взаимодействующим носителям изгиба зон, варизонности состава (для сплавного полупроводника) или естественной дефектности поверхности. Проведенный анализ одномерной задачи генерации электронно-дырочных пар показал, что наличие поверхностной рекомбинации приводит к деформации распределения инжектируемых светом неравновесных носителей заряда (ННЗ), форма которого определяется значением скорости рекомбинации на поверхности. Величина последней зависит от характера обработки поверхности, наличия просветляющих покрытий и может изменяться в широком диапазоне.
Вторая глава посвящена исследованию термоиндуцированных механизмов поверхностной нелинейности.
Локальный нагрев образца приводит к тепловому расширению среды и, соответственно, изменению показателя преломления {дп/дТ)<0, где Т - температура. Кроме того, в ряде узкозонных полупроводников нагрев приводит к изменению ширины запрещенной зоны Ед (например, для СсНЧдТе {дЕд/8Т)>0, и оба вклада имеют одинаковый знак).
Расчет зависимости коэффициента поглощения от температуры проводился для СЬНдТе, ширина зоны которого соответствует энергии кванта излучения С02-лазера. С учетом типичной зонной структуры СбНдТе полный коэффициент поглощения можно представить выражением аг{Т)=./^с(Т)а^с(Т) + /^с(Т)а^с(Т), где V,, ^-соответственно валентные зоны тяжелых и легких дырок, с - зона проводимости; /; - функции учитывающие заполнение носителями состояний в зонах. Коэффициент фундаментального поглощения рассчитывался согласно стандартному выражению: а„_с = е2/пп2сНе>|й3*|ёР„(2б[£с(£)-£„(£)-йю], где т -
масса носителей, - матричный элемент перехода.
Считая эффективные массы электронов и легких дырок примерно равными, получаем коэффициент поглощения при переходах у2->с:
а*-* ^-Ег) + Р?п
01 ~ т2спН2{ке>Е1п)0
где Ио"1=тео"1=п\ео"1. 0=[(/к»-£д)2+Е/]1'2. Для переходов между валентной зоной тяжелых дырок (v,) с квадратичным законом дисперсии и непара-боличной зоной проводимости с законом дисперсии вида (при Рк«£д):
е
ЕЛк)
Н2кг 2Р2/с2 2т0 3 Е
коэффициент поглощения имеет вид:
™ т2спа [зЛ2£1Г + 4ц0(,/>г] '
где 1/ц0„=1/т0+1/т№; т0 - масса электрона в вакууме, т„ь - масса тяжелых дырок. Учет кулоновского взаимодействия несвязанных носителей в зонах приводит к следующему выражению (например, для переходов у2-»с:
^ 2те"К(0)]г^(0)|г ехрг(йа>-+ Р)2
^куз ~ ~ з , з 2~ , ~ ~ »
сп п т ш ■ ■ Е%и _ ' к(тет'Пе2Е1'2
Рассчитанная по формулам (3-5) с использованием параметров Сс1НдТе [5] температурная зависимость края фундаментального поглощения представлена на рис.1 при /?©=0,117 эв, откуда видно, что при изменении температуры вблизи края фундаментального поглощения коэффициент поглощения уменьшается значительно. Из приведенных зависимостей видно, что учет кулоновского взаимодействия электронов и дырок в зонах, требуемый при достаточно высокой их концентрации в узкозонных полупроводниках, приводит к существенному изменению величины поглощения в области Ьт>Е
1„,
0,5
I -88-89 К
-127 К ■Л !'
1 у / - 137 К
0,5
I™
Рис. 2. Зависимость интенсивности прошедшего образец излучения от падающего (в отн. ед.)
В области /?со<£д основной механизм поглощения излучения связан с наличием свободных носителей заряда. Зависимость сечения поглощения ае(Т) приводит к положительному коэффициенту (<~агсд/о7)>0, в то
время как для' фундаментального поглощения (£аРУЭТ)<0. Последний вклад преобладает при низких температурах (Т<150 К). Проведенный анализ показывает, что тепловой, механизм записи голограмм включает составляющие, связанные как с изменением л, так и с изменением ос. По абсолютной величине тепловой отклик может быть сравним с электронными только вдали от резонанса, определяемого краем поглощения.
Экспериментально сдвиг края запрещенной зоны исследовался для узкозонного полупроводника . /пЭЬ. Образец представлял собой плоскопараллельную .пластинку толщиной 300 мкм. Кристалл помещался в вакуумный термостат, который- обеспечивал термостабилизацию образца в диапазоне 80+300. К. Спектры пропускания образца регистрировались инфракрасным спектрофотометром «Бресогс! 75 По данным спектрам рассчитан температурный коэффициент ширины запрещенной зоны (8Ед1дТ) = (-2,83±0,09)-10ч Эв/К. Край поглощения кристалла Ев~0,195 зв соответствует нижней частоте излучения СО-лазера.
