Спектроскопия второй и третьей оптических гармоник кремниевых наноструктур, фотонных кристаллов и микрорезонаторов

• Автор: Федянин, Андрей Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 318 с. : ил.

Оглавление

Оглавление

Введение. Дели и задачи диссертационной работы

Глава I
Общие вопросы нелинейной оптики поверхностей центросимметричных полупроводников и полупроводниковых микроструктур

1. Феноменологическое описание генерации оптических гармоник

1.1. Нелинейно-оптическая поляризация: метод описания

1.2. Неоднородное волновое уравнение и связанные уравнения в нелинейной среде

1.3. Формализм функций Грина для описания нелинейно-оптического отклика полупроводников: генерация второй гармоники в по-лубесконечной среде

1.4. Трёхслойная среда: генерация оптических гармоник в тонких пленках

1.5. Генерация оптических гармоник на поверхности и границах раздела цеитросимметричных полупроводников
2. Методы описания резонансных особенностей в спектре оптических восприимчивостей твёрдого тела и спектроскопия интенсивности второй гармоники полупроводников
2.1. Комбинированная плотность состояний и оптические восприимчивости полупроводников
2.2. Критические точки комбинированной плотности состояний и
их классификация
2.3. Спектроскопия интенсивности второй гармоники поверхности кремния
3. Генерация анизотропных оптических гармоник на поверхности полупроводников
3.1. Нелинейные восприимчивости и их связь с симметрией кристалла
3.2. Анизотропия оптических гармоник и её связь с симметрией кристалла
3.3. Генерация второй гармоники на слабоскогаенных и реконструированных поверхностях полупроводников
Оглавление

4. Фазовые измерения при генерации оптических гармоник
4.1. Метод однолучевой интерферометрии оптических гармоник
4.2. Исследование свойств поверхности и тонких пленок методом однолучевой интерферометрии оптических гармоник
5. Генерация электроиндуцированпых оптических гармоник на поверхностях и границах раздела полупроводников
5.1. Феноменологическое описание генерации электроиндуциро-ванной второй гармоники на поверхности полупроводников и границах раздела
5.2. Генерация токоиндуцированной второй гармоники на поверхности полупроводников
6. Экспериментальные методики и установки для нелинейно-оптической спектроскопии поверхности полупроводников и полупроводниковых нано- и микроструктур
6.1. Экспериментальные установки для спектроскопии оптических гармоник с использованием параметрического генератора света
6.1.1. Установка для спектроскопии коэффициента отражения
6.1.2. Установка для спектроскопии интенсивности второй и третьей гармоник
6.1.3. Установка для измерения угловой зависимости интенсивности второй и третьей гармоник
6.2. Экспериментальная установка для спектроскопии оптических гармоник с использованием фемтосекундного титан-сапфирового лазера
Глава II
Квадратичные и кубичные нелинейно-оптические явления на поверхности кремния и границах раздела кремний- диоксид кремния
1. Обзор линейных и нелинейно-оптических свойств границ раздела Эь вЮа
1.1. Линейная спектроскопия поверхности кремния и ес связь с зонной структурой кремния
1.2. Спектроскопия второй оптической гармоники поверхности кремния и границы раздела ЭГвЮг
1.3. Спектроскопия третьей оптической гармоники поверхности кремния и границы раздела Зн-ЭЮг
Оглавление
2. Генерация анизотропных второй и третьей оптических гармоник на поверхности кремния и границах раздела кремний- диоксид кремния
2.1. Спектроскопия анизотропной второй гармоники на поверхности кремния в окрестности критических точек Е2 и E'o/Ei зонной структуры объема кремния
2.2. Спектроскопия анизотропной третьей гармоники в окрестности критической точки Е2
2.3. Усиление генерации оптических гармоник в окрестности резонансов прямых переходов: интерпретация результатов и проблема формы линии нелинейных восприимчивостей
3. Фазовая спектроскопия второй и третьей оптических гармоник поверхности кремния
3.1. Основные особенности методики интерферометрической спектроскопии второй гармоники
3.2. Комбинированная спектроскопия фазы и интенсивности второй гармоники второй гармоники поверхности кремния (111)
и германия (111)
3.3. Комбинированная аппроксимация спектров интенсивности и фазы второй гармоники методом Монте-Карло
4. Генерация электроиндуцированной второй оптической гармоники на границе раздела кремний - диоксид кремния
4.1. Интерферометрия электроиндуцированной второй гармоники границы раздела Si-Si02 в планарной структуре Si-SiC-Cr
4.2. Электроиндуцированная вторая гармоника как эффект внутреннего гомодинирования при генерации второй гармоники на поверхности кремния
5. Генерация токоиндуцированной второй гармоники па поверхности кремния
5.1. Генерация токоиндуцированной второй гармоники: постановка проблемы
5.2. Интерферометрия токоиндуцировапной второй гармоники и зависимость интенсивности токоиндуцированной второй гармоники от плотности тока
5.3. Спектроскопия интенсивности токоиндуцированной второй гармоники
Общие вопросы нелинейной оптики поверхностей цептросимметрич.

к интегрированию по поверхностям постоянной энергии [7,8]. Обозначим через dS элемент площади на поверхности постоянной энергии, а через rj - координату (в пространстве квазиимпульсов) постоянную на этой поверхности. Тогда получим: dp = duj/'/4E|, 2 Г dS
(2тгН)3 J |V,Я| д=/ш- (65)
Используя свойства -функции можно преобразовать (65) к виду, который обычно используют в качестве определения комбинированной плотности состояний:
P(u) = J SEc ~ ~ 6iuj)dq. (66)
Действительную и мнимую части восприимчивости можно разделить, если воспользоваться соотношением:
Г F{x) / F(x
J х + ip
т)->+О
— ш6(х). (67)
Тогда мнимая часть восприимчивости будет пропорциональна р с точностью до слабо зависящего от частоты множителя. Действительная часть может быть найдена с помощью соотношений Крамерса-Кронига.
2.2. Критические точки комбинированной плотности состояний и их классификация
Основной вклад в линейные и нелинейные восприимчивости при разрешённых прямых междузонных переходах вносят точки зоны Бриллюэна, в которых комбинированная плотность состояний имеет особенность, т. е. знаменатель в выражении (65) обращается в ноль. Точки зонной структуры полупроводника, в которых |V9i?| = 0 называют критическими точками или сингулярностями Ван-Хова [7]. Такая особенность реализуется в точках, где зоны параллельны. Она всегда появляется, если есть экстремум в одной из зон, но обязательным это условие не является. В окрестности критической точки q = q0 разностный закон дисперсии E(q) можно разложить по степеням q. В этом случае (65) легко интегрируется. В системе координат, связанной с главными осями тензора эффективной массы с точностью до квадратичных членов можно записать:
ВД=Я(Оо')+ £ 2-. (68)
a—x,y,z а
В зависимости от знаков эффективных масс та различают следующие типы критических точек. В трёхмерном случае: