Нелинейное пропускание кристаллов ZnSe:Co2+, Si и одностенных углеродных нанотрубок на длине волны 1.54 мкм тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Введение.

Глава 1: Определение функции преобразования германиевых фотодиодов

Введение.

Схема эксперимента.

Обработка результатов.

Результаты эксперимента.

Выводы к главе 1.

Глава 2: Нелинейное пропускание кристаллов ХпБегСо2*.

Экспериментальная установка.21

Методика измерений.22

Измерение нелинейного пропускания.31

Обсуждение результатов.33

Выводы к главе 2.40

Глава 3: Исследование нелинейного пропускания и анизотропии кристаллического кремния.41

Введение.41

Экспериментальные результаты.43

Анизотропия нелинейного пропускания кристаллического кремния.48

Ш Выводы по главе 3.57

Глава 4: Исследование пропускания взвеси ОУН в тяжелой воде и получение самосинхронизации мод в лазере на эрбиевом стекле с пассивным затвором на основе ОУН.58

Введение.58

Нелинейное пропускание взвеси ОУН на длине волны 1.54 мкм.60

Пассивная модуляция добротности лазера на стекле с Ег3+ с помощью кюветы с ОУН.66

Выводы к главе 4.68

Заключение.69

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:.70

Литература.72 к главе 1.72 к главе 2.72 к главе 3.73 к главе 4.73

Введение

Данная работа проводилась с целью изучения изменения пропускания некоторых материалов при воздействии излучения с высокой плотностью энергии, когда начинают сказываться нелинейные эффекты. В качестве исследуемых образцов были взяты кристаллы гпБе с различным содержанием примеси Со2+, кристалл кремния без примесей и новый материал - одностенные углеродные нанотрубоки (ОУН) в виде взвеси в тяжелой воде.

Исследование нелинейного пропускания кристаллов ZnSe:Co2+ в настоящее время имеет большое значение, поскольку они используются в резонаторах лазеров с длиной волны генерации 1.54 мкм в качестве пассивных затворов. Поиски материала, наилучшим образом подходящего в качестве пассивного затвора на этой длине волны ведутся уже много лет, а так как максимум поглощения примеси кобальта находится вблизи 1.54 мкм, то кристаллы 2п8е:Со являются перспективным материалом в лазерной технике.

Кремний давно используется в технике и является одним из наиболее изученных полупроводников. Но в литературе нами не было найдено данных по поведению кремния при воздействии излучения высокой плотности энергии на длине волны 1.54 мкм. В слабых полях для этой длины волны кремний является прозрачным, но при высоких плотностях энергии наблюдается уменьшение пропускания, что на этой длине волны ранее никто не наблюдал. Известно, что кристалл кремния имеет кубическую симметрию и является изотропным в слабых полях. Но в литературе нами не было обнаружено информации по вопросу об анизотропии нелинейного пропускания кремния на длине волны 1.54 мкм в зависимости от угла между вектором поляризации и кристаллографическими осями кристалла. Поскольку кремний может быть использован в резонаторах как оптический ограничитель, то такая информация о его характеристиках в сильных полях может представлять практическую ценность.

Исследование нелинейных свойств ОУН стали проводиться недавно, в связи с чем данных по этому материалу мало. Снятый в слабом поле спектр пропускания взвеси ОУН в БгО показал, что данный материал имеет полосу поглощения на длине волны 1.54 мкм. В рамках данной работы проводились исследования изменения пропускания взвеси нанотрубок при высоких плотностях энергии излучения. Также был поставлен эксперимент по применению взвеси нанотрубок в качестве пассивного затвора для лазера на стекле с примесью Ег3"1".

Целью настоящей диссертационной работы являлось:

1. Исследование нелинейного пропускания кристаллов 2п8е:Со2+ при воздействии лазерного излучения высокой плотности на длине волны 1.54 мкм. Установление наличия или отсутствия поглощения из возбужденного состояния и определение величины сечения поглощения из основного состояния.

2. Исследование нелинейного пропускания кристалла при воздействии лазерного излучения высокой плотности на длине волны 1.54 мкм. Исследование анизотропии нелинейного пропускания кремния на этой длине волны.

3. Исследование пропускания взвеси одностенных углеродных нанотрубок в тяжелой воде при воздействии лазерного излучения высокой плотности на длине волны 1.54 мкм. Исследование возможности использования ОУН в качестве пассивного затвора для модуляции добротности лазера на стекле с примесью Ег3*.