На рис. 2 приведены экспериментальные зависимости пропускания образца 1пЭЬ от температуры для излучения СО-лазера. Величина голо-графической чувствительности для записи поверхностной голограммы, соответствующая этому механизму нелинейности, согласно оценкам, составляет 4-10"2 см2/Дж.
В параграфе 2.4 рассмотрены характеристики поверхностных ИК-голограмм на основе окиснованадиевых пленок в области термоиндуци-рованного фазового перехода металл-полупроводник (ФППМ). Величина голографической чувствительности такой среды определяется параметрами ФППМ. Экспериментально определение параметров ФППМ проводилось по зависимостям коэффициента френелевского отражения и электропроводности от температуры. Сравнение этих зависимостей демонстрирует связь оптических и электродинамических характеристик среды. На рис. 3 показаны зависимости максимального изменения ко-
эффициентэ отражения при ФППМ от толщины пленки и величины скачка электропроводности.
&Я„%
АЯ„%
60
50
з |д(Рг/Рм
0.2
0.4 с/, мкм
Рис. 3. Зависимость перепада коэффициента фрвнелевского отражения от: а) - скачка электросопротивления; б) - толщины пленки
Расчет электродинамических и оптических характеристик пленок проводился для модели среды, в области ФППМ состоящей из микрокристаллитов металлической и полупроводниковой фаз (т.н. "размытый" фазовый переход). Электропроводность такой среды анализировалась в рамках теории протекания, позволяющей оценить по критическим индексам зависимости электросопротивления р(7) характер протекания и, соответственно, размер микрокристаллитов. Полученные в результате обработки экспериментальных зависимостей р(7) размеры кристаллитов составляют 0,1+0.5 мкм. Увеличение скачка отражения АР? при ФППМ с ростом толщины пленки У02 связано с увеличением размера кристаллитов. Таким образом, максимальная топографическая чувствительность достигается в толстых пленках, по свойствам близким к монокристаллическим образцам, и может достигать, по оценкам, величины Л^г Ю5 см2/Дж. В случае импульсной записи голограммы чувствительность может приближаться к предельной, определяемой теплотой фазового перехода Л/2Етахз107 см2/Дж. Экспериментально при ОВФ-П непрерывного излучения С02-лазера (мощности опорной волны« составляла 6-8 Вт/см2) достигнута величина чувствительности ~ 3-102 см2/Дж, что, в частности, связано с неоптимальным тепловым режимом нагрева пленки ( т определялось толщиной подложки).
В п. 2.4. рассмотрена схема ЧВС поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) на границе среды с ФППМ. В данном случае поверхностная нелинейность позволяет реализовывать «квазиобъемное» нелинейное взаимодействие излучения, т.к. голограмма обладает угловой селектив-
ностью. Преимущества такой схемы особенно очевидны для сильнопог-лощающих сред (например, для У02 в области среднего ИК - диапазона). Параметр голографической чувствительности для данного случая рассчитывается как Щ^^^дп^д^Хт^)^, где /г,, и, - показатели преломления и поглощения ПЭВ на границе среды; А.,,, /5 - длина волны и интенсивность ПЭВ. Для термоиндуцированного механизма нелинейности получаем следующее выражение:
[(1 + 8') + Е "О + 28')]
где е=(<;'+1е") - комплексная диэлектрическая проницаемость среды с ФППМ, п2=(дп/д1) - эффективный параметр объемной нелинейности. Оценки Л/2Е$ для пленки \/02 и излучения с длиной волны Х=10 мкм дают величину 1СР см/Дж.
В третьей главе рассмотрены характеристики рельефных поверхностных голограмм. Эффективность таких механизмов обычно невелика. Например, тепловое расширение полупроводниковой среды позволяет получить голографическую чувствительность МгЕ~101И см2/Дж. Более высокую чувствительность обеспечивает механизм формирования рельефа, основанный на термоиндуцированном фазовом переходе (например, плавлении). В частности, расчет проведенный для рельефных пленок атмосферного льда дает для излучения с Х=10 мкм величину Л/2Ег102 см2/ Дж.
Еще большей величины чувствительности позволяет добиться схема ЧВС излучения вблизи угла полного внутреннего отражения (ПВО). Полученное достаточно громоздкое выражение упрощается в пренебрежении поглощением среды: Л/2/=(<р0-<р^"'-5(35ф(1)д1)/4/?0т где <р, - угол ПВО, <р(/) - зависящий от интенсивности излучения угол отклонения поверхности от горизонтали. В частности, для механизма нелинейности на основе теплового расширения среды получаем:
2Е Ьрр-Ь^Щ
где ре - коэффициент линейного расширения, I - толщина слоя среды, Л - период интерференционной решетки, ср и р - теплоемкость и плотность среды соответственно. Резонансный знаменатель в (7) демонстрирует преимущества предлагаемой схемы. Для типичного полупроводника при (ф-<Ро)~0.01 получаем ЛУ^ЮМО4 смг/Дж. Аналогичное увеличение эффективности записи поверхностной голограммы достигается и в случае плоской поверхности полупроводника с кубичной нелинейностью, поскольку вблизи угла ПВО резко вырастает параметр (др/дп).
