Эффекты перестройки электронного зонного спектра при возбуждении прозрачных твердотельных материалов лазерным излучением предпробойной интенсивности

• Автор: Бондарев, Михаил Александрович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 118 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ГЛАВА 1. ДВОЙНОЙ ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС И МНОГОФОТОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ В НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
1.1. Работы по оптическому эффекту Штарка
1.2. Многофотонное поглощение. Теория возмущений
1.3. Многофотонное поглощение: квазиклассический подход
1.4. Многофотонные межзонные переходы. Метод Э-преобразования гамильтониана
1.5. Первые работы, посвященные роли критических точек в нелинейном
поглощении света
ГЛАВА 2. НЕЛИНЕЙНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА В КРИСТАЛЛАХ ПРИ МНОГОФОТОННО-ДВУХФОТОННЫХ И МНОГОФОТОННООДНОФОТОННЫХ РЕЗОНАНСАХ. ОБЩИЕ СООТНОШЕНИЯ
2.1. Обсуждение используемых приближений
2.2. Гамильтониан электрон-фотонной системы
2.3. Двойной многофотонно-однофотонный резонанс. Диагонализация гамильтониана электрон-фотонной системы
2.4. Двойной многофотонно-двухфотонный резонанс. Диагонализация
гамильтониана электрон-фотонной системы
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
ГЛАВА 3. ВЕРОЯТНОСТИ ПЕРЕХОДОВ И КРИТИЧЕСКИЕ ТОЧКИ ПЕРЕСТРОЕННОГО ЗОННОГО СПЕКТРА В ПОЛЕ СИЛЬНОЙ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ В УСЛОВИЯХ ДВОЙНЫХ РЕЗОНАНСОВ ТИПА 3+

3.1. Выражение для вероятностей трехфотонной генерации электроннодырочных пар при двойном трехфотонно-однофотонном резонансе на смежных межзонных переходах
3.2 Зависимости скорости генерации электронно-дырочных пар от интенсивности излучения в области критических точек перестроенного
спектра
3.3. Вероятности четырехфотонной генерации электронно-дырочных пар при двойном четырехфотонно-однофотонном резонансе на смежных межзонных
переходах
3.4 Зависимости скорости четырехфотонной генерации электроннодырочных пар от интенсивности света в области критических точек
перестроенного спектра
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
ГЛАВА 4. ВЕРОЯТНОСТИ ПЕРЕХОДОВ И КРИТИЧЕСКИЕ ТОЧКИ ПЕРЕСТРОЕННОГО ЗОННОГО СПЕКТРА В ПОЛЕ СИЛЬНОЙ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ В УСЛОВИЯХ ДВОЙНЫХ РЕЗОНАНСОВ ТИПА 4+2 И 5+
4.1. Выражение для вероятности четырехфотонной генерации электроннодырочных пар при четырехфотонно-двухфотонном резонансе
4.2. Зависимости скорости генерации в области критических точек перестроенного спектра
4.3. Выражение для вероятности пятифотонно-двухфотонных переходов
4.4. Зависимости скорости генерации электронно-дырочных пар от интенсивности света в области критических точек перестроенного зонного спектра
4.5. Материалы, где могут иметь место многофотонно-однофотонные или
многофотонно-двухфотонные резонансы
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы диссертации
Задача о возбуждении прозрачных твердых тел мощным лазерным излучением стала актуальной почти сразу после появления лазеров, и уже в первой половине 60-х годов появилось большое число работ, посвященных эффектам много фотонного поглощения, ударной ионизации и лавинной генерации неравновесных электронно-дырочных пар. В терминах этих эффектов были даны общепринятые в течение длительного времени интерпретации процессов, которые происходят в прозрачных диэлектриках и полупроводниках при высоких уровнях оптического возбуждения. Вместе с тем, в последующие десятилетия стало очевидным, что физическая картина процессов, возникающих при возбуждении прозрачных твердых тел мощным лазерным излучением, гораздо более богата и многообразна, чем это представлялось на начальном этапе исследований. Выяснилось, в частности, что весьма важная роль может принадлежать эффектам, связанным с перестройкой электронного зонного спектра кристалла в поле сильной электромагнитной волны. Исследованию этих эффектов, которые наиболее актуальны в условиях, когда реализуется двойной оптический резонанс на смежных межзонных переходах, как раз и посвящена настоящая диссертационная работа. Точнее, мы исследуем генерацию неравновесных электронно-дырочных пар в прозрачных широкозонных диэлектриках или полупроводниках, когда в одной и той же области зоны Бриллюэна в к-пространстве имеет место «-фотонный резонанс между верхней валентной зоной и нижней зоной проводимости, а также одно- или двухфотонный резонанс между двумя зонами проводимости. В этом случае, как будет показано в работе, эффекты перестройки электронного зонного спектра могут проявляться особенно ярко.
Актуальность рассматриваемых в диссертации задач связана с необходимостью детального понимания причин и механизмов оптического пробоя чистых прозрачных материалов. В частности, речь идет о понимании

Я = Я° + Ят‘, (2-5)

Н°=Н°+Н°р11. (2-6)
В пренебрежении электрон-фононным взаимодействием, взаимодействием между электронными возбуждениями и кулоновским притяжением электронов и дырок гамильтониан электронной подсистемы записывается в виде:

где £,(к) - блоховская энергия /-й зоны, %*к, £|к - операторы рождения и уничтожения для состояний с волновым вектором к в г-й зоне, которые заменяются электронными а^к, ахк или дырочными Ь, Ь1к операторами,
когда индекс г пробегает значения, соответствующие зонам проводимости либо валентным зонам. Предполагается, что в отсутствие лазерного света электронная подсистема находится в основном состоянии |0) (вакуум электронно-дырочных пар).
Гамильтониан свободной фотонной подсистемы имеет вид:
^=ЕЧ4+Ая. (2.8)

где с+кЛ, скЛ - операторы рождения и уничтожения фотонов с волновым вектором к и поляризацией X, сок - собственные частоты фотонной подсистемы.
Оператор электрон-фотонного взаимодействия Я'"1 выглядит следующим образом: