Особенности взаимодействия сверхкоротких импульсов лазерного излучения с размерноограниченными полупроводниковыми структурами

• Автор: Коровай, Александр Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Тирасполь
• Количество страниц: 128 с. : ил

Содержание
Введение

1. Нелинейные оптические процессы в резонансных средах. Обзор литературы

1.1 Нелинейные оптические процессы в протяженных средах

1.1.1 Прохождение ультракоротких импульсов

1.1.2 Оптическая бистабильность

1.2 Резонансная нелинейная оптика тонких пленок

1.2.1 Тонкая пленка двухуровневых атомов

1.2.2 Модель тонкой пленки

1.3 Применение метода ритр-ргоЬе при исследовании

оптических свойств полупроводников

2. Пропускание ультракоротких импульсов тонкой пленкой полупроводника при учете двухфотонного возбуждения биэкситонов из основного состояния кристалла и процесса экситон-биэкситонной конверсии
2.1 Постановка задачи. Основные уравнения
2.2 Пропускание 3 -образного и ступенчатого импульсов
2.3 Пропускание гауссовского и прямоугольного импульсов
2.4 Пропускание двух разнесенных гауссовских импульсов
2.5 Пропускание прямоугольного и гауссовского импульсов

3. Роль экситон-фотонного взаимодействия в пропускании тонкой пленкой полупроводника ультракоротких импульсов резонансного лазерного излучения
3.1 Постановка задачи. Основные уравнения 5
3.2 Особенности квазистационарного режима
пропускания (отражения)
3.3 Пропускание прямоугольных импульсов
3.4 Пропускание гауссовского и прямоугольного импульсов
3.5 Пропускание двух разнесенных во времени
гауссовских импульсов
3.6 Пропускание разнесенных во времени
прямоугольного и гауссовского импульсов
3.7 Влияние задержки между импульсами на их пропускание
4. Безрезонаторная оптическая бистабильность
4.1 Постановка задачи. Основные уравнения
4.2 Обсуждение результатов
5. Метод ритр-ргоЬе при исследовании оптических параметров полупроводника при больших уровнях возбуждения
5.1 Постановка задачи и основные уравнения
5.2 Обсуждение результатов
5.3 Случай обратной накачки
Заключение
Литература

Введение
Потребности развития интегральной оптики, поиск новых эффектов с целью создания оптических систем обработки, хранения и передачи информации, традиционные задачи спектроскопии поверхности стимулируют разносторонние исследования оптических явлений, связанных с прохождением электромагнитного излучения через тонкий слой резонансной среды. В последние годы растет число работ, посвященных изучению нелинейного взаимодействия света с тонкой пленкой примесных атомов. В рамках модели тонкой пленки, толщина которой значительно меньше длины волны возбуждающего излучения, такие нелинейные явления, как самоиндуцированная прозрачность, оптическая бистабильность и др., допускают простое аналитическое описание и в то же время приобретают новые черты, расширяющие возможности их практического использования. Так как полупроводники обладают разнообразными механизмами нелинейности, малыми временами релаксации и большими значениями оптических нелинейностей, то следует ожидать более яркого проявления указанных эффектов именно в полупроводниковых тонких пленках.
Благодаря успехам технологии в последние годы стало возможным создание тонкопленочных структур практически из любого полупроводникового материала и любой толщины. Элементарными возбуждениями в таких размерно-ограниченных структурах являются экситоны и биэкситоны, определяющие, в конечном итоге, нелинейно-оптические свойства среды. Поэтому представляется актуальным исследование закономерностей пропускания и отражения когерентного лазерного излучения тонкой полупроводниковой пленкой (ТПП) при учете оптических процессов с участием экситонов и би-экситонов. Кроме того, квантовые переходы с участием биэкситонов харак-

ровке энергетического спектра полупроводника и существенному влиянию обоих импульсов на прохождение друг друга через ТПП. Поэтому задача состоит в определении формы прошедших (отраженных) импульсов при заданных формах огибающих падающих импульсов на обеих частотах.
Рассматривается только одна макрозаполненная мода когерентных эк-ситонов, биэкситонов и фотонов, которая характеризуется определенным волновым вектором. В силу этого, далее введены амплитуды и фазы соответствующих величин, которые являются одинаковыми для всех эксито-нов, биэкситонов либо фотонов в отдельности.
Гамильтониан задачи состоит из суммы гамильтонианов свободных экситонов, биэкситонов и поля и гамильтониана взаимодействия экситонов и биэкситонов с полями обоих импульсов, который имеет вид:
нш =-Гт(аЬЕ2 + Ь+аЕ^)~П/л{р+Е^Е^ + ЬЕ{Е[), (2.1)
где Е2 [е^— положительно (отрицательно)— частотная компонента поля импульса с частотой фотонов юг, Г,4 [е^ )- положительно (отрицательно)-частотная компонента поля импульса с частотой фотонов щ, а{Ъ)- амплитуда экситонной (биэкситонной) волны поляризации, сг- константа оптической экситон-биэкситонной конверсии [11,16,28,108,109], // - константа двухфотонного возбуждения биэкситонов [11,16,28,109]. Так как энергия связи биэкситона в кристалле СиС1 достаточно велика (-30-40 теу), то фотоны с частотами <щ и со2 не могут возбуждать экситоны из основного состояния кристалла в силу большой расстройки резонанса. По этой причине в гамильтониане (2.1) учтены только два актуальных квантовых перехода, как и в [105].
Используя (2.1), легко получить гайзенберговские (материальные) уравнения, описывающие временную эволюцию амплитуд экситонной и биэкситонной волн поляризации среды. В условиях точного резонанса, когда 2о) = Е20 и со2 = сом = Е>(] - со{), они имеют вид
ш = —аЬЕ2 , (2.2)