Четвертая глава посвящена анализу эффективности обращения волнового фронта ИК-излучения в тонкопленочном интерферометре Фабри-Леро на основе кристалла Сс1НдТе.
Динамические голограммы в тонкослойной среде по своим свойствам приближаются к поверхностным. Основные их особенности связаны с наличием интерференции на отражающих гранях образца. Теоретическая модель интерферометра включает последовательный самосогласованный учет фазового и амплитудного вкладов в нелинейную зависимость коэффициента отражения интерферометра на основе концентрационного механизма кубичного отклика среды, влияние нелинейной Оже-рекомбинации ННЗ, насыщение межзонного поглощения с учетом непараболичности зон, а также вклад в поглощение свободных носителей. Для механизма кубичной нелинейности, связанного с генерацией электронно-дырочных пар при слабом уровне возбуждения имеем для
показателя преломления: «(/) = где 80 - линейное
значение диэлектрической проницаемости, (тетп1тс+ть) - приведенная масса электронно-дырочной пары. Рассматривая для определенности кристалл п - типа и учитывая многолучевую интерференцию излучения в слое среды, имеем:
(8)
т М, а-ЬСо!§
где 1А| - время жизни ННЗ, ограниченное Оже-рекомбинацией, -коэффициент френелевского отражения границы раздела сред, Л/0 -равновесная концентрация, /0 - интенсивность излучения, <в - частота излучения, э=( 1 +/?Ре"2<Д Ь-2л//?Ре"«й, ф=(4тгс1п)/Х, с/ - толщина пленки, г) -квантовый выход внутреннего фотоэффекта; р - коэффициент, учитывающий поверхностную рекомбинацию
Для случая высокого уровня возбуждения (ДЛ/»Л/0, Рв) время жизни ННЗ приобретает концентрационную зависимость и вероятность Оже-рекомбинации резко возрастает. С учетом нелинейной зависимости времени жизни ННЗ от интенсивности излучения, используя стандартное выражение для коэффициента отражения сопряженной волны в схеме ОВФ-П [1], имеем:
д» =_{4к/• ¿е""'(I~ Уо"3(а-¿Соуф)}2_
{(я-ЙСсиф)4'3 -4л/3^^'уЬ/о'/3&'"Ф)2{а2-26Скиф(а-&/2С0*ф)}'
где = у =
та
Значения п{1) определяются с помощью итерационных численных ' расчетов из уравнения:
Численные расчеты показателя преломления и коэффициента от-гГ, ражения сопряженной волны показывают, что зависимость /?pc(cf) имеет вид последовательности максимумов, соответствующих минимумам функций п{1). Уже при малых значениях интенсивности излучения зависимость л(/) становится нелинейной, а затем появляются гис-терезисные петли,, которые определяют бистабильные и мультиста-бильные режимы ОВФ-зеркала. Ширина гистерезисных петель растет с увеличением интенсивности. Переходом между мультистабильными состояниями соответствуют появление и исчезновение ветвей на зависимости Rpc{/0)- Условия, определяющие количество мультиста-бильных состояний определяются параметрами отражательного элемента (a,d,R¥), варьируя которые, можно управлять характером муль-" тистабильного режима ОВФ-зеркала.
Основные результаты
1. Проанализированы механизмы кубичной нелинейности в узкозонных полупроводниках (СбНдТе, 1пЗЬ). Рассчитан спектр ИК-поглощения узкозонного полупроводника (Сс/МдТе ) с учетом насыщения межзонного перехода, непараболичносто зон, вклада свободных носителей, влияния нелинейной Оже-рекомбинации. Показано, .что наибольшую голографи-ческую чувствительность обеспечивает механизм, связанный с генерацией электронно-дырочных пар. Максимальная чувствительность для излучения с Я=10 мкм в сплавном Сс1НдТе может достигать 10" см2 /Дж.
2. Экспериментально в широком (от азотной до комнатной) температурном интервале исследована тепловая нелинейность, связанная с термоиндуцированным изменением ширины запрещенной зоны узкозонного полупроводника /пБЬ, теоретически рассчитано термоиндуциро-ванное изменение оптических констант Сс1НдТе.
3. Показано, что коэффициент поверхностной нелинейности для объемных (на основе кубичной нелинейности) и рельефных механизмов
4 записи может быть значительно (на порядок и более) увеличен при че-тырехволновом смешении излучения вблизи угла нарушенного полного внутреннего отражения:
4. Экспериментально исследованы электродинамические свойства окиснованадиевых пленок, определяющие нелинейно-огттические характеристики среды в среднем ИК-диапазоне спектра, определена голографиче-ская чувствительность среды для импульсного и непрерывного излучения.
