Нелинейно-оптическое ограничение инфракрасного лазерного излучения в полупроводниках

• Автор: Сидоров, Александр Иванович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 327 с. : ил.

ГЛАВА
НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ И КОМПОЗИТАХ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Нелинейно-оптические эффекты в полупроводниках

Однофотонное межзонное поглощение

Однофотонное внутризонное поглощение

Однофотонное примесное поглощение

Экситонное поглощение

Оптическая нелинейность, связанная с непараболичностью зон

- Двухфотонное межзонное поглощение

- Нелинейно-оптические эффекты при обратимом фазовом переходе полупроводник-металл

1.2. Нелинейно-оптические эффекты в композитах

Линейные оптические свойства композитов. Теоретические представления
- Нелинейно-оптические свойства композитов с наночастицами полупроводников
- Нелинейно-оптические свойства композитов с наночастицами металлов
1.3. Выводы
ГЛАВА 2.
ОГРАНИЧЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ БЛИЖНЕГО ИК ДИАПАЗОНА ПРИ САМОДЕФОКУСИРОВКЕ В ШИРОКОЗОННЫХ
ПОЛУПРОВОДНИКАХ С ГЛУБОКИМИ ПРИМЕСНЫМИ УРОВНЯМИ
2.1. Теоретическая модель формирования динамической линзы в полупроводнике с глубокими примесными уровнями
- Фотоиндуцированные процессы в примесном полупроводнике
при низкой интенсивности излучения
Формирование динамической линзы вблизи порога ограничения
- Фотоиндуцированные процессы в примесном полупроводнике

при высокой интенсивности излучения
2.2. Ограничение лазерного излучения при самодефокусировке
в ваАв и гпБе с глубокими уровнями
- Методика экспериментов и спектральные характеристики
образцов ОаАв и гпБе
Ограничение излучения в моноимпульсном режиме на длине волны 1.06 мкм. 97 Ограничение излучения в моноимпульсном режиме на длине волны 1.3 мкм
- Ограничение излучения в моноимпульсном режиме
на длине волны 1.54-1.55 мкм
- Ограничение излучения в моноимпульсном режиме в спектральном
интервале 3.8-4.2 мкм
Ограничение излучения в импульсно-периодическом режиме на длине волны 0.65 и 1.55 мкм
- Восстановление начального пропускания после воздействия
лазерного импульса
2.3. Выводы
ГЛАВА 3.
ОГРАНИЧЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ СРЕДНЕГО ИК ДИАПАЗОНА
ПРИ ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ ПОЛУПРОВОДНИК-МЕТАЛЛ
В ДИОКСИДЕ ВАНАДИЯ
3.1. Тонкопленочные интерференционные системы с пленкой
диоксида ванадия для ограничения излучения
Интерференционные системы с модуляцией коэффициента отражения
Тонкопленочные структуры на основе нарушения полного
внутреннего отражения
Интерференционные системы с модуляцией коэффициента
отражения и пропускания
- Фазовые искажения прошедшего излучения при ограничении излучения интерферометром с модуляцией коэффициента
отражения и пропускания
- Дифракционные пленочные структуры с пространственной
модуляцией излучения
3.2. Динамика переключения ограничителей с пленкой диоксида

ванадия под действием импульса излучения. Теоретическая модель

- Тепловая модель слоистой структуры с пленкой диоксида ванадия
- Динамика переключения интерферометра с пленкой диоксида
ванадия при внутрирезонаторном управлении генерацией лазера
- Динамика переключения интерферометра с пленкой диоксида
ванадия при ограничении лазерного излучения
3.3. Экспериментальное исследование взаимодействия излучения
с ограничителями на основе диоксида ванадия
- Внутрирезонаторное управление генерацией ТЕА-С02 лазера
У02-зеркалами с dRJdt<0
Ограничение излучения среднего ИК диапазона интерференционными структурами с пленкой диоксида ванадия
- Лучевая стойкость ограничителей излучения на основе диоксида ванадия
® в среднем ИК диапазоне
3.4. Выводы
ГЛАВА 4.
ОПТИЧЕСКОЕ ОГРАНИЧЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
НАНОЧАСТИЦАМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ИЗОЛЯТОРОВ
4.1. Ограничение видимого и ближнего ИК диапазонов
наночастицами широкозонных полупроводников и изоляторов
- Экспериментальное исследование ограничения излучения наночастицами
Р ТЮ2, MgO, AI2O3, ВаО, СаСОз, CaF2) BaF2 и BN
- Модель ограничения излучения наночастицами широкозонных полупроводников с динамической поглощающей оболочкой
- Двухкаскадный ограничитель излучения с наночастицами CaF2
для 2,=1.06 мкм
4.2. Ограничение излучения среднего ИК диапазона наночастицами галогенидов серебра с оболочкой из островковой пленки серебра
Спектральные характеристики и нелинейно-оптические свойства наночастиц галогенидов серебра с включениями их металлического серебра в среднем ИК диапазоне. Экспериментальные результаты
Возникновение плазмонных резонансов в среднем ИК диапазоне.
электромагнитной волны, причем, фактор усиления интенсивности может составлять 102-105. Исходя из этого можно ожидать, что такие среды должны обладать достаточно необычными нелинейными свойствами, причем, эффективная нелинейная восприимчивость таких сред может на порядки превышать нелинейную восприимчивость их компонентов. В последующих двух разделах описаны экспериментальные исследования ряда композитов, содержащих наночастицы полупроводников и металлов, подтверждающие эти выводы.
Нелинейно-оптические свойства композитов с наночастицами полупроводников. «Голубой» сдвиг фундаментальной полосы поглощения при уменьшении размеров наночастиц, связанный с квантоворазмерными эффектами, экспериментально наблюдался в ряде работ (напр. - [112, 115]). Так, в работе [112] показано, что при уменьшении размера частицы PbS от 150 до 25 А0 происходит сдвиг края фундаментальной полосы поглощения от А.=3200 нм до А.=530 нм. При этом кластер размером 25 А0 сохраняет кристаллическую структуру массивного монокристалла PbS. Для кластеров CdTe уменьшение размеров кластера от 4 нм до 2 нм приводит к увеличению ширины запрещенной зоны на ~0.4 эВ [115]. Изменение ширины запрещенной зоны сопровождается спектральным сдвигом экситонного резонанса, который наиболее часто используется в нелинейно-оптических переключателях с наночастицами полупроводников [108.109, 112-115].
В ранних работах объектом исследования, как правило, были цветные оптические стекла содержащие частицы ZnS, CdS, CdTe (см., например обзор [39]). Основными механизмами, отвечающими за изменение эффективной диэлектрической проницаемости, были тепловые эффекты, связанные с нагревом частиц излучением видимой области спектра. Процесс оптического переключения в этом случае происходит достаточно медленно (единицы - десятки секунд) и не представляет практического интереса. Однако позже было установлено, что эти же материалы -стекла с наночастицами халькогенидов металлов (CdS, PbS, CdSSe, CdTe) - при пикосекундном лазерном воздействии обеспечивают быстрое оптическое переключение в видимой области спектра за счет насыщения экситонного поглощения [112-115]. Причем, переключение происходит при достаточно низкой интенсивности излучения (Е=60-80 мкДж, Х=480 нм, т=30 пс [112]), благодаря большой нелинейной восприимчивости наночастиц. Для наночастиц CdTe нелинейная восприимчивость в