Нелокальный оптический отклик кристаллов и новые поляризационные явления в полупроводниках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

7 91

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

ПОПОВ Сергей Витальевич

УДК 535.51,56,58

НЕЛОКАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ОТКЛИК КРИСТАЛЛОВ И НОВЫЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор С. А. Ахманов,

кандидат физико-математических наук Н. И. Желудев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

А. 3. Грасюк,

кандидат физико-математических наук А. Д. Петренко

Ведущая организация: Институт физики АН УССР.

Защита состоится " £ " июня 1991 года в -¿С часов в конференц-зале корпуса нелинейной оптики на заседании специализированного Ученого Совета № 1 отделения радиофизики при МГУ им. Н.В.Ломоносова шифр К 053.05.21.

Адрес: 119899 ГСП, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, ученому секретарю специализированного Совета № 1 отделения радиофизики.

Автореферат разослан "

мая71991. года.

Ученый секретарь II1-специализированного Совёта\№\1

„----------г--------------\\ V ~ .-■>•/ ■,

отделения радиофизики^/-—^с^

кандидат физико-математическЙ|^аувоз

(с) МГУ им.М. В.Ломоносова

А.И. Гомонова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

г-цин

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Прогресс, достигнутый в поляризационной нелинейной оптике - оптике зависящих от интенсивности эффектов изменения состояния поляризации света, - сделал ее уникальным методом спектроскопии и диагностики нелинейных кристаллов, дал импульс работам по исследованию неустойчивости поляризации лазерного излучения в нелинейных средах, стимулировал создание быстродействующих устройств поляризационного кодирования информации и поляризационного управления света светом, вовлек в сферу исследований широкий класс новых нелинейных материалов и структур.

Вместе с тем, ряд существенных проблем поляризационной нелинейной оптики в настоящее время слабо исследован. В частности, не изучена проблема самовоздействия и взаимодействия световых пучков в гиротропных средах со слабым двулучепреломлением; отсутствуют данные по самовоздействию излучения в композиционных полупроводниковых сверхрешетках; не завершена разработка феноменологического описания поляризационных эффектов в средах с нелокальным нелинейным откликом, в частности, в литературе нет данных по внутренней симметрии ряда тензоров высоких рангов, используемых при описании сложных нелинейных поляризационных задач.

Все вышесказанное и определяет АКТУАЛЬНОСТЬ настоящего исследования.

ЦЕЛЬ настоящей работы состоит в исследовании поляризационных аспектов динамики распространения света в кубических и анизотропных кристаллах с нелинейным и нелокальным откликом и разработке методов описания таких эффектов с использованием персональных компьютеров.

Защищаемые положения диссертации.

1. В гиротропном кристалле с пересекающимися кривыми частотной дисперсии коэффициентов преломления в поле мощной электромагнитной волны происходит нелинейный сдвиг точки нулевого двулучепреломления по спектру, что приводит к радикальному изменению условий распространения собственных поляризационных мод и нарушению поляризационной

симметрии как в схеме самовоздействия, так и в схеме "возбуждение-зондирование". Показано, что в кристалле СиА^е^

эффект может быть обусловлен как электронным, так и тепловым механизмами нелинейности.

2. При распространении пикосекундного светового импульса с частотой в районе линии однофотонного экситонного поглощения в композиционной сверхрешетке СаАз/А1СаАэ наблюдается самоиндуцированное возникновение эллиптической поляризации, имеющее резонансный характер.

3. Аппарат кватернионов в задачах самовоздействия в поглощающих анизотропных нелокальных средах позволяет создать адекватные численные модели для описания нелинейной поляризационной динамики, в частности, в кристаллах симметрии

42т, 43т.

4. Показано, что алгоритмизация методов прямой проверки и циклических координат с использованием символьного программирования на языке Паскаль позволяет создать эффективные программы для расчета внутренней симметрии материальных тензоров высоких рангов, в частности, для задач нелинейной оптики, реализуемые на персональных компьютерах.

Практическая значимость работы.