5. Теоретически исследована эффективность ОВФ-зеркала для излучения ИК-диапазона на основе интерферометра Фабри-Перо в пленке Сс1НдТе. Установлена связь мультистабильных характеристик полупроводникового интерферометра Фабри-Перо с эффективностью нелинейного отражения в схеме ОВФ-П, показана возможность эффективного управления характеристиками мультистабильного режима ОВФ-зеркала
ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1985. - 240 С.
2. Басов Н.Г., Ковалев В.И., Файзулов Ф.С. Среды для обращения волнового фронта излучения С02-лазеров II Изв. АН СССР. сер. физ.
- 1987. - Т. 51. ~№ 2. - С. 280-292.
3. Бетин A.A., Шерстобитов В.Е. Методы и схемы ОВФ излучения среднего ИК-диапазона II Изв. АН СССР. сер. физ. - 1987. - Т. 51. - №2:
- С. 299-306.
4. Ковалев В.И. Предельно достижимая эффективность кубического нелинейного отклика вещества // Квантовая электроника. - 1997. - Т. 24.
- № 8. - С. 751-753.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ
1. Иванов В.И., Пичугин И.Г. Нелинейное взаимодействие ИК излучения в пленках двуокиси ванадия // Тез. докл. конф. молодых ученых «Горячие электроны и коллективные явления в полупроводниках». - Вильнюс: ИФП АН Лит. ССР, 1990.- С. 18.
2. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. Исследование ВЧВ инфракрасного излучения в пленках двуокиси ванадия II Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах. - Минск: ИФ АН БССР, 1990. - С. 88-93.
3. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. Характеристики ОВФ при ЧВС поверхностных электромагнитных волн в окиснованадиевых пленках // Материалы 42-й научной конференции / Хабаровск: Хабаровский гос. пед. университет, Ч.3,1996. - С.40-42.
4. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. Эффективность обращения волнового фронта излучения рельефными голограммами // Бюллетень научных сообщений / Под ред. В.И. Строганова. - Хабаровск: ДВГАПС, 1996. - №1. - С. 13-15.
5. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. Динамический диапазон обращения волнового фронта поверхностью зеркала II Бюллетень научных сообщений / Под ред. В.И. Строганова. - Хабаровск: ДВГАПС, 1996. -№1.~ С. 15-17.
6. Иванов В.И., Новохатский В В., Пичугин И.Г. Смешение излучения на границе раздела сред при полном отражении // Бюллетень научных сообщений / Под ред. В.И. Строганова. - Хабаровск: ДЗГАПС, 1996. - №1. - С. 19-20.
7. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г., Симаков С:Р/ Динамическая голография на поверхности раздела сред II Материалы 43-й научной конференции / Хабаровск: Хабаровский гос. пед. университет, 1997.-С. 26-29.
8. Иванов В.И., Пичугин И.Г., Симаков С.Р. Голографические характеристики сред с кубичной нелинейностью // Люминесценция и сопутствующие явления / Материалы IV Всероссийской школы-семинара, Иркутск: ИГУ, 1998. - С. 21-23.
9. Ййанов В.И., Пичугин И.Г. Характеристики ЧВС ПЭВ на границе раздела' сред // Бюллетень научных сообщений / Под ред. В.И. Строганова. - Хабаровск: ДВГУПС, 1998. - №3. - С. 28-29.
10. Иванов В.И., Пичугин И.Г. Поверхностная нелинейность полупроводниковых сред II Бюллетень научных сообщений / Под ред. В.И. Строганова. - Хабаровск: ДВГУПС, 1999. - №4. - С. 82-85,
11. Иванов В.И., Пичугин И.Г., Симаков С.Р. Модель рельефной динамической голограммы в тонкослойной среде с термоиндуцированным фазовым переходом // Нелинейная оптика / Межвуз. сб. научн. тр. - Хабаровск: ДВГУПС, 2000. - С. 33-35.
12. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. Обращение волнового фронта ИК-излучения в узкозонных полупроводниках с электронными механизмами нелинейности. Препринт № 22. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000. - 34 с.
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА I. Электронные механизмы кубичной нелинейности полупровод ников.
1.1. Непараболичность зоны проводимости.
1.2. Нелинейная рефракция при заполнении зоны
1.3. Насыщение резонансных переходов.
1.4. Генерация электронно-дырочных пар.
1.4.1. Время релаксации нелинейного отклика.
1.4.2. Влияние поверхности образца.
ГЛАВА II. Термоиндуцированные механизмы записи поверхностных динамических голограмм.
2.1. Изменение показателя преломления полупроводников с температурой.
2.2. Термоиндуцированное изменение ширины запрещенной зоны.
2.2.1. Коэффициент поглощения в узкозонных полупроводниках.
2.2.2. Поглощение излучения свободными носителями заряда.59.
2.3. Экспериментальное исследование температурной зависимости спектра поглощения 1п8Ь.
2.4. Динамические голограммы на поверхности среды с фазовым переходом полупроводник - металл.
2.4.1. Электродинамические свойства микрогетерогеннои среды с фазовым переходом полупроводник-металл.
