Нелинейные оптические явления в пространственно ограниченных полупроводниках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

23г

На правах рукописи

Арутюнян Гагик Маргарович

УДК 621.315.592

НЕЛИНЕЙНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕННО ОГРАНИЧЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук

Новосибирск 1987

Работа выполнена с Научно-исследовательской институте физики конденсированных сред при Ордена Трудовой Красной Знамени Ереванском государственном университете

Официальные оппоненты:

1. Доктор физико-математических наук А.В.Чаплик

2. Доктор физико-математических наук П.Г.Елисеев

3. Доктор физико-математических наук Н.В.Кухтарев

Ведущая организация: Научно-исследовательский физико-технический институт при Горьков-ском государственном университете им.Н.И.Лобачевского

Защита диссертации состоится "_"_1987г. в

_ч._мин. на заседании специализированного совета

Д 003.05.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте физики полупроводников СО АН СССР (630090, Новосибирск-90, пр.академика Лаврентьева,13)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики полупроводников СО АН СССР

Автореферат разослан "_"_1987г.

Ученый секретарь Специализированного совета, доктор физико-математических наук, профессор

Л.Н.Александров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ссв11 ^Актуальность проблемы. Появление интенсивных источников когерентного монохроматического излучения в широком интервале частот от ближнего ультрафиолетового до видимого и инфракрасного диапазонов обусловило за последние два десятилетия бурное развитие теоретических и экспериментальных исследований широкого круга нелинейных оптических явлений в различных средах. Изучение этих явлений приводит к возможности наблюдения большого класса новых волновых эффектов, представляющих собой результат сложных нелинейных процессов взаимодействия волн и частиц в системе (уяе сегодня для них найдены многочисленные практические применения). В то же время ряд важных результатов нелинейной оптики относится к таким характеристикам вещества, как энергетическая зонная структура, плотность состояний, дисперсионные характеристики и т.д. Именно этой стороной вопросов нелинейная оптика стыкуется с такой областью физики, каковой является физика конденсированных сред.

Развитие современной науки и техники требует дальнейшего и всестороннего изучения свойств конденсированных сред. Среди них особое место занимают полупроводники, на основе которых создан ряд важных элементов, приборов и устройств от транзисторов до полупроводниковых квантовых генераторов. Все возрастающие потребности практического использования ставят перед исследователями новую проблему - выявление и изучение путей контролируемого воздействия на физические свойства материала с помощью управления законом дисперсии. Новые физические свойства, лежащие в основе практического применения полупроводников обусловлены, в конечном счете, энергетическим спектром носителей. Наряду с традиционными методами энергетическим спектром полупроводника можно управлять, воздействуя на него интенсивными потоками излучения и/или резко ограничивая размеры образца.

Настоящая работа охватывает круг резонансных оптических явлений, возникающих в пространственно ограниченных полупроводниках при воздействии на них полей электромагнитного излучения, в основном, большой интенсивности. Примерами пространственно

К

ограниченных полупроводников (систем пониженной размерности) служат тонкая квантовая пленка, нить, тонкопленочная гетерострукту-ра, сверхрешетка, приповерхностная область полупроводника, система металл-диэлектрик-полупроводник. В таких системах у носителей сохраняются лишь две или одна степени свободы, что приводит к появлению новых физических явлений, в принципе, отсутствующих в массивном образце. Наиболее яркими из них являются выявление толщинных осцилляций ряда характеристик в явлениях переноса, а также обнаружение квантования холловской проводимости, использованной для создания эталона Ома и более точного определения постоянной тонкой структуры.

В настоящее время интерес к электронным системам пониженной размерности не ослабевает и это обусловлено стечением нескольких обстоятельств: необходимостью более подробного изучения и углубленного понимания физических явлений, протекающих в них; развитием методов реализации различных систем, позволяющих получать структуры с недоступной ранее точностью; перспективностью практического использования новых явлений, обнаруженных в таких системах.

Значительное место в вопросе изучения структуры энергетических уровней электронных систем пониженной размерности занимают оптические методы. Квантовые размерные эффекты обнаружены в оптических свойствах ряда материалов, в том числе Рё7ё , СсИе . (эа а также в системе . Для изучения электронных состояний в квантовых пленках, гетеропереходах и многослойных сверхрешетках успешно применяются методы лазерного зондирования, люминесценции и резонансного комбинационного рассеяния. В квантовых пленках и сверхреветках наблюдаются также интересные оптические явления, обусловленные кулоновсгаш взаимодействием носителей. Эффекты квантования в узких потенциальных ямах существенным образом сказываются на свойствах лазерных структур (лазеры, содержащие квантово размерные слои - КРС лазеры). Гетероструктуры с КРС могут составить основу развития новой и более совершенной технологии электронных приборов, а также создания интегральных электронных и оптоэлектронных схем.

Круг вопросов,- затронутых в работе, касается резонансной перестройки электронных состояний пространственно ограниченных

полупроводников в поле ИЭВ в состоянии насыщения, исследования особенностей прохождения и поглощения интенсивных и слабых электромагнитных волн в различных условиях (в том числе, при наличии размерного квантования, в присутствии внешних электрических, магнитных полей, при наличии кулоновского взаимодействия носителей), многофотонной перестройки электронных состояний при наличии нерезонансных переходов. В работе рассмотрены такие нелинейные явления в поле встречных или пересекающихся ИЭВ, как вынужденный энергообмен между ними, самодифракция, гетерезисное отражение и четырехволновое взаимодействие волн в массивных и пространственно ограниченных полупроводниках. Рассмотрен ряд оптических явлений в периодических полупроводниковых структурах -сверхрешетках, обусловленных кулоновским взаимодействием носителей и изучены особенности поверхностных поляритонов в них.

Вышеизложенное обосновывает актуальность проблемы, которая помимо самостоятельного теоретического интереса с точки зрения развития методов исследования различных резонансных оптических явлений, заключается в возможности их применения при экспериментальном изучении физических свойств пространственно ограниченных систем, а также в перспективе приложений в твердотельной электронике.

Цель работы - построение теории оптических явлений при резонансном воздействии интенсивных и слабых электромагнитных волн на пространственно ограниченные полупроводники (квантованная пленка, нить или полупроводник в квантующем магнитном поле, плоскопараллельные резонаторы, заполненные полупроводником, полупроводниковые структуры - сверхрешетки) и изыскание возможностей управления их оптическими характеристиками с помощью вариации параметров внешних полей и среды.

Научная новизна. В диссертации новыми, прежде всего, являются следующие результаты:

1. Предсказание полевой диэлектрической щели в спектре квазичастиц полупроводника пониженной размерности пространства и

ее немонотонная зависимость от характерного размера квантования.

2. Изменение энергетического распределения квазичастиц размерно квантованных полупроводников в поле ИЭВ, приводящее к эффектам подавления, резонансного поглощения и усиления дополни -

тельного слабого поля; сдвиг края экситонного поглощения в область больших или меньших частот в поле ИЭВ в "трехуровневых" схемах; разрушение состояния насыщения в квантованной пленке в присутствии электрического поля.

3. Возникновение ряда нелинейных эффектов в полупроводниках в поле встречных ИЭВ, таких как эффект многофотонной отдачи, невырожденного обращения волнового фронта в области межзонного перехода, гистерезисное отражение в квантованной пленке при скользящих углах падения.

4. Теория кулоновского взаимодействия, водородоподобных связанных состояний, электронно-дырочной жидкости и поверхностных поляритонов в многослойной сверхрешетке с учетом ее реальных параметров (числа слоев, их толщин, диэлектрических проницае-мостей).