1. Обнаруженный эффект зависящего от интенсивности сдвига изоиндексной точки в кристалле СиА1Бе2 может быть

использован для разработки нового класса устройств оптической информатики, в частности, поляризационных вентилей и мультистабильных устройств с субнаносекундным быстродействием.

2. Пакет прикладных программ, реализующий кватернионный подход в решении задач нелинейной оптики, может быть использован для анализа широкого круга проблем распространения интенсивного излучения в нелинейных и лазерно-активных кристаллах, волоконных и планарных световодах.

3. Эффект поляризационного самовоздействия света в сверхрешетке СаАз/А1СаАБ может лечь в основу метода диагностики и спектроскопии полупроводниковых сверхструктур, дающего уникальную информацию о их зонной структуре, анизотропии и нелокальности нелинейного отклика.

4. Пакет прикладных программ, разработанный на основе алгоритмизации методов прямой проверки и циклических координат, может быть использован для расчета любых материальных тензоров вплоть до седьмого ранга с произвольными перестановочными соотношениями для задач физики твердого тела, нелинейной оптики и др.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ и публикации. Основные материалы работы изложены в 6 научных публикациях и представлялись в качестве пленарных и приглашенных докладов на XIII Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Минск 1988г.), Второй Европейской конференции по квантовой электронике (Дрезден, ГДР, 1989), XVII Международной конференции по квантовой электронике (Анахейм, США, 1990), докладывались на X Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск, 1990г.), III Всесоюзном совещании "Оптика анизотропных сред" (Звенигород, 1990г.).

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

В ГЛАВЕ 1 (Обзор литературы) дан анализ основных экспериментальных и теоретических работ по нелинейной поляризационной оптике и спектроскопии кристаллов. Основное внимание уделяется тем публикациям, в которых изучалась специфика поляризационного самовоздействия света в средах со слабым двулучепреломлением и в поглощающих анизотропных нелокальных средах. Проанализировано состояние проблемы феноменологического описания поляризационного самовоздействия в нелинейных анизотропных и нелокальных средах.

В ГЛАВЕ 2 (Алгоритмы и программы для расчетов тензоров нелинейных воспримчивостей высших порядков) рассматривается проблема автоматизации расчета тензоров нелинейных восприимчивостей высших рангов.

Вычисление ненулевых и линейно независимых компонент материальных тензоров - традиционная задача кристаллофизики. Особенности материальных тензоров для задач нелинейной оптики сказываются в специфических перестановочных соотношениях, вытекающих из формы материального уравнения, закона сохранения энергии, принципа симметриии кинетических коэффициентов и т. д. Результаты вычисления ряда тензоров содержатся, например, в монографиях [1-3]. Однако, данные по тензорам высоких рангов отсутствуют из-за сложности и громоздкости вычислений.

В диссертации разработаны принципы и процедуры

алгоритмизации методов прямой проверки [4] и метода циклических координат [3] для определения внутренней симметрии материальных тензоров высших рангов. Процедуру расчета материального тензора можно разбить на несколько этапов:

I. Задание ранга R и перестановочной симметрии S тензора, конкретизация группы точечной симметрии кристалла G и определение элементарных преобразований симметрии - генераторов G., составляющих группу кристалла.

II. Расчет ненулевых компонент тензора. 1) Метод прямой проверки (для целочисленных матриц преобразований системы координат, соответствующих генераторам группы): среди всего

множества компонент выбираются компоненты, удовлетворяющие

заданным условиям перестановочной симметрии S и каждая из компонент Т^ тензора Т проверяется на равенство нулю в данном

« Л Л

кристалле. Компонента нулевая, если Т^. = - SG.T^ или Т^. = -

G.Tß для всех генераторов группы (индекс i). 2) Метод

циклических координат (для нецелочисленных матриц преобразования): известен порядок и тип поворотной оси

симметрии кристалла N или N; вводится комплексный циклический базис ортогональных единичных векторов, причем каждому орту ставится в соответствие численный коэффициент +1, -1 или 0. Для

каждой из 3 комопонент вычисляется общая сумма коэффициентов, соответствующих конкретным индексам этой циклической компоненты. Исходя из численного значения суммы, определяются отличные от нуля циклические компоненты тензора. Из каждой ненулевой циклической компоненты с помощью обратного преобразования из циклического в декартовый базис образуются декартовы компоненты, отличные от нуля, при этом вычисляется тип (действительный или мнимый) и знак коэффициента перед каждой декартовой компонентой.