2.4.2. Экспериментальное исследование нелинейно-оптических свойств окиснованадиевых пленок.
2.4.3. Четырехволновое смешение поверхностных электромагнитных волн на границе раздела двуокись ванадия-диэлектрик.
ГЛАВА III. Динамические голограммы на границе раздела сред вблизи угла полного внутреннего отражения.
3.1. Механизм модуляции рельефа на основе фазового перехода в тонкослойной среде.
3.2 Четырехволновое смешение излучения на границе раздела сред вблизи угла полного внутреннего отражения.
ГЛАВА IV. Обращение волнового фронта ИК-излучения тонкослойным > отражательным интерферометром Фабри-Перо на основе CdHgTe.
4.1. Нелинейный отклик среды на основе генерации электронно-дырочных пар в интерферометре.
4.2. Мультистабильные характеристики нелинейного отражения.
Динамическая голография является областью нелинейной оптики, исследующей перспективные методы регистрации и обработки оптической информации [1], которые используются в оптической связи, лазерной технике, для управления параметрами лазерного излучения (в частности, при обращении волнового фронта (ОВФ) излучения [2]). Одной из актуальнейших задач этой области лазерной физики является поиск и исследование новых сред и механизмов нелинейности, а также схем записи динамических голограмм . В среднем ИК - диапазоне спектра наибольший прогресс достигнут при использовании четырехволнового смешения (ЧВС) излучения в средах с нелинейной восприимчивостью третьего порядка, в которых записываются обычно «толстые» (или объемные ) голограммы [2-5]. В ряде случаев, однако,-предпочтительнее оказываются поверхностные голограммы. Отметим, что нелинейные свойства поверхности исследовались уже в самых первых, классических нелинейно-оптических экспериментах Бломбергена с сотрудниками [6]. ОВФ излучения отражающей поверхностью впервые предложено и реализовано Б.Я. Зельдовичем с сотрудниками [7-8]. К преимуществам таких голограмм относятся, например, резкое снижение влияния эффектов самовоздействия (самофокусировки и т.п.), отсутствие угловой селективности голограммы, удобное в ряде прикладных задач, снятие ограничения на частотный диапазон считывающего излучения. Хотя принципы поверхностной динамической голографии сформулированы достаточно давно, количество пригодных для практически применений сред и механизмов очень ограничено, поскольку эффективная запись поверхностных голограмм требует сред с большой нелинейностью, так как «накопление» нелинейности на толщине образца отсутствует.
Физическая природа поверхностной нелинейности может быть различной. Большую группу составляют механизмы рельефной записи голограмм, основанные на тепловом расширении среды [9], световом давлении [10], термокапиллярном механизме (модуляции коэффициента поверхностного натяжения) [11-14], термоиндуцированном фазовом переходе (плавлении, испарении) [15]. Однако в большинстве прикладных задач данные нелинейности оказываются практически непригодными из-за большой инерционности нелинейного отклика.
Вторая группа механизмов поверхностной нелинейности основана на зависимости френелевского коэффициента отражения излучения от диэлектрических проницаемостей граничащих сред. В этом случае могут быть использованы и механизмы, обеспечивающие обычную нелинейную восприимчивость третьего порядка. В средней ИК области спектра наибольшим значением кубичной нелинейной восприимчивости х(3) (наряду с высоким быстродействием нелинейного отклика), обладают полупроводники.
В связи с этим актуальной является поставленная в данной работе цель: исследование эффективности записи динамических ИК - голограмм на поверхности полупроводников с кубичной нелинейностью, поиск новых механизмов, схем и методов реализации поверхностной нелинейности различных сред. В задачу входило изучение особенностей записи динамических голограмм в тонкослойных образцах (в частности, образующих интерферометр Фабри-Перо), по ряду характеристик приближающимся к поверхностным.
Практическая значимость работы связана с актуальной проблемой разработки ОВФ-зеркал для излучения среднего ИК-диапазона спектра, исследования предельных характеристик динамических голограмм, перспектив использования различных сред и механизмов нелинейности. Особый интерес представляют новые схемы реализации поверхностных нелинейностей, значительно повышающие функциональные возможности техники фазового сопряжения и расширяющие область практического применения методов динамической голографии.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Проанализированы механизмы кубичной нелинейности в узкозонных полупроводниках (Сс1НдТе, ¡пЭЬ). Рассчитан спектр ИК-поглощения узкозонного полупроводника (СбНдТе ) с учетом насыщения межзонного перехода, непараболичности зон, вклада свободных носителей, влияния нелинейной Оже-рекомбинации. Показано, что наибольшую голографическую чувствительность обеспечивает генерация э.-д. пар. Максимальная чувствительность для излучения с ^=10 мкм в сплавном СбНдТе может достигать 104 см2 /Дж.
