Сверхбыстрые процессы в полупроводниках в условиях образования электрон-дырочной плазмы с высокой концентрацией носителей при воздействии инфракрасных фемтосекундных лазерных импульсов

• Автор: Овчинников, Андрей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 113 с. : ил.

Глава 1. Электрон-дырочная плазма высокой плотности в кремнии и арсениде галлия, возникающая при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов (анализ современного состояния исследований)
1.1. Релаксация электрон-дырочной плазмы за счет Оже-рекомбинации
1.2. Электрон-фононная релаксация
1.3. Оптические свойства электрон-дырочной плазмы и механизм поглощения лазерного излучения
Основные результаты главы 1
Глава 2. Фемтосекундная лазерная система высокой мощности с активной средой хром-форстерит
2.1. Задающий генератор
2.2. Временной расширитель длительности импульса (стретчер)
2.3. Регенеративный усилитель
2.4. Многопроходный усилитель
2.5. Временной компрессор
Основные результаты главы 2
Глава 3. Экспериментальные методики исследований
3.1. “Ршпр-ргоЬе” схема измерений с пространственным разрешением
3.2. Экспериментальная схема “ритр-ргоЬе” с интерферометром и Фурье-обработкой интерферограмм
Основные результаты главы 3
Глава 4. Экспериментальное исследование процесса образования и динамики релаксации электрон-дырочной плазмы высокой плотности
в кремнии и арсениде галлия

4.1. Релаксация электрон-дырочной плазмы в кремнии и арсениде галлия при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов
4.2. Взаимодействие инфракрасных фемтосекундных лазерных импульсов с кремнием и арсенидом галлия. Пороги плавления и абляции
4.2.1. Пороги абляции поверхностного слоя кремния и арсенида галлия
4.2.2. Пороги плавления поверхностного слоя кремния и арсенида галлия
4.3. Процесс образования поглощающего слоя вблизи порогов плавления и абляции поверхностного слоя полупроводников Основные результаты главы 4 Основные результаты работы Список литературы
Актуальность темы
Уникальные характеристики излучения фемтосекундных лазеров дают возможность использовать их в фундаментальной науке, технике и медицине. Быстрое развитие фемтосекундных лазерных систем за последние два десятилетия привело к созданию большого многообразия таких лазеров по значениям выходной энергии, длительности импульса и длинам волн. Разработка фемтосекундных лазеров позволила не только получить рекордные плотности, мощности и температуры, но и изучать сверхбыстрые процессы, протекающие в различных материалах.
Отличительная особенность воздействия фемтосекундных лазерных импульсов состоит в том, что длительность импульса является меньше характерных времён релаксационных процессов. Это позволяет создавать в течение действия импульса в поверхностном слое полупроводников электрон-дырочную плазму с концентрацией носителей выше 1022см'3 (более 10% валентных электронов находятся в возбужденном состоянии в зоне проводимости).
Исследования процессов образования и релаксации электрон-дырочной плазмы высокой плотности в полупроводниках, фазовых превращений и связанных с ними явлений, возникающих при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов, имеют фундаментальное значение и являются чрезвычайно актуальными в настоящее время. Результаты подобных исследований дают новую информацию о физических процессах, которая позволяет управлять структурными превращениями вещества, получать новые материалы с необычными свойствами и служит основой для разработки новейших лазерных фемтосекундных технологий.

В этом случае распределение поглощенной энергии накачки вдоль кристалла становится значительно равномернее и неоднородность составляет около 30%, что показывает кривая 3 на рис.2.4.5. Соответствующая зависимость коэффициента усиления от плотности энергии накачки на один проход показана на рис.2.4.6 (кривая 1).
0,8
0,6 а о,4
0,2
0 12
Плотность энергии накачки, Дж/см^
Рис.2.4.6. Усиление кристалла в первом многопроходном усилителе при различных схемах накачки (1-накачка с двух сторон кристалла, 2- накачка с одной стороны)
Как видно, такая схема накачки позволяет увеличить коэффициент усиления в 1,3 раза по сравнению со схемой накачки с одной стороны. Общее усиление после шести проходов увеличилось с 15 до 22, а выходная энергия с 4,5мДж до 6,7мДж. Так как суммарная поглощенная энергия накачки увеличилась, то для получения плотности энергии 3+3,5 Дж/см2 энергия с каждой стороны кристалла была меньше, чем в случае накачки с одной стороны. В связи с этим эффективность преобразования излучения накачки в излучение на длине волны генерации форстерита не изменилась и составила около 6%. Благодаря накачке с двух сторон удалось создать больший объем активной среды с высокой инверсией населенности и как следствие получить большую энергию на выходе усилителя.
Для получения энергии около 100 мДж необходимо усилить импульс приблизительно в 15 раз. Это было достигнуто при использовании