III. Вычисление линейных связей между компонентами. 1) Метод прямой проверки: с использованием элементарных преобразований симметрии кристаллографической группы G.

выписываются линейные связи между ненулевыми компонентами в виде равенств компонент друг другу по правилу: если Т^ =

то Т., = То, а при заданной перестановочной симметрии: если Т^ =

SG.Tp, то T^ = Т^ 2) Метод циклических координат: из множеств

декартовых компонент с комплексными коэффициентами (каждое такое множество получено при преобразовании ненулевой циклической компоненты в декартовый базис) составляются системы линейных уравнений, в результате решения которых вычисляются линейные формы, связывающие ненулевые декартовы компоненты между собой и определяющие число линейно независимых компонент в данном материальном тензоре. Результирующие ненулевые компоненты и линейные связи между ними оформляются и выводятся в виде таблиц.

В диссертации с использованием средств символьного программирования языка Паскаль впервые создан программный пакет, реализующий выше перечисленные алгоритмы. Максимальный используемый объем оперативной памяти компьютера при расчете тензоров 7 ранга - 380 кбайт. Средняя скорость счета (ЭВМ IBM-PC/AT процессор Intel 80286 -12МГц) тензора 5-го ранга с произвольной перестановочной симметрией - 6 сек., 6-го ранга -55 сек., 7-го ранга - 6 мин. В приложении к диссертации для всех кристаллографических классов и текстур приведены в

качестве примера таблицы тензоров и J^3? используемых в

нелинейной поляризационной оптике.

В ГЛАВЕ 3 (Сдвиг точки изотропии в полупроводниковом

кристалле CuAlSe^ в поле пикосекундных световых импульсов)

представлены экспериментальные результаты по исследованию самовоздействия и взаимодействия линейно поляризованных волн в полупроводниковом кристалле CuAlSe,,.

Известно, что пересечение дисперсионных кривых коэффициентов преломления в гиротропных кристаллах используется для построения поляризационных оптических частотных фильтров, селектирующих длину волны вблизи "изотропной точки". Гиротропия выступает здесь в качестве фактора связи мод и при оптимальном выборе длины кристалла может "перебрасывать" поляризацию между ортогональными направлениями. Изооптический гиротропный фильтр в этом случае реализуется при размещении кристалла между скрещенными поляризаторами так, чтобы его ось располагалась параллельно оси пропускания поляризатора. Сканирование контура пропускания такого фильтра может осуществляться как изменением

длины волны излучения, так и варьированием температуры

кристалла. При распространении в кристалле света с

т ~ а / I (о) (е), (о,е) „

интенсивностью I = Лп / (п^ ~ п2 где П2 ~ нелинейные

показатели преломления, Дп - характерная величина двулучепреломления в районе изоиндексной точки, нелинейная добавка к быстрому коэффициенту преломления может скомпенсировать двулучепреломление. Поскольку характерные Дп

составляют 10 - 10 , соответствующее, изменение показателя преломления может быть без труда достигнуто с применением импульсных лазерных источников света.

В диссертации впервые экспериментально установлено, что при распространении через фильтр на базе гиротропного полупроводникового кристалла СиА1Бе2 света большой

интенсивности малые изменения преломления приводят к сдвигу изоиндексной точки и кривой пропускания фильтра (рис.1). СиА^е^ - тройной халькопирит (симметрия 42т)- прямозонный

(Е = 2.67эВ) полупроводник, обладающий естественной гиротропией б

р = 110 град/мм и имеющий точку изотропии при комнатной температуре в районе 0.532 нм; коэффициент преломления в изотропной точке п = 2.77; линейное поглощение для обычной и

-1 -1

необычной волн соответственно к = 5 см и к = 12 см .