2. Экспериментально в широком (от азотной до комнатной) температурном интервале исследована тепловая нелинейность, связанная с термоиндуцированным изменением ширины запрещенной зоны узкозонного полупроводника ¡пЭЬ, теоретически рассчитано термоиндуцированное изменение оптических констант СсИЧдТе.
3. Предложена схема записи ИК-голограмм на границе раздела сред вблизи угла нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). Показано, что коэффициент поверхностной нелинейности для объемных (на основе кубичной нелинейности) и рельефных механизмов записи может быть значительно (на порядок и более) увеличен.
• 118
Экспериментально исследованы электродинамические свойства окиснованадиевых пленок, определяющие нелинейно-оптические характеристики среды в среднем ИК-диапазоне спектра, определена голографическая чувствительность среды для импульсного и непрерывного излучения. б.Теоретически исследована эффективность ОВФ-зеркала для излучения ИК-диапазона на основе интерферометра Фабри-Перо в пленке СсИЧдТе. Установлена связь мультистабильных характеристик полупроводникового интерферометра Фабри-Перо с эффективностью нелинейного отражения в схеме ОВФ-П, показана возможность эффективного управления характеристиками мультиста-бильного режима.
1. Новые физические принципы оптической обработки информации /Под ред. С.А. Ахманова и М.А. Воронцова. М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1990.-400 С.
2. Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта. М.: Наука. Гл. ред. физ,- мат. лит., 1985.240 С.
3. Одулов С.Г., Соскин М.С., Хижняк А.И. Лазеры на динамических решетках: Оптические, генераторы на четырехволновом смешении. М.:Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990,- 272.
4. Басов Н.Г., Ковалев В.И., Файзулов Ф.С. Среды для обращения волнового фронта излучения С02-лазеров // Изв. АН СССР, сер. физ. 1987. - Т. 51,- №2. - С. 280-292.
5. Гиббс X. Оптическая бистабильность: Управление светом с помощью света: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 520 С.
6. Бломберген М. Нелинейная оптика. М:Мир, 1965,- 243 С.
7. Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Сударкин А.Н., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта поверхностью // ДАН СССР. 1980. -т.252. - с. 92-96.
8. Куликов О. Л., Пилипецкий Н.Ф., Сударкин А.Н., Шкунов В.В. Реализация обращения волнового фронта поверхностью // Письма в ЖЭТФ. -1980. -т.317. с.337-341.
9. Голубцов A.A., Пилипецкий Н.Ф., Сударкин А.Н., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта при светоинду-цированном профилировании формы поверхности поглощающего вещества // Квантовая электроника,- 1981. Т.8. - С.663-668.
10. Комиссарова И.И., Островская Г.В., Щедова E.H. Деформация свободной поверхности жидкости под действием светового давления //ЖТФ.-Т.58.- В.4.- С.769-776.
11. Глушков A.C., Константинов В.Г., Латышев А.К. и др. О некоторых характеристиках термооптического преобразователя с жидкой модулирующей средой // Письма в ЖТФ. 1979.- Т.5. -20.-С. 1223-1227.
12. Визнюк С.А., Суходольский А.Т. О термокапиллярном самовоздействии лазерного ' излучения в тонких слоях поглощающей жидкости // Квантовая электроника. 1988. - Т. 15. - N4,-С. 767-770.
13. Визнюк С.А., Суходольский А.Т. О применении светоиндуци-рованного эффекта Марангони для записи динамических дифракционных решеток// Краткие сообщ. по физике. ФИАН СССР, 1986. - N 12. -С.9-12.
14. Loulerque J.С., Levy Y., Imbert С. Thermal imaging system with a two-phase ternary mixture of liquids//Optics communications. -1983.-V.45.-N.3.-P.149-154.
15. Gower M.G. The physics of phase conjugate mirrors // Progress in quantum electronics.-1984. V.9. - P.100-147.
16. Басов Н.Г., Ковалев В.И., Файзуллов Ф.С. Среды для обращения волнового фронта излучения С02-лазеров // Изв. АН СССР. сер. физ.-1987,- Т.51.- N2. С. 280-292.
17. Ковалев В.И. Дисперсия характеристик нелинейного отклика, используемого для реализации ОВФ. Изв. РАН, 1996. Т.50. -№6. С. 75-91.
18. Ковалев В.И. Предельно достижимая эффективность кубического нелинейного отклика вещества // Квантовая электроника. -1997.-Т. 24.-№8.-С. 751-753.
19. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников, М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит.,1978. -615 с.
20. Watkins D.E., Phipps C.R., Thomas Jr. at all. Observation of amplified reflection through degenerate four-wave mixing at C02 laser wave lengths in germanium. Opt. Lett., 1981, vol.6, N 2, p.76-78.
21. Watkins D.E., Phipps C.R. Degenerate four-wave mixing in p-type germanium. An absorbing medium. J. Opt. Soc.,1983, vol.73, N 5, p.624-628.