Проведенные теоретические исследования позволили выявить возможности управления оптическими свойствами рассматриваемых систем, объяснить результаты некоторых экспериментов, выявить ряд новых эффектов и закономерностей. Наиболее существенные из них приведены в пунктах "Основные положения" и "Основные результаты и выводы"

Совокупность проведенных исследований можно рассматривать как новое научное направление "Нелинейные резонансные оптические явления в пространственно ограниченных полупроводниках".

Практическая значимость работы. Развитая в диссертации теория резонансных оптических явлений в пространственно ограниченных полупроводниках позволяет углубить наши представления о свойствах рассматриваемых систем и сложных волновых процессах, происходящих в них. В работе указаны возможности управления оптическими и оптоэлектрическши свойствами пространственно ограниченных полупроводников и структур с помощью вариации параметров внешних полей и среды. Основные результаты и выводы работы позволяют получить из экспериментальных данных ванную информацию об энергетическом спектре, плотности состояний, матричных элементах рассматриваемых систем по многим оптическим характеристикам и служат основой для изучения и проектирования новых опто-и микроэлектронных элементов, устройств и приборов как, например, насыщающиеся поглотители и фильтры, управляемые детекторы излучения, ограничители и преобразователи частоты, усилители.

Результаты работы представляют практический интерес с точки зрения создания возможности нелинейного энергообмена волн и индуцирования дифракционной решетки, широко используемых в динамической голографии, в лазерах с распределенной обратной связью и в целях осуществления фазового сопряжения при четырех-волновом параметрическом взаимодействии, а также с целью создания бистабильных оптических устройств, используемых для управления параметрами излучения и позволяющих осуществлять в оптическом диапазоне аналоги различных электронных устройств.

Практическая ценность работы определяется также тем, что исследуемые объекты - квантово размерные слои и многослойные структуры успешно применяются для создания полупроводниковых лазеров улучшенных типов (КРС-лазеры с болызими областями перестройки, мощностями, малыми пороговыми токами). Наличие в них связанных состояний и кулоновская перестройка могут заметно сказаться на частоте генерации. Поэтому результаты диссертации могут оказаться полезными при реиении важной задачи перестройки частоты лазера путем, изменения параметров таких структур.

Основные положения, вынесенные на защиту, следующие:

1. Теория энергетического спектра и электронных состояний в поле ИЭВ и полупроводниках с пониженной размерностью и эффект туинелирования в состоянии насыщения.

2. Особенности коэффициента поглощения слабых электромагнитных волн в присутствии ИЭВ в пространственно ограниченных полупроводниках (резонансное поглощение, усиление, провал в спектре поглощения в состоянии насыщения, особенности поглощения вдали от резонанса); анализ экситонного поглощения в присутствии ИЭВ в тоехзонной модели массивного полупроводника и в трехуровневой модели квантованной пленки (предсказание сдвига края экситонного поглощения из-за наличия поля ИЭВ).

3. Теория диэлектрической проницаемости массивного полупроводника и показателя преломления квантованной пленки в поле ИЭВ с учетом нелинейностей всех порядков (предсказаны особенности частотной дисперсии, связанные с рэлеевским рассеянием, образованием полевой щели в спектре квазичастиц и с четырехфотонным параметрическим процессом).

4. Многофотонные явления в поле ИЭВ при наличии внутризон-ного движения носителей, приводящее, в частности, к появлению серии осциллирующих провалов в спектре поглощения слабого поля; анализ новых областей прозрачностей и возможности управления поглощением ИЭВ из-за наличия внутризонного движения носителей и внешнего электрического поля в массивном и размерно квантованном полупроводниках.

5. Эффекты вынужденного энергообмена в поле встречных ИЭВ (и связанного с ним явления ускорения электронов и дырок) в массивных и пространственно ограниченных полупроводниках, а также самодифракция пересекающихся ИЭВ в области межзонных переходов.

6. Явление оптической бистабильности и невырожденного обращения волнового фронта в резонаторе Фабри-Перо, заполненном двух-зонным полупроводником и особенности бистабильного отражения и прохождения плоской ТМ-волны в квантованной пленке.

?. Теория кулоновского взаимодействия, водородоподобных связанных состояний (таких, как мелкие примеси, экситоны Ванье-Мотта), электронно-дырочной жидкости и поверхностных поляритонов в многослойной сверхрешетке при учете ее реальных параметров.

Апробация и публикации работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на IX и X Всесоюзных совещаниях по теории полупроводников (Тбилиси, 1978 и Новосибирск, 1980), на 1У Всесоюзном совещании по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1978), на XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982), на I и П Всесоюзном семинарах "Электронные процессы в двумерных системах" (Новоси бирск, 1982, 1986), на Всесоюзной конференции "Обращение волнового Фронта лазерного излучения в нелинейных средах" (Минск, 1986), на заседании секции "Физические проблемы некогерентной оптоэлек-троники" Научного совета АН СССР по физике и химии полупроводников (Пахкадзор, 1981), на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ЕГУ. Результаты диссертационной работы докладывались также на семинарах кафедры физики полупроводников и диэлектриков ЕГУ, кафедры общей физики. ЕрПИ, а также научных семинарах в ФТИ АН СССР, ИФП СО АН СССР, НИФТИ при ГГУ, ИРФЭ АН Арм.ССР и полностью опубликованы в 38 работах, список которых помещен в конце автореферата.

Объем работы. Диссертация изложена на 284 страницах основного машинописного текста (включая 40 рисунков и 4 таблицы), состоит из предисловия, пяти глав с введениями и заключениями. Имеется список литературы, включающий 273 названия цитированных литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. Исчерпывающее описание влияния ИЭВ на электронные свойства полупроводников, в общем,случае, должно включить в себя как отправной пункт описание перестройки квазиэнергетического спектра и волновых функций под влиянием внешнего поля. Настоящая глава посвящена решению такой задачи в случае, когда движение электронов (дырок) полупроводника резко ограничено в одном или двух измерениях. В ней дается обзор основной литературы, касающийся резонансного взаимодействия ИЭВ с полупроводниками, а также краткая постановка задач, вошедших в главу. На примере взаимодействия ИЭВ с прямозонным массивным полупроводником излагается основной квантомеханический метод расчета энергетического спектра и волновых функций, используемый практически во всей работе, дается анализ резонансного приближения и выявляются основные физические параметры задачи. В рамках соответствующих приближений воспроизводятся основные результаты, полученные ранее другими авторами (В.М.Галицкий, С.П.Гореславский, В.Ф.Елесин, А.С.Александров, А.Н.Кремлев, И.А.Полуэктов) с помощью методов, используемых в теории сверхпроводимости.

I. Исследовано взаимодействие ИЭВ с размерно квантованной по лупроводниковой пленкой. Линейно поляризованная электромагнитная волна распространяется по оси 2 ( 2. - ось квантования, направленная по нормали к поверхности пленки). Частота волны связывает в резонанс два размерно квантованных состояния, с поперечными квантовыми числами = 1,2,3..., находящимися в разных зонах. Найдены точные в окрестности резонанса волновые функции и энергетический спектр носителей в поле ИЭВ. Показано, что волновые функции представляют собой суперпозицию перепутываемых волной состояний с поперечными квантовыми числами И. и Уп соответственно в " V " и " с " - подзонах, переходящие вдали от резонанса (при выключении внешнего поля) в волновую функцию одной из подзон.