Научная новизна работы:

1. Экспериментально исследована функция пропускания кристаллов л I гп8е:Со с различным содержанием примеси кобальта при воздействии излучения высокой плотности на длине волны 1.54 мкм. На основании исследования сделан вывод об отсутствии поглощения из возбужденного состояния Со2+ на этой длине волны.

2. Экспериментально обнаружены 1) уменьшение пропускания кристалла кремния при увеличении плотности энергии излучения, 2) периодическая зависимость нелинейного пропускания от угла между электрическим вектором падающего излучения с длиной волны 1.54 мкм и главными кристаллографическими осями кремния.

3. Измерена зависимость нелинейного пропускания ОУН от интенсивности падающего излучения. Оказалось, что пропускание нанотрубок увеличивается с увеличением плотности энергии. По результатам измерений сделана оценка интенсивности насыщения ОУН, которая оказалась равной /5=10б Вт/см2.

4. Экспериментально получен режим модуляции добротности и самосинхронизацией мод в импульсном лазере на стекле с Ег3+ с пассивным затвором на основе взвеси ОУН в тяжелой воде.

Практическая значимость результатов:

1. На основании анализа экспериментальных данных для кристаллов 2пБе:Со2+ сделан вывод, что остаточное поглощение (поглощение при высоких плотностях энергии) на длине волны 1.54 мкм не связано с поглощением из возбужденного состояния. Оценено значение сечения поглощения из основного

10 л состояния на этой длине волны а=( 11 ±2)х 10' см .

2. Оценена интенсивность насыщения поглощения взвеси ОУН на длине волны 1.54 мкм, /¡¡= 106 Вт/см2.

3. Получен режим самосинхронизации мод в импульсном лазере на эрбиевом стекле с пассивным затвором и взвеси ОУН в тяжелой воде.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Установлено, что в кристаллах гп8е:Со2+ на длине волны 1.54 мкм отсутствует поглощение из возбужденного состояния. Определено значение энергии насыщения Ец=0.12 ±0.03 Дж/см2 и сечения поглощения на этой длине волны сг=(11±2)х10"19 см2.

2. Экспериментально обнаружены уменьшение пропускания с увеличением плотности энергии излучения и анизотропия нелинейного пропускания кристаллического кремния на длине волны 1.54 мкм.

3. Экспериментально измерена зависимость нелинейного пропускания кюветы с ОУН. С увеличением интенсивности излучения пропускание увеличивается до насыщения. Сделана оценка интенсивности насыщения Л=106Вт/см2.

4. Получен режим модуляции добротности и самосинхронизация мод для лазера на стекле с Ег3+ при использовании взвеси ОУН в качестве пассивного затвора.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в публикациях

Публикации: По результатам диссертационной работы опубликована 1 статья, 1 препринт, имеются 4 тезиса докладов на конференциях, список которых приведен в конце диссертации.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 73 страницы машинописного текста, включая 28 рисунков. Список цитируемой литературы состоит из 32 наименований.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Н.Н.Ильичев, Е.Д.Образцова, С.В.Гарнов, С.Е.Мосалева, "Нелинейное пропускание одностенных углеродных нанотрубок в тяжелой воде на длине волны 1.54 мкм; получение режима самосинхронизации мод в лазере на стекле с Ег3+ с помощью пассивного затвора на основе этих нанотрубок.", «Квантовая электроника», 34, №6 (2004), 572-574

2. N.N. Il'ichev, E.D. Obraztsova, S.V. Garnov, S.E. Mosaleva, «А nonlinear absorption decrease of a single-wall carbon nanotube in D20 and self-mode locking of Er-glass laser by passive Q-switcher that is based on the nanotube suspension», 20th General Conference Condensed Matter Division EPS, Prague, July 19-23, 2004.

3. N.N. Il'ichev, E.D. Obraztsova, S.V. Garnov, S.E. Mosaleva "A nonlinear absorption decrease of a single-wall carbon nanotube in D2O and self-mode locking of Er-glass laser by passive Q-switcher that is based on the nanotube suspension" LPHYS'04, Trieste, Italy, July 12-16, 2004

4. С. E. Мосалева, H. H. Ильичев «Исследование поляризационных зависимостей нелинейного пропускания кристалла кремния на длине волны 1.54 мкм», Труды XLVIНаучная конференция МФТИ, Москва 2003.

5. Н.Н.Ильичев, Е.Д.Образцова, С.В.Гарнов, С.Е.Мосалева, «Нелинейное пропускание одностенных углеродных нанотрубок в D2O и режим самосинхронизации мод в лазере на стекле с Ег3+ с пассивным затвором на их основе», Труды VI международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы», Ульяновск 2004.

6. Н.Н.Ильичев, П.В.Шапкин, С.Е.Мосалева, А.С.Насибов, «Исследование нелинейного пропускания кристаллов ZnSe:Co на длине волны 1.54 мкм». Препринт ИОФ РАН, №27, М., 2004,17с.

Заключение

В работе проводились исследования нелинейного пропускания различных веществ на длине волны 1.54 мкм.

Изучение нелинейного пропускания кристаллов 2п8е:Со показало, что остаточные потери меняются от образца к образцу, причем, значение величины остаточных потерь, которые характеризуются величиной А, лежит в диапазоне от 1 (нет остаточных потерь) до 0.66, что указывает на отсутствие поглощения из возбужденного состояния. Вероятнее всего, остаточные потери связаны с технологией выращивания и легирования образцов. Исходя из л экспериментальных данных, определены значения £<¡=0.12 ±0.03 Дж/см -энергии насыщения и <т= (11 ±2)х10'19 см2 - сечения поглощения из основного состояния.

При увеличении плотности энергии падающего импульса с длиной волны 1.54 мкм наблюдается уменьшение пропускания кристаллического кремния. Для объяснения наблюдающейся зависимости предположено, что в процессе увеличения интенсивности сначала превалирует двухфотонное поглощение, потом все больший вклад начинает вносить поглощение на свободных носителях.

Экспериментально обнаружено периодическое изменение функции нелинейного пропускания кремния с периодом 90 градусов при изменении угла между вектором поляризации излучения и осью (100), причем максимум этой функции наблюдается при совпадении направлений оси кристалла и электрического вектора излучения, а минимум - когда угол между ними составляет 45 градусов.

Исследована зависимость пропускания кюветы, заполненной одностенными углеродными нанотрубками, взвешенными в БгО от интенсивности излучения на длине волны 1.54 мкм. При длительности импульса 250 не и максимальной интенсивности на входе в кювету 40 МВт/см2 уменьшение коэффициента поглощения составило 3.6 см"1, при коэффициенте поглощения в слабом поле около 17 см"1. Оценка интенсивности насыщения поглощения дала значение Л=106 Вт/см2.

Получен режим модуляции добротности и самосинхронизации мод лазера на стекле с примесью ионов Ег3+ при использовании кюветы с ОУН, взвешенными в 020, в качестве пассивного затвора. Длительности импульсов синхронизации мод были короче 1 не, что определялось временным разрешением использовавшейся регистрирующей аппаратуры.

Автор выражает благодарность П.В. Шапкину за предоставление изготовленных им образцов кристаллов ЕпБе:Со2+, Е.Д. Образцовой за предоставление взвеси ОУН в тяжелой воде, Л.А. Кулевскому за помощь в работе над диссертацией.

1. W.Budde, Applied optics, vol. 18, pl555 (1979).

2. C.L. Sanders, Applied optics, vol. 1, p207 (1962).3. «Импульсная фотометрия» сборник статей, выпуск 8, JI.«Машиностроение», 1984к главе 2

3. Bimbaum М., Camargo М.В., Lee S., Unlu F., Stultz R.D. OSA TOPS Advansed Solid State Lasers 1997, vol. 10, OSA, 1997, p. 148.

4. DeLoach L.D., Page R.H., Wilke G.D., Payne S.A., Krupke W.F. ШЕЕ J. Quantum Electron., v.32, 885(1996).

5. Tsai T.-W., Birnbaum M., J. Appl. Phys., v.87,25(2000).

6. Podlipensky A.V., Shcherbitsky V.G., Kuleshov N.V., Mikhailov V.P., Levchenko V.I., Yakimovich V.N. Opt. Lett, v.24,960(1999).

7. Burshtein Z., Shimony Y., Feldman R., Krupkin V., Glushko A., Galun E. Optical Materials, v.15,285(2001).

8. Mierczyk Z., Majchrowski A., Kityk I.V., Gruhn W. Optics & Laser Technology, v.35,169(2003).

9. Shcherbitsky V.G., Girard S., Fromager M., Moncorge R., Kuleshov N.V., Levchenko V.I., Yakimovich V.N., Ferrand B. Appl. Phys. B, v.74,367(2002).