22. Ковалев В.И., Мусаев М.А., Файзуллов Ф.С. Отражение при вырожденном четырехволновом взаимодействии в InAs и InSb на длине волны 10,6 мкм. М.: 1984, - 41с. (Препринт/Физический институт АН СССР: N 122).
23. Басов Н.Г.Ковалев В.И., Мусаев М.А., Файзуллов Ф.С. Обращение волнового фронта излучения импульсного С02-лазера. -Труды ФИАН, М.: Наука, 1986, т. 172, с. 116-179.
24. Зельдович Б.Я., Яковлева Г.В. Влияние линейного поглощения и отражения на характеристики четырех волнового ОВФ. -Квантовая электроника, 1981, т. 8, N 9, с. 1891-1897.
25. Jain R.K., Steel D.G. Degenerate four-wave mixing of 10,6 цт radiation in HgixCdxTe //Appl. Phys. Lett. -1980. -vol.37, N1 p. 1-3.
26. Khan M.A., Bennet R.L.H., Kruse P.W. Bandgap resonant phase conjugate in n-type Hg^CdxTe at 10,6 jim // Opt. Lett. -1981. -vol. 6, N11.-p.560-562.
27. Jain R.K., Steel D.G. Large optical nonlinearities and cw degenerate four-wave mixing in HgCdTe // Opt. communs. 1982, vol.43, N1. -p.72-77.
28. Miller D.A.B., Harrison R.G., Johnston A.M. et. al. Degenerate four-wave mixing in InSb at 5 К // Opt. communs. 1980, vol.32, N3. -p.478-480.
29. Mackenzie H.A., Hagan D.G., Al-Attar H.A. Phase conjugation by degenerate four-wave mixing in InSb with a cw CO laser // Opt. communs. 1984. -vol.54, N5. -p. 352-356.
30. Mackenzie H.A., Hagan D.G., Al-Attar H.A. Four-wave mixing in indium antimonide // IEEE J.Quant.Electron. -1986. -vol. QE-22, N8.-p. 1328-1340.
31. Kidall Н., Iseler G.W. Laser induced damage of infrared nonlinear materials. Appl. Opt., 1976. - v. 15. - N12,- p. 3062-3065.
32. Бугаев A.A., Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А. Фазовый переход полупроводник и его применение // Л.: Наука. Ленинград, отд., 1979.-220 С.
33. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами: Пер. с англ. М.: Мир, 1986,- 664 С.
34. Мокеров В.Г., Бегишев А.Р., Игнатьев A.C. Влияние отклонения от стехиометрического состава на электронную структуру и фазовый переход металл-изолятор в двуокиси ванадия // ФТТ. -1979,- T.21.-N.5. С.1482-1489.
35. Чудновский Ф.А. Фазовый переход металл-полупроводник в двуокиси ванадия // Чтения памяти А.Ф. Иоффе 1987-1988 (сб. научн. тр.). / Л.: Наука, 1989,-С.86-91.
36. Биленко В.И., Жаркова Э.А., Рябова Л.А и др. Влияние фазового перехода металл-полупроводник в двуокиси ванадия на прохождение и отражение электромагнитного излучения // Письма в ЖТФ. 1976.- Т.2.- N14.- С.638-641.
37. Бегишев А.Р., Мокеров В.Г., Раков A.B., Рябинин И.В. Гистерезис температурной зависимости коэффициента пропускания света в тонких слоях VO при фазовом переходе полупроводник-металл // Микроэлектроника,- 1975,- Т.4 В.4. - С.370-372.
38. Бугаев A.A., Захарченя Б.П., Чудновский А.Ф. ФТИРОС новый материал для импульсной голографии. Л.: ЛДНТП, 1976.
39. Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А., Штейнгольц З.И. Инфракрасная голография на ФТИРОСЕ с использованием СО 42 0-лазера // Письма в ЖТФ. 1983. - Т.9. - В.2 - С.76-78.
40. Олейник A.C. Оптические параметры пленочных реверсивных сред AI-VO 42 0-АК-113Ф и AI-VO 42 0-AI 42 00 43 0 // ЖТФ.- 1993,- Т.63,- В.1. -С.97-108.
41. Сербинов И.А., Канаев И.Ф., Малиновский В.К., Рябова Л.А. Оптические свойства пиролитических пленок VO 42 0 // Микроэлектроника. -1973. Т.2. - N6. - С.562-564.
42. Канаев И.И., Малиновский В.К., Рябова Л.А., Сербинов И.А. птическая запись информации на пленках VO 42 0 // Микроэлектроника. 1975. - Т.4 - N4. - С.336-338.
43. Бергер Н.К., Новохатский В.В. Нелинейное отражение излучения CW СО 42 0-лазера при фазовом переходе металл-полупроводников в VO 42 0 //Лазерные пучки (Сб. науч. трудов). -Хабаровск:ХПИ, 1982. -С.13-22.
44. Бергер Н.К., Дерюгин И.А., Жуков Е.А., Новохатский В.В. Обращение волнового фронта излучения TEA СО 42 0-лазера при фазовом переходе металл-полупроводник в VO 42 0 // Лазерные пучки (Сб. науч.трудов).-Хабаровск: ХПИ, 1982,-С.84-89.