о е

Обнаружено, что: 1) при повышении интенсивности

воздействия контур пропускания фильтра сдвигается; при 130

2

МВт/см сдвиг соответствует частотной перестройке фильтра на 0.14 нм, 2) в обоих случаях, если свет входил в кристалл как "о" или "е" волна, сдвиг по температурной шкале наблюдался в сторону, противоположную сдвигу, возникающему из-за теплового нагрева; это обстоятельство указывает на нетепловую электронную природу нелинейного отклика, 3) в двулучевых экспериментах, где сдвиг контура пропускания производился импульсом накачки, а зондирование - пробной волной на той же частоте, установлено, что время "включения" нелинейности меньше длительности импульса (37 пс), время "выключения" - около 200 пс и, видимо, обусловлено релаксацией возбужденых носителей, 4) для перестройки фильтра может быть использована и тепловая нелинейность, причем экспериментально показано, что в двухлучевой схеме, где используются зондирующее и возбуждающее

рис.1. Сдвиг контура пропускания фильтра на кристалле СиА1Бе2в

интенсивном световом поле. На врезке показана зависимость пропускания от интенсивности при рабочих точках на правом и левом склонах контура пропускания.

1.0

0.8

о.б -1

о

£0.4

0.2

0.0

145 170 195 220 245 270 295 320 345 370 ТЕМПЕРАТУРА К

рис. 2. Спектральные зависимости поглощения £ (□, +) и степени

деполяризации (О, Д) линейно поляризованных пикосекундных

импульсов в сверхрешетке СаАБ/Са _ А1 Аэ (Т=ЗООК, плотность

-2 2 2 энергии возбуждения 10 пДж/мкм (А.+) и 1пДж/мкм (О, а)).

г ь0 ч:

ф

и

О

к К Я"

ей

0.5 §

а к

с о с

а)

1.570

энергия кванта,пДж/мкм2 7

излучение на одной длине волны второй гармоники квазинепрерывного ЛИГ лазера (532нм), модуляция интенсивности достигает 30% при мощности возбуждения Р = 50мВт в изоиндексном фильтре первого порядка и 80% (Р = 250мВт) - для фильтра пятого порядка; время включения и выключения тепловой нелинейности лежит в районе 500 миллисекунд.

Приводятся и объясняются негативные результаты по исследованию спектрального сдвига изотропной точки в полупроводниковом гиротропном кристалле А§Са5£ в поле

пикосекундных световых импульсов.

Приводятся сведения о лазерных источниках, используемых в экспериментах: высокостабильном импульсном пикосекундном АИГ лазере и квазинепрерывном лазере на гранате с неодимом и удвоителем частоты на кристалле КТР.

В ГЛАВЕ 4 (Линейная и нелинейная поляризационная оптика кристаллов симметрии 43т и 42т: численное моделирование и новые эффекты) в натурных и численных экспериментах рассмотрена эволюция поляризованного света в кристаллах симметрии 43т и 42т.

Благодаря квантово-размерным эффектам, увеличивающим энергию связи свободных экситонов и "подчеркивающим" экситонные резонансы в линейных и нелинейных спектрах поглощения, композиционные сверхрешетки на основе кристаллов симметрии цинковой обманки, в частности, арсенида галлия, - очевидные кандидаты для исследования поляризационных нелинейностей. Ранее такие эксперименты проводились только с монокристаллами СаАв толщиной ~ 50мкм [8], что делало затруднительным исследование поляризационного самовоздействия в однофотонном экситонном резонансе поглощения.

В диссертации исследована зависящая от интенсивности деполяризация изначально линейно поляризованных пикосекундных световых импульсов, распространяющихся через композиционную сверхрешетку в направлении [001], нормальном к плоскости структуры. Сверхструктура содержала двадцать пар слоев СаАэ/А^Са^Аз (х=0. 3) с равной толщиной ямы и барьера 971ЗА,

приготовленная методом электронно-лучевой эпитаксии. Оптический элемент выполнен в виде диафрагмы диаметром 2 мм со стравленной

подложкой и переходным слоем.