В окрестности резонанса резко искажается энергетический спектр кваэичастиц, характерной чертой которых является наличие диэлектрической щели шириной зависящей от угла между направлением двумерного кваэиимпульса и электрического поля волны, а также размера квантования - :

г» ^ 'ргг^) '

Здесь , У - соответственно амплитуда электрической напряженности волны, частота и волновой вектор, а межзонный матричный элемент оператора скорости. В рассматриваемом случае величина щели не является постоянной при фиксированных параметрах излучения, а осциллирует с изменением толщины пленки. Наличие фотонного волнового вектора приводит к возможности существования переходов с изменением поперечного квантового числа и, как следствие, возникновению щели при таких переходах. В общем случае ширина щели при межзонных переходах с /7 =/77 и Лф^т имеет одинаковый порядок. Однако, в пределе щель максимальна для переходов между размерными подзонами с у) , вклад же переходов с Цф [Г] в щель пренебрежимо мал.

С изменением толщины образца меняется энергетическое расстояние между размерными подуровнями и условие резонанса соответственно удовлетворяется при новых значениях Н, и М. . Оценки показывают, что при увеличении толщины вдвое (/.,= 300 А-»/ =

о ~£

= 600 А) резонансное условие выполняется несколько раз и щель претерпевает осцилляции. Толщинный период таких осцилляций в пленке 0цй$ составляет 90 А. Максимально возможное значение щели в пленке <3"«/^ (при И = I, Ш =2, см/с,

г* Ю~6см, Еа =ю4 - Ю5В/см) лежит в интервале Ю"4 * Ю~3эВ.

Выявлены основные черты плотности энергетических состояний. Характерной ее особенностью является появление области осциллирующего провала в области резонанса с шириной, равной величине щели. На краях этой области плотность состояний резко возрастает. Вдали от резонанса плотность состояний повторяет известный ступенчатообразный ход, характерный для квазидвумерной среды.

Очевидно, что. такой подход справедлив в том случае, когда частота вынужденны^ оптических переходов больше частоты столкновений

(3)

где , . ^еь » ^А - время столкновений электронов с электронами, фононами, примесями и время рекомбинации.

2. Рассмотрена ситуация с другой геометрией взаимодействия, когда волна распространяется в плоскости пленки, вектор напряженности направлен по оси квантования 2Г , а частотой волны завязываются в резонанс два размерно квантованных состояния ( Ш, ) в пределах одной зоны. Тогда размерные подуровни в поле ИЭ8 оказываются сдвинутыми, причем направление сдвига зависит от знака расстройки резонанса. Величина сдвига в этом случае дается следующим выражением \П+м7 I

т / ¿. (тг-/7V / (4)

и достигает измеряемых значений в относительно несильных полях

Ж.

(здесь - эффективная масса в направлении оси квантования). Например, для пленки с ¿. =Ю*6см ( У! =1, IV =2)

энергетический сдвиг - 2 %достигает значений ^ГО"4 т Ю"3 эВ в полях £"=10 * 100 В/см. Интересно сравне-

, о

ние величины (Лп/))в пленочном образце с аналогичным расщеплением ^ ф^сЩ^/ЩтссттГ0 образца одного и того же материала. Поскольку резонансная ситуация в массивном образце достигается, как правило, при смешивании двух ближайших зон (£?еу- частота межзонного перехода, равная 0,1 * I эв, а 0,01*0,001 эВ), то при прочих одинаковых условиях /\Су 0тсюда слеДУ-

ет.'что квантованные пленки являются перспективными объектами для наблюдения эффектов перестройки спектра в поле ИЭВ и в сопутствующих им нелинейных явлениях.

В выбранной геометрии взаимодействия плотность состояний меняется из-за смещения размерных подуровней в поле ИЭВ, однако ее характерная ступенчатообразность сохраняется.

3. Рассмотрено взаимодействие ИЭВ с электронным газом полупроводника, движение которого резко ограничено в двух измерениях. Такая ситуация может реализоваться в массивных полупроводни ках, помещаемых в квантующее магнитное поле , или же в тонких квантующих проволоках (нитях), получение которых вполне реально с учетом сегодняшнего технологического уровня. В обоих случаях, характер взаимодействия ИЭВ с такими системами имеет схожие черты, поскольку движение носителей свободно лишь в одном измерении. Выражение щели, возникающей для определенности, на подуровнях Ландау в поле ИЭВ есть

(о)

где , № - магнитные квантовые числа, — (¥>С/бРлу - магнитная длина, - координата центра осциллятора. Межзонные переходы с отличны от нуля благодаря наличию фотонного

волнового вектора. Существенно, что щель в этом случае, зависит от величины магнитного поля /-/ и волнового вектора волны немонотонным образом. В пределе ¿<2И<£ У , ХрпГ'^^ цель возникает лишь на магнитных подуровнях с совпадающими квантовыми

числами. Оценки показывают, что при изменении Н о продолах

4 4

(6*10 г 10 гс) щель осциллирует несколько раз. Для типичных полупроводников, находящихся в квантующих магнитных полях //~Ю4 - Ю5гс, с Ю8см/с при облучении полями ^"Ю4-

-Ю^В/см величина максимальной щели может достичь Ю-4 -Ю'^эВ.

4. Изучены особенности в энергетическом спектре и плотности состояний полупроводников в поле ИЭВ в состоянии насыщения с помощью исследования вольтамперных характеристик (ВАХ) туннельных переходов по аналогии с туннельными явлениями в сверхпроводниках.

Рассмотрен ток перехода через контакт "полупроводник-полупроводник в неоднородном электромагнитном поле". Показано, что^отличие от случая однородного поля (модель изотропной щели) когда при Т=0 ток носит пороговый характер, здесь наличие пространственной дисперсии волны приводит к "размазке" порога

туннелирования, величина которой зависит от безразмерного параметра, характеризующегося отношением энергии неоднородности волны к энергии взаимодействия.

Исследованы ВАХ контакта "пленка-пленка в состоянии насыщения". Показано, что при Т=0 в модели изотропной щели в ВАХ имеется четкий порог, позволяющий идентифицировать величину щели (I) в условиях размерного квантования. При 1У0 и напряжениях порядка щели происходит температурное "размазывание"порога. Изучены также ВАХ в модели "анизотропной" щели при Т=0. Показано, что при напряжениях порядка щели порог размазывается уже при Т=0.

Исследован также случай, когда с обоих сторон контакта в пленках имеется щелевое состояние, Показано, что при Т=0, когда напряжение меньше суммы щелей с обоих сторон контакта, ток отсутствует и претерпевает конечный скачок при напряжении, равном величине суммарной щели.

Глава П. Появление в зонной структуре массивных и пространственно ограниченных полупроводников дополнительных щелей резко меняет их оптические характеристики, изучению которых посвящена настоящая глава.

I. Исследованы дисперсионные свойства массивного полупроводника в поле интенсивной и слабой электромагнитных волн в области мензонных переходов. Найдено аналитическое выражение диэлектрической проницаемости полупроводника в поле ИЭВ в состоянии насыщения. Диэлектрическая проницаемость представлена в виде, где члены, описывающие нелинейное взаимодействие (и пропорциональные четным степеням напряженности поля) записаны отдельной суммой по параметру нелинейности . Нелинейность определяется отношением двух характерных энергетических параметров задачи (величиной полевой щели А=с!суЕо и резонансной энергией Г°/2п) ~ > гДе Л ~ ширина запрещенной зоны). При значении параметра Ю"2, нелинейная добавка в диэлектрическую

проницаемость образца (эцА^, облучаемого второго гармоникой лазера на неодимовом стекле с £1 = 1,5 Ю^с-1 и ^~Ю4В/см, достигает величины«10"^. В случае узкозонных полупроводников нелинейное взаимодействие оказывается значительно эффективнее. Например, в образце прн облучении второй гармоникой С02-лазера с/^Ю^В/см величина нелинейной добавки меняет диэлектрическую проницаемость уже во втором знаке после запятой. Это может оказаться важным для эффектов, связанных с нелинейной

рефракцией в полупроводниках в области ыежзонных переходов.