10. Маненков A.A., Прохоров A.M. УФН, т. 148, выпуск 1 (1986).

11. Levchenko V.I., Yakimovich V.N., Postnova L.I., Konstantinov V.I., Mikhailov V.P., Kuleshov N.V. J. of Cryst. Growth, 198/199,980(1999).

12. Avizonis P.V., Grotbeck R.L. J. Appl. Phys., v.37,687(1966).

13. Блистанов А.А., Бондаренко B.C., Переломова Н.В., Стрижевская Ф.Н., Чкалова В.В., Шаскольская М.П. Акустические кристаллы. Справочник, под ред. Шаскольской М.П.- М.: Наука, 1982.

14. Yen-Kuang Kuo, Man-Fang Huang, Milton Birnbaum, ШЕЕ J. Quantum Electronics, v 31,657 (1995).

15. Справочник по лазерам, под ред. А.П. Прохорова, М. 1978.к главе 3

16. J. Е. Geusic, S. Singh, D. W. Tipping, Т. С. Rich, Phys. Rev. Let., v 19,1126 (1967)

17. T. F. Boggess, К. M. Bohnert, K. Mansour, S. C. Moss, I. W. Boyd, A. L. Smirl, IEEE J. Quantum Electronics, v 22, 360 (1986).

18. Справочник «Физические величины» под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова, М., 1991.к главе 4

19. MJ.O'Connell, S.M.Bachilo, C.BHuffinan, V.C.Moore, M.S.Strano, E.H.Harotz, K.L.Rialon, PJ.Boul, W.H.Noon, C.Kittrell, J.Ma, R.H.Hauge, R.B.Weisman, R.E.Smalley. Science, v.297, 593(2002).

20. P.Avouris. Acc. Chem. Res., v.35,1026(2002).

21. S.M.Bachilo, M.S.Strano, C.Kittrell, R.H.Hauge, R.E.Smalley, R.B.Weisman. Science, v.298, 593(2002).

22. A.Hagen, T.Hertel. Nano letters, v.3,383(2003).

23. M.S.Strano, C.A.Duke, M.L.Usrey, P.W.Barone, M.J.Allen, H.Shan, C.Kittrell, R.H.Hauge, J.M.Tour, R.E.Smalley. Science, v.301,1519(2003).

24. E.D.Obraztsova, M.Fujii, S.Hayashi, A.S.Lobach, I.LVlasov, A.V.Khomich, V.Yu.Timoshenko, W.Wenseleers, E.Goovaerts. In: Nanoengineered Nanofibrios

25. Materials, Ed. By S.Cuceri, Y.Gogotsi, V.Kuznetsov (Dordecht: Kluwer Acad. Publ., 2004, vol. 169, pp 389-398).

26. M.S.Dresselhaus, G.Dresselhaus, P.S.Eklund, Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes (San Diego, CA: Acad. Press. 1996).

27. M.J.Bronikowski, P.A.Willis, D.T.Crobert, K.A.Smith, R.Smalley, J. Vac. Sci, Technol. v.19, 1800(2001).

28. R.Saito, M.S.Dresselhaus, G.Dresselhaus. Physical Properties of Carbon Nanotubes (London: Imperial College Press, 1998).

29. A.Hagen, G.Moos, V.Talalaev, J.W.Tomm, T.Hertel. Appl. Phys. A, 78 (8), 1137 (2004).

30. G.N.Ostojic, S.Zaric, J.Kono, M.S.Strano, V.C.Moore, R.H.Hauge, R.E.Smalley. Phys. Pev. Letts., v.92,117402-1(2004).

31. S.Y.Set, H.Yaguchi, Y.Tanaka, MJablonski, Y.Sakakibara, A.Roshin, M.Tokumoto, H.Kataura, Y.Achba, K.Kikuchi. Book ofAbstr. Of OFC'03 (Atlanta, Georgia, USA, 2003, PDP44).

32. P.Nikolaev, MJ.Bronikovski, R.K. Bradley, F. Rohmundet, D.T. Colbert, K.A. Smith, R.E. Smalley, Chem. Phys. Lett., v. 313,91(1999).