В качестве источника излучения использовался параметрический генератор света на кристалле LiICL с накачкой от моноим-

3+

пульсного лазера на АИГ Nd с удвоением частоты. Длительность импульса параметрического генератора ~20 пс, ширина спектра излучения ~2мэВ, частота повторения импульсов 2 Гц. Образец помещался между скрещенными высококачественными призмами Глана. Под искомой степенью деполяризации света мы понимаем отношение энергий импульсов для компонент излучения на выходе из кристалла, поляризованных перпендикулярно и параллельно исходному направлению и, таким образом, не разделяем индуцированный поворот, самоиндуцированную эллиптичность и некогерентную деполяризацию. Однако, выбор ориентации кристалла определен требованиями, налагаемыми на геометрию эксперимента условием эффективного наблюдения нелинейной оптической активности [5]. Свет падал в направлении [001] и имел поляризацию, составляющую угол 22.5 град с осью [100]. В такой ориентации самоиндуцированные эллиптичность и вращение поляризации, связанные с пространственной дисперсией нелинейности и анизотропией нелинейного поглощения, должны проявляться совместно.

Экспериментально установлено, что в композиционной сверхрешетке GaAs/Ga^ ^Al^As, имеющей суммарную толщину арсенида

0

галлия "на просвет", равную 200 А, удается наблюдать хорошо выделенный экситонный пик поляризационного самовоздействия (нелинейная оптическая активность) для пикосекундных импульсов света при комнатной температуре. В спектрах деполяризации наблюдается хорошо выраженная линия, соответствующая экситонному поглощению в этой структуре. Отчетливо различается расщепление пика на две изолированные линии, разделенные энергетическим интервалом 10 мэВ.

Показано, что при температуре 150 К резонансная

-2 2

деполяризация возрастает вплоть до 10 пДж/мкм , достигая 0.7%. При дальнейшем росте возбуждения экситонная деполяризационная линия начинает деградировать и при уровне воздействия порядка 1 пДж/мкм полностью "выцветает". Плотность числа светоиндуцированных свободных экситонов может быть оценена как:

N = Q k (hW)_1R,

где к - коэффициент поглощения в резонансной области, Q -плотность энергии возбуждающего излучения, R - фактор потерь,

связанных с отражением, Ьи - энергия кванта поглощенного

2 18 —3

излучения. Для 1 пДж/мкм формула дает N = 2 10 см . В

области энергий кванта, на 60 мэВ превышающих резонансное

значение, деполяризация обусловлена вовлечением межзонных

переходов, причем, с ростом интенсивности воздействия за счет

динамического эффекта заполнения зоны проводимости

светоиндуцированными носителями происходит сдвиг спектрального

края межзонного поглощения и межзонной деполяризации в "синюю"

область.

Несмотря на отличие микроскопической симметрии сверхрешетки от монокристалла, исследуемое направление нормали к плоскости сверхрешетки сохраняет симметрию инверсионной поворотной оси четвертого порядка. Это означает, что природа деполяризационного экситонного резонанса может быть связана как со скрытой анизотропией кубической нелинейной восприимчивости, так и с нелокальностью нелинейного отклика, наблюдающимися в сверхтонких образцах СаАБ. Установлено, что в предположении присутствия в резонансе только "чистого" вращения плоскости поляризации, значения нелинейных восприимчивостей

имеют величины 1т{Ах(3)}=ю"4т1о"3СГСЭ, Не{?(3)>=10~9^10~8СГСЭ.

В Главе 4 также показано, что моделирование поляризационного самовоздействия излучения в кристаллах симметрии цинковой обманки с применением матричного аппарата [5] позволяет исследовать основные механизмы нелинейностей и оценивать их вклады в наблюдаемые на практике эффекты. Уравнения для эволюции 4-х вектора Стокса б^ в нелокальной

нелинейно диссипативной среде получается из волнового уравнения методом медленно меняющихся амплитуд в предположении о слабой анизотропии среды (|С. ,-<С>|«€)

^ и

с1за/<^= 1т{БаП0+ Паз0> + Б]^ а = 1,2,3, с^/й^ = 1т{Ба П а = 0,1,2,3 , £ = гЫ2/(2кс2),

„ па „а .„а6 |3

где вектор самовоздействия \1 = V + 1/2 и г б1;

Л| ^ .(Га ; .(Г 'ljkl ji kl ij ji

*1J = Cij " ik'rSj3 " 1/3(е11+ C22 + C33 )5ij;

t). ... =

ijkl Aijkl ljkl3

В диссертации разработан пакет прикладного математического обеспечения с элементами графического представления результатов для ЭВМ типа IBM PC/XT/AT. Взаимодействие излучения с веществом описывается с помощью системы дифференциальных уравнений для компонент 4-х вектора Стокса. При этом симметрия среды учитывается заданием ненулевых компонент тензоров диэлектрической проницаемости, линейных гиротропии и кругового дихроизма, кубической нелинейной восприимчивости, тензора пространственной дисперсии нелинейности.

Процедуру расчета поляризационных параметров излучения на выходе из моделируемой среды можно разбить на несколько этапов: 1) конкретизация типа симметрии среды и задание ненулевых тензорных величин, характеризующих ее; 2) считывание определенных ранее или задание поляризационных параметров излучения на входе в кристалл и выбор контролируемых выходных параметров излучения (угол поворота поляризации, угол эллиптичности, нормированное или абсолютное значение выходной интенсивности); 3) вычисление значений компонент вектора Стокса на входе в кристалл и матричных коэффициентов, входящих в систему дифференциальных уравнений эволюции 4-х вектора Стокса; 4) численное интегрирование системы дифференциальных уравнений с начальными условиями методом Рунге-Кута 4-го порядка; 5) графический или численный вывод рассчитанных параметров выходного излучения.

На основе разработанного пакета программ проведен анализ процесса "мягкого" спонтанного нарушения поляризационной симметрии [9] с учетом нелинейной гиротропии и нелинейной анизотропии в кристаллах симметрии цинковой обманки.

В диссертации также проведено исследование некоторых новых аспектов линейной поляризационной оптики кристаллов цинковой обманки преимущественно с целью уточнения интерпретации известного эффекта слабого двулучепреломления вблизи края зоны

однофотонного поглощения [7]. Установлено, что при выборе материальных уравнений в виде Б.= £. .Е.+ Ц. ., V Е.; В=Н, тензор

1 ^ J 1К J

в кристаллах типа цинковой обманки может иметь отличную

5 3

от нуля симметричную часть Су... = Ц. ), что не противоречит

J1К 1JK

принципу симметрии кинетических коэффициентов. Действительно, вектор электрической индукции есть переопределенная величина б

41^ + Сго^ЭсИ, нелокальная часть которой включает в себя вклады всех видов индуцированных токов, вызванных как электрическими, так и магнитными взаимодействиями, имеющими, как известно, различную симметрию относительно обращения времени. В диссертации показано, что учет вклада отличных от

нуля компонент ^ .= симметричной части Ц. в кристаллах хуг yxz 1 ^к

структуры цинковой обманки приводит к эффекту, иммитирующему

двулучепреломление. Приводятся экспериментальные данные,

которые могут быть интерпретированы как линейное

двулучепреломление монокристалла СаАБ в области края зоны

фундаментального поглощения , вызванного симметричной частью

Детально числено исследована волновая поляризационная динамика интенсивной волны в гиротропном кристалле симметрии 42т со слабым двулучепреломлением. В частности, исследовано распространение света в гиротропном двулучепреломляющем фильтре, где вычисляется пропускание системы

поляризатор-образец-анализатор при разных температуре или двулучепреломлении кристалла, тем самым иммитируется прописывание контура пропускания поляризационного фильтра в реальном эксперименте (глава 3). Проведены следующие расчеты по моделированию изооптического гиротропного фильтра: 1) моделирование фильтра в линейном режиме, 2) моделирование фильтра в нелинейном режиме : рассматривались случаи изотропной и анизотропной нелинейной восприимчивости при наличии и отсутствии линейной и нелинейной диссипации.

Установлено, что знак анизотропии % определяет направление интенсивностного сдвига контура пропускания фильтра. Показано, что при росте интенсивности воздействия

2

вплоть до 500 МВт/см происходит увеличение сдвига контура пропускания фильтра, на основании чего можно утверждать, что с

применением источников излучения субпикосекундной длительности возможно достичь величины самомодуляции излучения на выходе из фильтра порядка 90%. Показано, что при равных величинах нелинейностей значительное увеличение глубины модуляции пропускания фильтра или уменьшение управляющей мощности достигается с применением кристаллов большей толщины, кратной "оптимальной" толщине фильтра. В результате численного моделирования также установлено, что при самовоздействии линейно поляризованного света в негиротропных средах со слабым двулучепреломлением анизотропия тензора нелинейной восприимчивости приводит к режимам "мягкого" спонтанного нарушения поляризационной симметрии.

С использованием численного анализа удалось детально интерпретировать полученные экспериментальные данные по кристаллу СиА^е^ и рассчитать для него значения компонент

тензора нелинейной восприимчивости: }= 7.11 «10

ВД^ > = = 3.55-ю"10; =1.35.ю"9;

1т{^ххх}= 1в{^!>= 4-10"10(единицы СГС).

В результате численного моделирования показано, что в предположении линейной зависимости сдвига точки изотропии от мощности возбуждающего излучения при размещении на выходе фильтра возвращающего зеркала реализуется поляризационное мультистабильное устройство, работающее на тепловой нелинейности кристалла. Численно показано, что при учете полученной из эксперимента с кристаллом СиА1Бе2 зависимости

сдвига точки изотропии от мощности входного излучения на длине волны 532нм при размере перетяжки на образце ЮОмкм поляризационный фильтр пятого порядка входит в бистабильный режим при мощности возбуждения 800 мВт.

Основные выводы диссертационной работы

1. Впервые экспериментально обнаружен нелинейный эффект нарушения симметрии распространения собственных поляризаций и здвига точки нулевого двулучепреломления в одноосном гиротропном кристалле, а также связанный с ним эффект смещения шнтура пропускания изоиндексного гиротропного поляризационного

спектрального фильтра на базе кристалла СиА^е^ в поле мощной

световой волны. Установлено, что эти явления вызваны анизотропией тензора кубической нелинейной воспримчивости среды, причем в поле пикосекундных световых импульсов доминирует "быстрый" электронный механизм нелинейности а при использовании квазинепрерывного лазера - тепловой. Знаки сдвига изоиндексной точки за счет теплового и электронного механизма различны.

2. При использовании управлемого и управляющего света на одинаковых длинах волн экспериментально продемонстрирован новый тип модулятора света светом, основанный на эффекте сдвига контура пропускания гиротропного изоиндексного фильтра. Показано, что время выключения модулятора может быть не более 200пс, а время включения - менее 37 пс. Предложен и рассчитан новый тип оптического бистабильного поляризационного элемента, используещего эффект сдвига изоиндексной точки.

3. С использованием автоматизированного лазерного поляриметра на базе пикосекундного параметрического генератора света экспериментально обнаружен эффект самоиндуцированного возникновения эллиптической поляризации пикосекундных импульсов в районе края зоны однофотонного поглощения сверхрешетки СаАз/А1СаАз. Установлено, что в спектрах поляризационного самовоздействия имеются однофотонные резонансы, совпадающие с резонансами поглощения на свободных экситонах. Показано, что при высоких уровнях оптического

2

воздействия 20 пДж/мкм ) поляризационное самовоздействие и поглощение в сверхрешетке подавляются.

4. Разработаны принципы и процедуры алгоритмизации методов прямой проверки и метода циклических координат для определения внутренней симметрии материальных тензоров высших рангов.

5. Впервые создан пакет программ, рассчитывающий ненулевые и линейно независимые компоненты, а также линейные связи между компонентами с учетом произвольных перестановочных соотношений симметричного и антисимметричного типа для тензоров вплоть до седьмого ранга во всех кристаллографических классах и текстурах. Пакет реализован на языке ПАСКАЛЬ и предназначен для использования на персональных ЭВМ типа 1ВМ-РС/ХТ/АТ. Рассчитан ряд тензоров нелинейных

восприимчивостей для задач поляризационной оптики анизотропных нелокальных сред.

6. Развита феноменологическая теория поляризационного самовоздействия в кристаллах типа цинковой обманки с учетом симметричных и антисимметричных частей тензоров линейной и нелинейной гирации. При различных температурах с использованием лазерного поляриметра исследовано "малое" линейное двулучепреломление вблизи края фундаментального поглощения кристалла GaAs; показано, что одно из объяснений двулучепреломления в кристалле может базироваться на учете эффектов пространственной дисперсии первого порядка.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ахманов С. А., Желудев Н.И., Иронсайд Ч.Н., Костов 3. М., Попов С. В. Экситонное поляризационное самовоздействие пикосекундных световых импульсов в композиционной сверхрешетке GaAs/AlGaAs. // Письма в ЮТФ. - 1989. -т. 48. -в. 3. -с. 166-169.

2. Желудев Н. И., Попов С. В., Свирко Ю. П. Внутренняя симметрия тензора нелокальной кубической воспримчивости для кристаллографических и предельных групп. //Препринт ИОФАН СССР. -1990. - в. 52.

3. Александровский А.Л., Гринь Ю.Г., Груцо С. А. Желудев Н.И., Маковецкая Л. А., Попов С. В., Свирко Ю. П., Семенихин А.С. Тарасенко В. В. Перестраиваемый оптический фильтр. // Авторское свидетельство. - Положительное решение М6925600 от 9.02.90 КЛ G02 В5/30.

4. Довченко Д.Н., Желудев Н.И., Костов 3. М., Паращук ^ Д. Ю., Попов С. В. Нестационарная нелинейная оптическая активность "на просвет" и "на отражение". // Тезисы докладов XIII Международной конференции по нелинейной и когерентной оптике. (Минск, 6-9 сентября 1988г), - Минск: 1988. -т. 2 -с. 116-117.

5. Popov S.V., Semenikhin A.S., Tarasenko V.A., Zheludev N.I., Makovetzkaya L.A. Intensity-Activated birefrigence zero crossing shift in CuAlSe^ crystal. // Optics Letters. -1990.

-v.15. -n.18. -p.1015-1018.

6. Makovetzkaya L.A., Popov S.V., Semenikhin A.S., Tarasenko V.A., Zheludev N. I., Intensity-Activated

birefrigence zero crossing shift in CuAlSe^ crystal. // Digest

of Technical Papers. XVII International Conference on Quantum Electronics 21-25 May 1990, Anaheim, California, -p.144-146.

ЛИТЕРАТУРА

1. Копцик В. А. Шубниковские группы.// М. Изд. МГУ, 1966

2. Kielich S., Zawodny R.// Acta Physica Polonica. -1973. - V.A43. - p.579

3. Сиротин Ю.И., Шаскольская M. П. Основы кристаллофизики.// M. Наука, 1979

4. Fumi F.G. Matter tensors in symmetrical Systems // Nuovo Cimento. - 1952. - v.9. - p.739

5. Желудев H.И., Свирко Ю. П. Нелинейная поляризационная спектроскопия полупроводников// Итоги науки и техники. Сер. Современные проблемы лазерной физики. Т. 2. - М.: ВИНИТИ, 1990.

- с. 82-183

7. Yu P.Y., Cardona М. Spatial dispersion in the dielectric constant of GaAs. // Solid St.Comm. - 1971. -v.9. -p.1421

8. Желудев H. И., Костов 3.M., Карасев А. А., Нунупаров М. С. Гигантский экситонный резонанс в нелинейной оптической активности.// Письма в ЖЭТФ. - 1986. - т. 43. -в. 12. -с. 578-581.

9. Желудев Н.И. Поляризационные неустойчивость и мультистабильность в нелинейной оптике.// УФН. - 1989. - т. 157.

- с. 683.