Динамика нелинейных процессов и усиление излучения в системе когерентных экситонов и биэкситонов в полупроводниках

• Автор: Марков, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 137 с. : ил.

Содержание
Введение
Г лава 1. Обзор литературы
1.1 Резонансная нелинейная оптика топких пленок
1.1.1 Модель тонкой пленки
1.2 Оптическая нутация
1.3 Механизмы генерации и усиления ТГц-излучения
Глава 2. Пропускание ультракоротких фазово-модулированных импульсов лазерного излучения тонкой плёнкой полупроводника в экситонной области спектра
2.1 Постановка задачи. Основные уравнения
2.2 Стационарный режим
2.3 Нестационарный режим
2.4 Нестационарный режим пропускания фазово-модулированного импульса
Глава 3. Нелинейное пропускание ультракоротких импульсов лазерного излучения тонкой пленкой полупроводника в условиях двухфотонного двух импульсного возбуждения биэкситонов
3.1 Постановка задачи. Основные уравнения
3.2 Пропускание двух прямоугольных импульсов
3.3 Пропускание прямоугольного и гауссовского импульсов
3.4. Пропускание двух гауссовских импульсов
Глава 4. Явление оптической нутации в системе экситонов и биэкситонов
большой плотности
4.1 Постановка задачи. Основные уравнения
4.2 Аналитические решения
4.3 Приближение заданного поля
Глава 5. Новые механизмы усиления лазерного излучения
5.1 Усиление в области М-полосы люминесценции при двухфотонной накачке биэкситонного уровня
5.2 Усиление ТГц-излучення при накачке экситонного уровня
Заключение
Литература
Введение
В 1931 г. Я.И. Френкель высказал и обосновал идею о существовании квазичастиц, переносящих энергию, но не переносящих заряд [1]. Эта электронейтральная водородоподобная частица, состоящая из электрона и дырки, получила название экситон (от английского excite - возбуждать). Её существование, по замыслу автора, позволяло примирить существование фотоэффекта в ряде широкозонных диэлектрических кристаллов с отсутствием электрического тока. Но, возникнув как средство для объяснения весьма частной проблемы, концепция экситонов сыграла затем столь существенную роль в современной физике конденсированного состояния материи, и оказалась применимой к столь широкому кругу явлений, что ее значение и в настоящее время невозможно переоценить. Свои первые работы Яков Ильич посвятил изучению экситонов в молекулярных кристаллах, радиус которых меньше постоянной решетки [2]. Представление о другом предельном случае - экситоне с радиусом намного большим постоянной кристаллической решетки основано на работах Ванье и Мотта [3, 4]. Такой «мегаэкситон» характерен для полупроводниковых кристаллов.
Экспериментально водородоподобная экситонная серия впервые была обнаружена Евгением Федоровичем Гроссом в 1951 г. при исследовании образцов закиси меди Си20 [5] . Дальнейшие исследования Е.Ф. Г росса и Б.П. Захарчени были направлены на изучение изменений спектра под действием внешнего поля. Наблюдались эффект Штарка [6], возникающий в электрическом поле, и эффект Зеемана [7] - в магнитном. Полученные успехи благоприятствовали исследованию экситонов в полупроводниковых кристаллах, которые продолжаются и по сей день.
Подобие экситона атому водорода позволило сделать предположение о существовании аналога молекулы водорода — экситонной молекулы. Экситонная молекула была названа биэкситоном, и на возможность ее устойчивого существования указали одновременно и независимо Москаленко [8] и Ламперт [9].

слагаемое В~ В исчезает и уравнение (2.18) становится линейным, для которого хорошо известно аналитическое решение. Этот результат интересен тем, что он указывает на принципиальную возможность фазового управления эволюцией экситонной системы в ТПП путем выбора величины параметра чирпинга о. . Самосогласованный чирпинг падающего импульса постоянно «отслеживает» концентрационное смещение экситонного уровня благодаря упругому экситон-экситонному взаимодействию и своей фазой (переменной частотой П = у/) точно компенсирует это смещение. Из (2.18) видно, что при а = 1 смещения частот из-за экситон-экситонного взаимодействия и чирпинга равны по величине и направлены в противоположные стороны и в каждый момент времени компенсируют друг друга. Отсюда можно сделать вывод, что при а = 1 нелинейно-оптические явления, обусловленные упругим экситон-экситонным взаимодействием, наблюдаться не будут. Таким образом, при больших уровнях возбуждения ТПП, когда экситон-экситонное взаимодействие должно было бы приводить к существенной нелинейности процесса взаимодействия света с экситонами и когда возможны были бы эффекты оптической бистабильности, самоотражения и др., оказывается, что система экситонов под действием мощного импульса с самосогласованным чирпингом становится физически линейной системой.
Если 0 < а < 1, то имеет место только частичная компенсация обоих смещений, что эффективно воспринимается как ослабление экситон-экситонного взаимодействия. В этом случае сохраняется возможность проявления различных нелинейно-оптических эффектов, обусловленных упругим экситон-экситонным взаимодействием.
Интересным является случай а > 1. Это соответствует такой самосогласованной перенормировке энергетического спектра, при которой эффективная константа упругого экситон-экситонного взаимодействия V * оказывается отрицательной. Это означает, что смещение экситонного уровня вниз из-за чирпинга больше его смещения вверх из-за экситон-экситонного взаимодействия. Отметим, что отрицательная константа экситон-экситонного взаимодействия соответствует притяжению между экситонами.