Получена частотная зависимость диэлектрической проницаемости полупроводника в состоянии насыщения при зондировании дополнительной слабой электромагнитной волной. Выявлен сложный многопиковый характер частотной дисперсии, обусловленный различными процессами, протекающими в полупроводнике в поле ИЭВ. В частности, сильная дисперсия в непосредственной окрестности частоты накачки .52 обусловлена рэлеевским рассеянием. Наблюдаются особенности в дисперсии, смещенные от на величину из-за расщепления зад

в поле ИЭВ. Кроме того, имеются симметрично расположенные относительно крайние пики, наличие которых связано с четырехфотон-ным параметрическим взаимодействием, когда два кванта из интенсивного поля распадаются на два слабых.

2. Исследована модель трехзонного массивного образца с верхней заполненной "V" -зоной и двумя зонами проводимости - " Образец облучается двумя электромагнитными волнами: интенсивной, вызывающей переходы между зонами " " и слабой, осуществляющей ыежзонные переходы. Рассмотрение ведется с учетом экситонных эффектов.

Показано, что наличие кулоновского взаимодействия в области дискретного спектра приводит к образованию связанных состояний, сдвинутых в поле ИЭВ в область больпих или меньших частот в зависимости от знака расстройки резонанса. Высокочастотное штарков-ское смещение энергетических состояний в "трехуровневой" схеме взаимодействия недавно было экспериментально наблюдено по смещению экситонного пика поглощения в закиси меди при гелиевых температурах. Излучение мощного СОг> лазера связывало в резонанс экситокные состояния ¿£ и З.р , а второй (зондирующий} лазер осуществлял переход из " V " - зоны в состояние 2р - В эксперименте четко зарегистрировано смещение экситонного пика поглощения в зависимости от нелинейного характера взаимодействия (от 0,5 до 4 мэВ).

3. Изучены нелинейные свойства размерно квантованной полупроводниковой пленки при Т=0 с помощью зондирования дополнительными слабыми полями с частотами ¿с) <<52 и соответствующими внутризонному и межзонному поглощениям. Особенности поглощения слабого поля связаны с наличием двух основных факторов, возникающих в пленках в поле ИЭВ в условиях насыщения в поглощении:

во-первых, в размерно квантованном спектре носителей вблизи резонанса индуцируется зависящая от толщины образца полевая щель (I), и, во-вторых, в состоянии насыщения имеется инверсное заселение.

Наличие щели в спектре носителей приводит к эффектам внутри-зонного и меязонного поглощения добавочного электромагнитного поля в соответствующих интервалах частот: СО^ ¿сК/^и Причем из-за специфической толщиной зависимости эффект подавления носит осциллирующий характер. При О) 2о<. наблюдается резонансное поглощение "внутризонной" слабой волны. В области мея-зонных переходов для частот слабого поля, удовлетворяющих условию

2.^пт наблюдается резонансное поглощение и усиление слабого поля. Указанные резонансы в поглощении (усилении) связаны с расходимостью в плотности состояний при отсутствии столкновений. Эффект осцилляционного подавления и усиления слабого поля за счет щели монет оказаться чрезвычайно важным для теории полупроводникового лазера в условиях размерного квантования, поскольку вблизи генерирующей моды наличие щели в спектре существенно меняет коэффициент усиления других мод.

Получена ступенчатообразная зависимость усиления и поглощения при ¡сО~52.1 ^О^пт1 К0ГДа влиянием щели в спектре можно пренебречь и наиболее ярко долями проявиться эффекты размерного квантования в линейной теории.- Указаны периоды скачков как по частоте, так и толщине пленки.

Найдены также отличные от нуля "анизотропные" решения, расположенные внутри щели с сильной зависимостью от взаимной ориентации векторов напряленностей интенсивной и слабых полей при Т=0.

4. Рассмотрено прохождение ИЭВ инфракрасного диапазона, поляризованного по нормали к поверхности пленки, когда волной связываются в резонанс размерные подуровни в пределах одной зоны. Решение соответствующей самосогласованной задачи позволило ввести нелинейный, резонансный показатель преломления для ИЭВ в пленке, существенно зависящий от знака расстройки резонанса, поверхностной концентрации и толщины образца. Показано* что когда О.'рСОн^ ^пю' частота перехода между размерными подуровнями Н, и уп, ) среда ведет себя подобно плазме с характерной частотой, зависящей от интенсивности внешнего поля и толщины пленки. С ростом интенсивности плазменная частота уменьшается, что является следствием эффекта насыщения^

Рассмотрено также поглощение дополнительной слабой электромагнитной волны в пленке в состоянии насыщения. Показано, в частности, что в поле ИЭВ возможен новый процесс резонансного усиления слабого поля, отсутствующий в линейной теории.

5. Исследовано межзонное экситонное поглощение слабой электромагнитной волны в размерно квантованной пленке в присутствии ИЭВ, связывающей в резонанс два ближайших состояния в размерно квантованной зоне проводимости. Для большого класса массивных полупроводников и полуметаллов характерны большие значения диэлектрической проницаемости. Поэтому кулоновское взаимодействие в

них сильно ослаблено и водородоподобные связанные состояния имеют малые энергии связи и макроскопически большие эффективные радиусы. Ситуация, однако, резко меняется в пространственно ограниченных образцах (размерно квантованные пленки, нити), в которых из-за двумерности взаимодействия и выбора окружения образца кулоновское взаимодействие сильно возрастает по сравнению с массивным образцом. Изучены особенности поглощения слабой электромагнитной волны в пленке при Т=0 в зависимости от параметров ИЭВ, толщины пленки и ее диэлектрического окружения. Показано, что экситонные пики поглощения могут существенно разрешаться, а их интенсивности резко возрастать по сравнению с массивным образцом. Предсказаны новые процессы экситонного поглощения, сопровождающиеся переизлучением квантов из ИЭВ, отсутствующие в линейной теории.

6. Исследовано взаимодействие электронного газа, движение которого свободно лишь в одном измерении и резко ограничено в двух других со слабыми электромагнитными волнами в присутствии ИЭВ (массивный полупроводник в квантующем магнитном поле, или квантованная нить). Рассмотрение ведется с учетом Фотонного волнового вектора взаимодействующих волн. Отметим, что основные закономерности в межзонном и внутризонном поглощениях (эййект подавления, резонансного поглощения, усиления) как и в пункте 3 сохраняются и в данном случае, с той лишь разницей, что эФйект подавления носит осциллирующий характер с изменением, например, величины магнитного поля. Вдали от резонанса, когда наиболее ярко проявляются эффекты, связанные только с квантованием спектра, коэффициент поглощения (усиления) носит осцилляционный характер с корневыми особенностями, повторяющими особенности плотности состояний газа, движение которого свободно лишь в одном измерении.