45. Даревский A.C., Сербинов И.А., Карасев B.B. Эпитаксияпиролитических пленок VO на сапфире // Кристаллография.-1975,- Т.20. В.З. - С.684-686.
46. Игнатьев A.C., Мокеров В.Г. Получение тонких слоев ванадия методом реактивного катодного распыления и их свойства // Тезисы докл. II Всесоюзн. совещ. по химии твердого тела, ч.2. -Свердловск, 1978,-С.88.
47. Иванов В.И. Диссертация . кандидата ф.-м.н. / Хабаровск: ДВГАПС. 1994.
48. Аракелян С.М., Чилингарян Ю.С. Нелинейная оптика жидких кристаллов.- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984.- 360 С.
49. Ахманов С.А., Выслоух В.В., Чиркин A.C. Оптика фемтосе-кундных импульсов. М.: Мир, 1988. 346 С.
50. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. М.: Наука, 1989.402 С.
51. Сударкин А.Н. Нелинейные оптические процессы с участием поверхностных электромагнитных волн //Препринт N396 ИПМ АН СССР.-М.: 1989.-41 с.
52. Мамаев A.B., Мельников H.A., Пилипецкий Н.Ф., Сударкин А.Н., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта на поверхности полупроводников при плазменном отражении //ЖЭТФ. 1984. - Т.86. -Вып. 1. -С.232-241.
53. Бергер Н.К., Жуков Е.А., Новохатский В.В. Нелинейное взаимодействие ИК волн на поверхности V02 при фазовом переходе полупроводник-металл // Квантовая электроника. 1984. - Т. 11. - №4. - С.748-750.
54. Пилипецкий Н.Ф., Сударкин А.Н., Ушаков К.Н. Обращения волнового фронта при четырехволновом смешении поверхностных электромагнитных волн //ЖЭТФ. 1987. - Т. 93. - Вып. 1(7). - С. 108125.
55. Иванов В.И., Пичугин' И.Г. Нелинейное взаимодействие ИК излучения в пленках двуокиси ванадия //Тез. докл. конф. молодых ученых «Горячие электроны и коллективные явления в полупроводниках». Вильнюс: ИФП АН Лит. ССР, 1990,- С. 18.
56. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. Исследование ВЧВ инфракрасного излучения в пленках двуокиси ванадия // Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах. Минск: ИФ АН БССР, 1990. - С. 88-93.
57. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. Характеристики ОВФ при ЧВС поверхностных электромагнитных волн в окиснована-диевых пленках // Материалы 42-й научной конференции / Хабаровск: Хабаровский гос. пед. университет, Ч.З, 1996. С.40-42.
58. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. Эффективность обращения волнового фронта излучения рельефными голограммами // Бюллетень научных сообщений / Под ред. В.И. Строганова. Хабаровск: ДВГАПС, 1996. - №1. - С. 13-15.
59. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. Динамический диапазон обращения волнового фронта поверхностью зеркала // Бюллетень научных сообщений / Под ред. В.И. Строганова. Хабаровск: ДВГАПС, 1996. - №1. - С. 15-17.
60. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. Смешение излучения на границе раздела сред при полном отражении // Бюллетень научных сообщений / Под ред. В.И. Строганова. Хабаровск: ДВГАПС, 1996. - №1. - С. 19-20.
61. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г., Симаков С.Р. Динамическая голография на. поверхности раздела,сред // Материалы 43-й научной конференции / Хабаровск: Хабаровский гос. пед. университет, 1997. С. 26-29.
62. Иванов В.И., Пичугин И.Г., Симаков С.Р. Голографические характеристики сред с кубичной нелинейностью // Люминесценция и сопутствующие явления / Материалы IV Всероссийской школы-семинара, Иркутск: ИГУ, 1998. С. 21-23.
63. Иванов В.И., Пичугин'И.Г. Характеристики ЧВС ПЭВ на границе раздела сред // Бюллетень научных сообщений / Под ред. В.И. Строганова. Хабаровск: ДВГУПС, 1998. - №3. - С. 28-29.128
64. Иванов В.И., Пичугин И.Г. Поверхностная нелинейность полупроводниковых сред // Бюллетень научных сообщений / Под ред. В.И. Строганова. Хабаровск: ДВГУПС, 1999. -№4. - С. 82-85.
65. Иванов В.И., Пичугин И.Г., Симаков С.Р. Модель рельефной динамической голограммы в тонкослойной среде с термоиндуциро-ванным фазовым переходом // Нелинейная оптика/ Межвуз. сб. на-учн. тр. Хабаровск: ДВГУПС, 2000. - С. 33-35.
66. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. "Обращение волнового фронта ИК-излучения в узкозонных полупроводниках с электронными механизмами нелинейности. Препринт № 22. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000. - 34 с.
