Динамическая самоорганизация системы квазидвумерных экситонных поляритонов в условиях резонансного фотовозбуждения

• Автор: Гаврилов, Сергей Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Черноголовка
• Количество страниц: 107 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Обзор литературы
1.1 Экситонные поляритоны
1.1.1 Экситонные состояния в полупроводниковых средах
1.1.2 Экситон-фотонное взаимодействие
1.1.3 Экситонные поляритоны в планарном микрорезонаторе
1.2 Стимулированное поляритон-поляритонное рассеяние
1.2.1 Экситон-экситонное взаимодействие
1.2.2 Стимулированное поляритон-поляритонное рассеяние в приближении среднего поля. Оптический параметрический осциллятор
2 Анализ устойчивости возбуждаемой поляритонной моды
2.1 Квазиклассическая модель системы экситонных и фотонных состояний
в активном слое планарного резонатора
2.2 Сдвиг резонансной энергии и бистабильность отклика возбуждаемой моды поля в активном слое
2.3 Перенормировка спектра поляритона. Анализ устойчивости относительно рассеяния
2.4 Взаимовлияние бистабильности и параметрической неустойчивости.
Жесткое возбуждение поляритон-поляритонного рассеяния
2.5 Выводы и общие замечания о результатах второй главы
3 Динамическая самоорганизация системы взаимодействующих поля-
ритонов
3.1 Численный анализ эволюции системы поляритонов (общие замечания)
3.2 Эволюция после прохождения порога неустойчивости: формирование
сигнала рассеяния (к3 и 0)
3.3 Коллективные эффекты рассеяния
3.4 Пороговая трансформация распределения сигнала рассеяния: результа-
ты эксперимента. Гистерезис сигнала в зависимостях от внешней накачки и амплитуды возбуждаемой поляритонной моды
3.5 Выводы и общие замечания о результатах третьей главы
4 Стимулированное рассеяние в условиях взаимодействия оптических
(сг*) компонент поля экситонной поляризации
4.1 Квазиклассическая модель экситон-фотонной системы в микрорезонаторе, учитывающая оптическую поляризацию

4.2 Мультистабильность отклика возбуждаемой моды поля в активном слое
4.3 Стимулированное рассеяние в общем случае произвольно поляризованной накачки. Эффект инверсии линейной поляризации
4.4 Выводы и общие замечания о результатах четвертой главы
Заключение
Список публикаций
Литература

Введение
Физические закономерности взаимодействия света и вещества рассматривались на протяжении всей истории естествознания. Однако бурное развитие микро- и нанотехнологии в конце XX века позволило контролируемым образом создавать объекты с размерами меньше длины волны света, что обнаружило новые аспекты этой проблемы. Были открыты квазичастицы (элементарные возбуждения), представляющие собой связанные состояния света и вещества. Один из самых интересных примеров такого рода — квазндвумерные экситонные поляритоны, возникающие в активном слое планарного полупроводникового микрорезонатора за счет сильной связи экеито-на (электрон-дырочной пары) и резонаторной фотонной моды [1].
Квазндвумерные поляритоны характеризуются чрезвычайно малой эффективной массой (10-4 -г 1(Г5 массы электрона в вакууме) и обладают уникальной дисперсией Еы>(к), имеющей точку перегиба в области световых квазиимпульсов (индекс ЪР’ указывает нижнюю ветвь поляритонной дисперсии, совпадающую с дисперсией экси-тона при больших к). Система поляритонов в микрорезонаторе обнаруживает свойства слабонеидеального квазидвумерного бозе-газа; обменное взаимодействие электронов, составляющих экситонные состояния (композитные бозоны), приводит к поляритон-поляритонному рассеянию. Представляя характерный пример открытой диссипативной системы с нелинейным взаимодействием, система квазидвумерных поляритонов обнаруживает примечательные коллективные свойства, теоретическому исследованию которых и посвящена данная диссертация.
Актуальность темы. Ключевой эффект, анализу которого будет уделено большое
внимание, наблюдается экспериментально в условиях резонансного оптического возбуждения системы квазидвумерных поляритонов. В 2000 г. было обнаружено, что возбуждение в окрестности точки перегиба дисперсии Ер(к) с положительной расстройкой энергии относительно резонанса [Ер > Еьр(кр)] приводит к пороговому усилению моды к ~ 0, в результате чего появляется гигантский сигнал люминесценции резонатора в направлении нормали к поверхности [2, 3]. Последующие эксперименты показали, что с увеличением плотности накачки на несколько процентов (вблизи порога) сигнал в направлении sin0 = hck/Ep w 0 относительно нормали возрастает на несколько порядков [4, 5, 6].
Начиная со времени первых экспериментов, о которых сказано выше, процессы перераспределения возбуждения в системе поляритонов вызывают неослабевающий интерес. В теоретических работах была предложена модель параметрического рассеяния фотовозбужденных поляритонов из состояния (кр,Ер) в состояния (ks,Es) и (к;,£)), получившие названия “сигнала” и “холостого сигнала” (англ. “idler”), соответственно, с сохранением энергии и планарного квазиимпульса: ks + kj = 2kp, Es + E = 2Ep. В том случае, когда накачка фиксирована в окрестности точки перегиба дисперсии

(b) Increment Г
-0.1

(upper) |2_
0 0.1 0.2 0
Pump intensity (arb. units)

kx (fim-1)
Рис. 7. (а) Функция стационарного отклика возбуждаемой моды (зависимость Р|Ро|2 от То) для |кр| = крх — 1.8 мкм-1 и О — Ер — Ие£ЬР(кр) = 0.48мэВ. Значения У|Р'1О*0Г)|2 и У|Р<иррег) |2, отвечающие скачку поля в точке потери устойчивости одномодового решения, отмечены квадратами. (Ь) Зависимость инкремента нарастания Г произвольной гармоники поля на оси ку = 0 от кх и квадрата амплитуды экситонной поляризации раскачиваемой моды, Г = Г(кх, |'Ро|2)|ц=0- Показанные контуры соответствуют диапазону значений Г от —0.1 до 0.14 мэВ с шагом 0.01 мэВ; черной линией отмечен контур нулевого инкремента, определяющий границу области неустойчивости. Вертикальные оси панелей (а) и (6) совпадают.