?. Рассмотрено нелинейное межзонное поглощение ИЭВ в размерно квантованной пленке в присутствии постоянного электрического поля напряженности . Показано, что в присутствии электрического поля состояние насыщения в пленке достигается при больших значениях световой мощности, чем без поля. Получено выражение энергии монохроматической волны, поглощаемой в пленке в отсутствие столкновений и вычислен коэффициент поглощения, существенно зависящий от безразмерного параметра ^ :

/ = ^(2/и)Уг<Аип,/е ГГШ-А'ГО (7>

Здесь// - приведенная масса носителей, /[ ширина размер-

но квантованной запрещенной зоны, а сК/^ определяется из (I). При А"*О поглощение растет до линейного значения. Это справедливо в случае сильного электрического поля, когда происходит эффективное разрушение состояния насыщения в пленке. В обратном пределе малых электрических полей (> поглощение оказывается меньше линейного значения благодаря наличию эффекта насыщения. Это явление обусловлено тем, что возбуждаемые фотоном электронно-дырочные пары ускоряясь в подзонах под действием электрического поля, освобождают резонансную область. При наличии столкновитель-ных процессов механизм разрушения состояния насыщения будет преобладать над столкновительными, если

^«Г (8)

где Тгдг /Ь^пт ~ время прохождения электроном под действием электрического поля энергетического интервала а Ту -

время выхода из этого интервала за счет столкновений. Оценки

/гз—' ТО то

показывают, что при ЧГ^ 10" с - 10 с в пленках из материалов группы А3В^ с толщиной ¿^Ю'^см, условие (8) выполняется уже в полях = Ю2 - 103В/см.

Глава Ш. В ней рассматриваются многофотонные явления, возникающие в пространственно ограниченных и массивных полупроводниках в поле ИЭВ, когда учитывается также нерезонансное взаимодействие носителей с волной (внутризонное, внутриподзонное движение).

I. Установлено, что когда помимо дипольно разрешенных переходов между размерными или магнитными подзонами в поле ИЭВ учитывается также внутриподзонное движение носителей, характер не-

линейного взаимодействия меняется и приобретает качественно новые

перестройки волновых функций и энергетического спектра носителей в подзонах с генерацией не одной, а целой серии щелей в окрестностях соответствующих резонансов. Во-вторых, величины щелей оказываются дополнительно осциллирующими функциями от вектора электрической напряженности волны.

2. Показано, что наличие серии щелей в областях многофотонных резонансов в спектре носителей пространственно ограниченных и массивных полупроводников резко меняет их оптические и электрические характеристики. В частности, эффекты внутризонного и межзонного подавления поглощения дополнительных/слабых электромагнитных волн приобретают многофотонный характер Наличие нерезонансного взаимодействия в поле ИЭВ приводит в таких системах к появлению серии дополнительно осциллирующих с напряженностью поля областей пропускания для слабых волн в окрестностях соответствующих резонансов. Это создает хорошие предпосылки для создания управляемых фильтров в широких диапазонах СВЧ, далекой ИК и оптической области.

Учет внутризонного движения носителей приводит также к эффектам резонансного поглощения (усиления) дополнительной слабой электромагнитной волны в поле ИЭВ в областях меязонных переходов. Наиболее интересным, при этом, является возможность резонансной перекачки энергии из интенсивной волны в слабую и перестройки частоты усиливаемой волны в область больших энергий. Изучены особенности межзонного поглощения в поле ИЭВ вдали от резонансных областей. Показано, что наличие нерезонансных переходов приводит в поглощении слабой волны к появлению членов, ответственных за образование критических точек как типа "минимум", так и типа "максимум".

Выявлены основные черты туннелирования в поле ИЭВ при учете внутриподзонного движения носителей, в пленке. Показано, что в ВАХ появляется ряд новых особенностей, таких, как ограниченность порога ВАХ при однофотонном резонансе, осцилляции порога ВАХ и связанное с этим схлопывание порога, а также осцилляции величины скачка тока, когда интенсивное поле индуцирует щели по обеим сторонам от контактов в пленках. Отмеченные, способности можно использовать для создания управляемых лазерным

черты. Во-первых, появляется возможность многофотонной

полем запирающих устройств в широких областях напряжений.

3. Исследованы особенности эффекта самовозденствия в полупроводнике в условиях многофотонного резонанса. Найдено выражение диэлектрической проницаемости. Показано, что наличие внутри-зонного движения приводит к ограничению величины нелинейной добавки к диэлектрической проницаемости и параметра нелинейности, характеризующего взаимодействие в области как однофотонного,

так и многофотонных резонансов. Оказывается, что параметр нелинейности осциллирует с ниспадающей амплитудой в зависимости от Ео ■ Проведен численный анализ величины нелинейной диэлектрической проницаемости от напряженности поля для образца , облу-

чаемом мощным СО^-лазером. Выявлена сильная зависимость величины и знака нелинейной добавки при четных и нечетных // . Например, при /V =3 нелинейная добавка составляет величину порядка 5-10"^ в поле Е0 =7Л05В/см.

4.Изучены особенности межзонного поглощения ИОН в массивном полупроводнике и в квантованной пленке с учетом нерезонансного взаимодействия в присутствии постоянного электрического поля. Показано, что процесс разрушения состояния насыщения в полупроводнике в электрическом поле из-за наличия внутризонного движения носителей в поле ИЭВ приобретает многофотонный характер. Найдено выражение коэййицента поглощения в присутствии электрического поля и выявлен осцилляционный характер процесса разрушения состояния насыщения из-за наличия внутризонного движения носителей. Показано также, что основной параметр задачи - время прохождения энергетического интервала в окрестности соответствующего резонанса под действием электрического поля - оказывается осциллирующей Функцией напряженности волны.

Глава 1У. В данной главе рассматриваются нелинейные оптические явления в поле встречных и пересекающихся ИОВ в пространственно ограниченных полупроводниках.

I. Исследовано поведение носителей массивного полупроводника в резонансном поле встречных ИЭВ одинаковой частоты в области межзонных переходов. Характер взаимодействия при этом в норне может отличаться от случая с бегущей волной, поскольку носители движутся уже в пространственно периодическом поле стоячей волны, создаваемом встречными волнами.

Показано, что при надбарьерном движении в таком поле состояние носителей представляет собой серию состояний с папличними квазиимпульсами, отличающимися друг от друга на величину

- фотонный волновой вектор). Носители в поле встречных ИЭВ приобретают добавочный импульс и ускоряются. Это обусловлено тем, что в процессе каждого акта взаимодействия электрон переходя из нижней "/"-зоны ^верхнюю "с "-зону и обратно, передает один фотон с импульсом из одной волны в другую, распространяющуюся в противоположном направлении.

Найдена вероятность вынужденной передачи из одного светового пучка в другой ¡\/фотонов. Показано, что в распределении по импульсам для электронов имеется резко выраженный максимум, причем максимальный импульс (энергию) отдачи получают те электроны, которые передают N фотонов из одного пучка в

другой ( £ - расстройка резонанса, - длительность лазерного импульса, ^гг^/я^^Уг I ~ безразмерны параметры интенсивнос-тей отдельных волн). Опенки показывают, что для параметров кристалла («^величина/ИМО4 в поле рубинового лазера с длительностью ¿Л'Ю"8с и напряженностью 2.104В/см.

Рассмотрен также эффект многофотонной отдачи, приводящей к ускорению размерно квантованных электронов в плоскости пленки, когда частота волн находится в резонансе с уровнями с квантовыми числами П, , НП> в пределах "с"-зоны. При этом эффект существенно зависит от толщины пленки ¡_ . Показано, что число переданных

фотонов /{/ достигает Ю^-Ю4 уже в полях 10^-103В/см в образцах

Ч ^ / Я й

группы А В с толщинами / ^ 10 -10 и см. При этом можно ис-

1 Я 7

пользовать СО или СО^-лазеры с длительностью о -10" с.

2. Изучено взаимодействие волн на индуцированной в полупроводнике оптической решетке в области межзонных переходов, приводящее к явлению самодифракции. Расчеты проведены с учетом нелинейнос-тей всех порядков. Рассмотрение ведется для малых толщин образца, при которых интенсивности дифрагированных, за счет нелинейного взаимодействия волн, малы в сравнении с падающими. Получены явные выражения для амплитуд генерированных в среде волн, зависящие от интенсивностей и угла пересечения волн на входе в среду и номера гармоники. Показано, что интенсивности генерированных волн пропорциональны ( Ц- номер гармоники), падают с рос-

том УЬ , причем отношение интенсивностей гармоник с соседними

о

номерами может составить величину^ 10 . Проведено сравнение с экспериментальными данными, полученными в образце высокоомного кремния с толщиной ~ 0,1 см, облучаемом первой гармоникой лазера

р

на неодимовом стекле с мощностью'«2 МВт/см и длительностью,

равной 15 не. Показано, что в области изменения угла пересечения основных волн в пределах 54-20 мрад, значение отношения интенсив-ностей соседних гармоник согласуется с экспериментов».

3. Рассмотрена оптическая бистабильность эталона Фабри-Перо, заполненного полупроводником в области межзонных переходов, проявляющаяся в скачкообразном изменении его оптических характеристик. Получено явное выражение, связывающую входящую в эталон интенсивность { Хо 1 и выходящую из него ( ). Показано, что скачок интенсивности с его увеличением толщиной0,03 см и коэффициентом отражения граней эталона '¿=0,7, происходит

при МВт/см2. За счет гистерезисного поведения выходя-

щая из эталона энергия скачком меняется вдвое, что можно наблюдать в эксперименте. Установлено, что при изменении /. или 2. биста-бильный режим переходит в мультистабильный. Так, при / =0,06 см £ =0,7 четко проявляется мультистабильность, когда падающая интенсивность Т~ 56 МВт/см2.

о

4. Проведено теоретическое и численное исследование невырожденного обращения волнового фронта в полупроводнике в области межзонного перехода. Рассмотрен эталон Фабри-Перо, заполненный полупроводником , который помимо интенсивных волн частоты облучается дополнительным слабым полем с частотой СО ■ Изучены особенности коэффициента отражения обращенной волны от частотной расстройки интенсивных и слабых волн, интенсивности сильных волн, толщины образца.

Выявлена яркая двухпиковая зависимость коэффициента отражения слабого поля вблизи частот СО — связанная с возникновением

щели в спектре квазичастиц. Вблизи этих частот коэффициент отражения что соответствует процессу обращения с усилением. Ширина области обращаемых частот вблизи порога шире области частот, обращаемых вблизи , что связано с инверсной заселенностью в системе. Уменьшение интенсивности поля в эталоне приводит к уменьшению ^ и к сужению области обращаемых частот. С удалением от порогов £1±2]\ в область больших или меньших частот Д резко падает. Описанная картина отражения верна в случае малых и умеренных интенсивностей, когда параметр «^существенно меньие единицы. Например, для эталона из в поле второй гармоники лазера на неодимовом стекле (з^ 0,01.

Установлено, что с увеличением параметра (!>', частотное поведение коэффициента отражения резко усложняется. Это обусловлено тем, что процесс обращения, как параметрический, требует сохранения условия фазового синхронизма, в котором волновые вектора волн зависят от интенсивности опорных волн. Показано, что в случае, когда параметр (эталон из поле второй

гармоники СО^-лазера), процесс обращения оказывается эффективным практически во всей области частот 4)1 ~ .

Изучен бистабильный характер коэффициента отражения в квазивырожденном режиме в зависимости от падающей интенсивности в эталоне изтолщиной/. =0,055 см при облучении второй гармоникой СО^-лазера. Показано, что бистабильность нелинейного эталона Фабри-Перо проявляется и в четырехволновсм взаимодействии. Коэффициент отражения с ростом интенсивности вначале осциллирует. Первый бистабильный скачок в^ происходит при 448 Вт/см2 (интенсивность отражения при этом, меняется приблизительно в 20 раз),

р

обратный скачок происходит при 148 Вт/см (интенсивность после скачка меняется вдвое).

5. Решена самосогласованная задача взаимодействия размерно квантованной пленки с плоской ТМ-волной, частота которой близка к частоте резонансного перехода между уровнями размерного квантования в пределах зоны проводимости. Получены условия гистерезис-ного отражения и пропускания пленки при изменении величины падающего поля в условиях тонкости нелинейного слоя.

Установлено, что при углах падения волны из вакуума на тонкий. слой пленки, близких к скользящим, имеет место единственный гистерезис, обусловленный нормальной к границе пленки компонентой электрического поля. Для реализации такого гистерезиса необходим переход диэлектрической проницаемости через нулевое значение, что Формально подобно переходу через плазменный резонанс (обратная связь в системе обеспечивается именно наличием такого перехода). Выявлена гистереэисная зависимость диэлектрической проницаемости от величины внешнего поля. Получено аналитическое выражение коэффициента отражения (прохождения) в зависимости от параметров системы.

Проведен численный анализ указанных особенностей в случае пленки бя/^с толщиной [_ =1,5.Ю"6см, осажденной на подложке при облучении первой гармоникой С0?-лазера. Установлено, что

первый скачок в коэффициенте отражения при возрастании падающего поля очень мал, однако, пройдя его при росте поля и далее уменьшая его значение можно выйти к обратному: от почти полного отражения к пропусканию (изменение^, при этом, составляет 42% при угле падения 0 =84°). Предложено использовать особенности в отражении (пропускании) для определения степени и однородности легирования в пленке, а также для контроля ее толщины.

Глава У. В ней рассмотрены оптические явления в многослойной сверхрешетке (СР) при наличии кулоновского взаимодействия носителей.

I. Найден точный вид потенциала заряда, находящегося в произвольной точке.многослойной СР, образованной периодическим чередованием двух различных полупроводниковых слоев с толщинами С( и @ и диэлектрическими проницаемостями , которая ограничена с обоих краев диэлектрическими подложками с проницаемостями £/ и . Заряд находится в слое, отделенном от подложек, соответственно, М иД/ парами слоев. Проанализированы различные случаи, когда потенциал взаимодействия принимает относительно простой вид.

Показано, что если заряды находятся в пределах некоторого определенного слоя, то взаимодействие принимает двухмерный вид У^б^^о {£ - спроектированное на плоскость слоев расстояние между зарядами, 2С- эффективная диэлектрическая проницаемость), в следующих случаях: ,

(ЦМ),

(а+£)М«/«(<н-^М , . (9)

В реальных условиях первый случай может осуществиться лишь при небольшом количестве чередующихся слоев, или, если слои ультратонкие (при этом значение £0 совпадает с известным значением одиночной пленки). Во втором случае эффективная диэлектрическая проницаемость не зависит от параметров подложек и описывает ситуацию, когда взаимодействующие заряды находятся в глубине СР. Третий приповерхностный случай соответствует ситуации, когда заряды оказываются вблизи одной из подложек.

Установлено, что при выполнении условия

«(а е, (Н+м)/(£ '+£ ") (10)

взаимодействие принимает логарифмический вид

Т,, . 2е,е,_____г,

У^'тШ^^т^/ "'Т11

Рассмотрен также случай, когда заряды находятся в слоях, отделенных друг от друга )/- парами слоев =0) и, при этом, £ У • ТогДа потенциал взаимодействия и эффектив-

ная диэлектрическая проницаемость есть

Значения и характеризуют диэлектрические свойства неограниченной СР, причем всегда имеет место неравенство < ^^

Исследованы также особенности экранированного потенциала точечного заряда в СР. Оказывается, что в ряде случаев экранированный потенциал существенно зависит как от ограниченности СР, так и от параметров тех слоев, где сосредоточена электронная плазма. Анализирована зависимость радиуса экранирования от параметров СР в случаях вырожденной и невырожденной статистик газа. Выяснена роль конечности ширин слоев СР в анизотропии потенциала экранирования .

Э. Оценена энергия связи водородоподобных состояний в СР, когда взаимодействующие заряды находятся в одном и том же слое, а также в случае, когда они расположены в разных слоях. Определена зависимость энергии связи от диэлектрических проницаемостей, ширин и числа слоев, а также проницаемостей подложек. Рассмотрены возможности увеличения энергии связи таких состояний с помощью варьирования указанных параметров.

Изучены особенности коэффициента межзонного поглощения в СР при наличии кулоновского взаимодействия генерируемых в подбарьер-ных состояниях электронно-дырочных пар. Показано, что в областях дискретного спектра поглощение представляет собой набор дельта-функционных пиков, локализованных перед каждым новым порогом ми-низоны. Местоположение пиков весьма чувствительно к параметрам СР

и зависит от величины энергетического барьера. Указана возможность значительного разрешения и усиления пиков поглощений в сравнении с аналогичными пиками массивного образца или случая квантованной пленки, окруженной полупроводниками. Например, отношение интенсйв-ностей основной линии поглощения в СР с той же линией массивного образца оказывается пропорциональным параметру

где - боровский радиус массивного образца. Из (13) видно, что в виду малости толщины ямного слоя -Ц и дополнитель-

ной малости (0«Ро , ). Аналогичное сравне-

ние со случаем пленки, окруженной полупроводниками показывает, что }(—$'2'-

Показано, что вклад рассмотренных эффектов оказывается значи тельным и для оптических переходов, запрещенных в силу симметрии. Сравнение соответствующих линий запрещенных переходов в ограниченной СР с массивным образом показывает, что ^ Это может оказаться решающим в спектроскопии указанных линий. Наиболее ярко отмеченные особенности будут проявляться в СР с малым количеством чередующихся тонких слоев (¿6-= или в одиночной пленке,

находящейся в диэлектрическом окружении.

Изучен частотный ход поглощения также в непрерывных областях. Показано, что коэффициент поглощения плавным образом переходит от одного плато к другому, что обусловлено конечностью высоты энергетического барьера. Ширина областей с плавным переходом увеличивается с ростом номеров связываемых минизон, что в свою очередь,приводит к сближению соседних групп экситонных пиков. Экспериментально такое смещение наблюдалось в сверхреиетках

3. Определена равновесная энергия связи и равновесная плотность электронно-дырочной жидкости (ЭДЖ) в СР с учетом толщин чередующихся слоев и их диэлектрических проницаемостей. Энергия основного состояния ЭДЯ вычислена с помощью метода Нозьера-Пайнса. Показано, что состояние с ЭД?! в СР может быть энергетически более выгодным, чем состояние с газом свободных экситонов. Установлено, что значение равновесной энергии ЭДЯ в СР существенно зависит от значения параметра к

О / . Л. , ¿V \1/г

(14)

• а

Выявлена тенденция роста энергии связи ЭДЖ с уменьшением £ . Образованию в СР ЭДЖ способствует не только малость толщин чередующихся слоев, но и близость их диэлектрических проницаемостей.

Состояние с ЭДЖ и отмеченная тенденция роста ее энергии недавно экспериментально исследовалось в сверхрешетках при селективном интенсивном оптическом возбуждении. Наблюдаемая при этом новая линия изучения имела характерные черты, присущие ЭДЖ и была сдвинута в красную область относительно экситонной линии.

4. Изучены особенности поверхностных поляритонов в ограниченной СР, состоящей из периодически чередующихся двух полупродни-ковых слоев, один из которых в исследуемом диапазоне частот является диспергирующим. Получено дисперсионное уравнение для мод, локализованных в такой структуре, зависящее от ее параметров. Исследовано поведение ветвей дисперсионного уравнения, характеризующего поверхностные волны на границе раздела между СР и диэлектрической подложкой. Показано, в частности, что когда ширина не-диспергирующего слоя больше ширины диспергирующего, дисперсионные ветви, доходя до определенных частот, претерпевает обрыв.

Обнаружение указанного явления позволит получить информацию о характерных параметрах СР.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Основные результаты и выводы из диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:

I. Построена теория нелинейных оптических явлений в пространственно ограниченных полупроводниках при воздействии на н\«х резонансного поля ИЭВ. Найдены энергетический спектр и электронные состояния в системах пониженной размерности пространства. Показано, что в энергетическом спектре таких систем в условиях насыщения в поглощении возникают полевые диэлектрические щели, зависящие от характерных размеров квантования осцилляционным образом в случае межзонных переходов и монотонным - в случае внутри-зонных. Выявлены основные особенности, возникающие в плотности энергетических состояний таких систем в присутствии ИЭВ.

2. Развитая в работе теория позволяет определить ряд важных характеристик исследуемых систем, получить информацию о сложных волновых процессах, происходящих в них в различных условиях, выявить новые закономерности и эффекты, такие как:

- эйфект осцилляционного подавления и резонансного поглощения (усиления) дополнительного слабого поля в системах пониженной размерности в состоянии насыщения;

- смещение края экситонного поглощения в поле ИЭВ в трехзонной модели массивного образца и в трехуровневой модели квантованной пленки;

- появление многопиковости частотной дисперсии, обусловленной различными процессами вынужденного рассеяния и ытарковского расщепления при взаимодействии интенсивной и слабой волн в полупроводнике;

-многофотонная перестройка энергетического спектра и волновых функций пространственно ограниченных систем в поле ИЭВ при наличии нерезонансного взаимодействия, приводящая к возникновению серии дополнительно осциллирующих провалов в спектре поглощения слабого поля;

- осцилляционный характер разрушения состояния насыщения в присутствии постоянного электрического поля из-за наличия внутри-подзонного движения носителей и резкого ограничения толщины образца.

3. Построена теория ряда нелинейных оптических явлений в поле встречных и пересекающихся ИЭВ, возникающих в пространственно ограниченных полупроводниках, которые могут быть использованы для осуществления энергообмена между волнами и частицами, исследования характеристик среды с помощью явления самодифракции, фазового сопряжения волн, а также для управления параметрами излучения с помощью бистабильных оптических устройств. Это прежде всего:

- эйФект многофотонной отдачи и связанное с ним явление ускорения носителей при надбарьерном движении в массивном образце и в квантованной пленке;

- явление оптической бистабильиости и невырожденного обращения волнового фронта в резонаторе ?абри-Перо, заполненном полупроводником в области межзопных переходов (выявление двухпиковости коэффициента отражения в области малых нелинейностей и сильной йо-дуляции отражения в области больпих нелинейностей);

- гистерезисное отражение при скользящих углах падения в квантованной пленке, позволяющее контролировать поверхностную концентрацию и толщину образца с большой точностью.

4. Развита теория кулоновского взаимодействия, водородоподоб-ных связанных состояний, электронно-дырочной жидкости и поверх- ' постных поляритонов в "многослойной сверхрешетке, ограниченной с краев диэлектрической-средой, при учете реальных параметров системы - числа слоев', их толщин и диэлектрических проницаемостей..

Предсказано резкое увеличение интенсивностеп и.разрешение экситочных пиков поглощений-в системах пониженной размерности в сравнении с массивным образцом. Показано, что .увеличению энергии связи ОДй в CP способствуют как-малость ее периода, так и близость диэлектрических проницаемостей чередующихся слоев. Выявлен обрыв в дисперсионных ветвях поверхностных поляритонов, когда толщина' недиспергирующего слоя периодической структуры больие ширины диспергирующего. "

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Арутюнян Г.М., Акопян Д.Г. Учет пространственной дисперсии при взаимодействии мощной электромагнитной волны с двузонным полупроводником. Изв.АН Арм.ССР, Физика, 1980,-15, 79-85." • -

2. Арутюнян Г.М. Энергетический спектр в собственных размерно-квантованных полупроводниках в присутствии сильной электромагнитной волны. ФТП, 1973, 7, 600-603.

3. АрутюнянГ.М., Азизян А.О. Размерно-квантованный спектр и волновые Функции электронов в поле сильной электромагнитной волны. Йэв.АН Арм.ССР, <5изика, 1972, 7, 210-214.

4. Арутюнян Г.М. Электрические свойства полупроводниковых пленок в поле сильной электромагнитной волны. Радиотехника и электроника. 1974, 19, I06I-I065.

5. Арутюнян Г.М.,Джотян Г.П.,Саакян A.C. Нелинейный магнето-оптический эффект в полупроводнике. Учение записки ЕГУ, Физика, 10^5, РЗ, 37-39.

6. Арутюнян Г.И. Электрические свойства тонких проволок в поле интенсивной электромагнитной волны. <5ТП, 1975, 9, 808-810.

7. Арутюнян Г.И. 0 туннельном эффекте в полупроводниковых пленках. Изв.АН Арм.ССР, Физика, 1974, 9, 256-259.

8. Арутюнян Г.М.,Акопян Д.Г..Неркарарян Х.В. Дисперсионные и туннельные .характеристики полупроводника в поле интенсивной электромагнитной, волны. Тезисы докладов X Совещания по теории полупроводников. Новосибирск, 1980, часть I, 34-35.

9. Арутюнян Г.М. Электрические свойства тонких (квантующих) проволок в поле сильной электромагнитной волны. ФТП, 1975, 9,1044.

IX). Harutunyan G.M. The Absorption of a Weak Electromagnetic Wave in the Presence of an Intensive One in a Three-Bend. Semiconductor. Phys.Stat.Sol. 1979, (b), ¡2, K9-K13.

11. Арутюнян Г.М. Влияние эффектов переизлучения на собственное и зкситонное поглощение в полупроводниках. Тезисы докладов IX Совещания по теории полупроводников (Тбилиси), 1978, с.21-22,

12. Арутюнян Г.М.,Казарян Э.М. Собственное поглощение в тонких полупроводйиковых пленках в поле сильной электромагнитной волны. Изв.АН Арм.ССР, Физика, 1973, 8, 339-342.

13. Арутюнян Г.М. Внутризонное поглощение в тонких полупроводниковых пленках в поле сильной электромагнитной волны. ФТП, 1975, 9, I041-1042.

14. Арутюнян Г.М. Меязонное экситонное поглощение света в тонких пленках в присутствии резонансного лазерного излучения. Изв.АН Арм.ССР, Физика, 1983, 18, 276-279.

15. Арутюнян Г.М.,Саакян А.С. Итарк эйгЬект в полупроводнике при наличии квантующего магнитного поля. Изв.АН Арм.ССР, Физика, 1977, 12, 11-15.

16. Арутюнян Г.М.,Неркарарян Х.В. 0 нелинейном поглощении света в размерно квантованном полупроводнике в присутствии электрического поля. Изв.АН СССР, сер.Лизическая, 1983, 47, I6I3-I6I8.

17. Арутюнян Г.!.!. .Неркарарян X.П.0-нелинейном поглощении спета в размерно квантованном полупроводнике в присутствии электрического поля. Тезисы докладов XI Всесоюзной конференции по когерентно;': и нелинейной оптике, 1982, Ереван.

18. Harutunyan G.M..Shahinyan S.M. Multiphoton abBortion of intensive electromagnetic wavee in semiconductors.

Phya.Stat.Sol.1976,(b> 72.K171-K176.

19. Harutunyan G.M..Shahinyan S.M. Multiphoton absorption of light in semiconductor in the field of inteneive electromagnetic wave.Preprint PL RP-77-10,1977.

20. Арутюнян Г.М.,Шагинян С.11. Собственное многофотонное поглощение света в полупроводнике в поле интенсивной электромагнитной волны. Тезисы докладов 1У Всесоюзного совещания по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом. Ленинград, 1978, 41-42.

21. Арутюнян Г.М..Неркарарян Х.В. Многофотонный эффект Штарка в размерно квантованной полупроводнике. ДАН Арм.ССР, 1976, 69, 222-227.

22. Арутюнян Г.М. Сверхрешеточное состояние в размерно квантованных полупроводниках. &ТП, 1977, П, 1604-1607.

23. Арутюнян Г.М. Мпогойотонное поглощение и туннелирование в условиях КРЭ. Изв.АН Арм.ССР, Физика, 1977, 12, 449-454.

24. Арутюнян Г.М..Дяотян Г.П. МногоФотонный Штарк-эФфект в полупроводнике при наличии квантующего магнитного поля. Изв.АН Арм.ССР, Физика, 12, 352-356.

25. Арутюнян Г.II. Особенности поглощения интенсивного электромагнитного излучения кристаллом в присутствии постоянного электрического поля. Изв.АН Арм.ССР, Физика, 1983, 18, 206-211.

26. Арутюнян Г.М.,Нсркарарян Х.В. Нелинейное меизонное поглощение света в размерно-квантованном полупроводнике в присутствии электрического поля. <Т>ТП, 1903, 17, 1725.

27» Harutunyan G.M., Nerkararyan Kh.V. Interaction dynamics pf diaenaionally quantized electrons with intense opposite electromagnetic waves. Thin Solid Films, 19S4, 112, L13-L17.

28. Арутюнян Г.М. О самодпФракции когерентных световых волн в полупроводниках. <Г>ТЛ, 1984, 19, 563.

29. Арутюнян Г.М.'Гистерезис в оптических характеристиках двухзонного полупроводника. Изв.АН Арм.ССР, Физика, 1986, 21, 70-74.

30. Арутюнян Г.М. Оптическая бистабильность и невырожденное обращение волнового фронта в полупроводниках. ФТП, 1986, 20 , I758-I763.

31. Begdaaaryan О.М. Bistable reflection and plane Til-wave passage in dimensionally quantized film.

Thin Solid Films.1987,147. 1o3-110.

32. Арутюнян Г.М. .Пернарарян Х.В. Особенности кулоновского взаимодействия в периодических полупроводниковых структурах. ФТТ, 1981, 23, 225-228.

33. Арутюнян Г.М..Неркарарян Х.В. Подбарьерное поглощение в стационарной сверхрешетке. Изв. АН Арм.ССР, Физика, 1980, 15. 162-167.

34. Арутюнян Г.М.Об экситонном поглощении в размерно кван-. тованиых полупроводниковых пленках. ФТП, 1982, 16, 369-371.

35. Арутюнян Г.М., Неркарарян Х.В. Экранированный потенциал точечного заряда в сверхрешетке. Изв.АН Арм.ССР, Физика, 1983, 17. 63-67.

36. Арутюнян Г.М., Неркарарян Х.В. Энергия основного состояния электронно-дырочной яидкости в многослойных сверхреиетках. ДАН Арм.ССР, 1982, 75, 209-213.

37. Арутюнян Г.М..Неркарарян Х.В. Поверхностные поляритоны в периодических структурах. Оптика и спектроскопия, 1984, 56, 167-169.

38. Арутюнян Г.М. Нелинейное отражение слабых электромагнитных волн в полупроводнике в присутствии интенсивной волны. Сборник трудов НИИ 5КС ЕГУ. "Нелинейные оптические взаимодействия", 1986, 85-98, 194.