Собственное стимулированное пикосекундное излучение и возбуждаемые им оптоэлектронные нелинейные пикосекундные эффекты в GaAs

Собственное стимулированное пикосекундное излучение и возбуждаемые им оптоэлектронные нелинейные пикосекундные эффекты в GaAs

Приведенное выше заглавие представляет предмет многолетних исследований, проводящихся в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Часть из них осуществлялась в соавторстве с учеными ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН В.И. Перелем и др., НЦЛИ ВГУ, КНТУ им. К.И. Сатпаева. Эксперименты выполнялись при комнатной температуре. Изучались процессы, происходившие в тонком (~1 мкм) слое GaAs, накачиваемом мощным пикосекундным импульсом света. Обнаруженные физические явления перечислены в разделах I-IV. В разделе V охарактеризован лазерный пикосекундный спектрофотохронометрический комплекс, на котором выполнялись исследования. В разделе VI приводится список основных  публикаций. В конце даются e-mail - адреса и номер телефона нынешних сотрудников ИРЭ, выполнявших исследования.

     I.          Интенсивное собственное стимулированное пикосекундное излучение GaAs (далее называемое s-излучение).

  1. Обратимое пикосекундное изменение спектра просветления (увеличения прозрачности) GaAs и, соответственно, плотности электронно-дырочной плазмы (ЭДП) – признак возникновения во время пикосекундной накачки стимулированного излучения пикосекундной длительности [1,2] [*],▲,●.

  2. Аномальное (пикосекундное) пороговое излучение GaAs; его спектр; энергия его спектральных компонент в функции от энергии моноимпульсной накачки и задержки между двумя импульсами накачки [3*,▲,●].

  3. Область усиления света в спектре фундаментального поглощения света в фотонакаченном GaAs [4*,▲,●,5]. Порог возникновения [3*,,] и анизотропия s-излучения [6°].

  4. Пикосекундные "разгорание" [4*,▲,●,7] и экспоненциальная релаксация s-излучения, определяемая охлаждением ЭДП [7,8]. Субгигаваттная интенсивность s-излучения [9°].

  5. Замедление пикосекундной стимулированной излучательной рекомбинации носителей заряда при увеличении диаметра фотонакачиваемой области [8].

  6. Спектр s-излучения с характерной для стимулированного излучения зависимостью от диаметра активной области и от энергии пикосекундного импульса накачки [10].

  7. «Универсальная» зависимость длинноволновой границы спектра s-излучения от плотности энергии s-излучения, обусловленная перенормировкой ширины запрещенной зоны из-за кулоновского взаимодействия носителей заряда (ПЗЗК) [11].

  8. Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) s-излучения и пикосекундной накачки, происходящее с участием оптических плазмонов [11,12]. Это доказывает активность s-излучения по отношению к ВКР.

  9. Нелинейная динамика длинноволнового края спектра s-излучения [13].

  10. Осциллирующая зависимость момента начала разгорания s-излучения от энергии его фотона [14].

  11. Бистабильная автомодуляция спектра s-излучения – новая модификация эффекта конкуренции и переключения спектральных мод (КПСМ) [14].

  12. Взаимосогласованная автомодуляция характеристик s-излучения, выходящего из торца образца [15°].

  II.          Пороговое состояние электронно-дырочной плазмы (ЭДП), поддерживаемое s-излучением.

  1. Универсальное остаточное просветление GaAs и пороговое состояние ЭДП по окончании s-излучения [3,4]*,▲,●.

  2. надпороговое состояние ЭДП во время s-излучения [4*,▲,●,5].

  3. Взаимосвязь между плотностью ЭДП и её температурой при  надпороговом и пороговом состоянии [2*,▲,●,11,16*,▲,●].

  4. обратимое пикосекундное изменение плотности и температуры ЭДП [2*,▲,●] и просветления GaAs [1*,▲,●].

  5. Аномальная зависимость обратимого порогового пикосекундного просветления GaAs от энергии фотона накачки. Влияние предварительного просветления GaAs на обратимое пикосекундное изменение его прозрачности [17▲,●].

  6. Определение только единственным параметром – плотностью ЭДП: (а) распределения электронов между долинами, (б) сужения запрещенной зоны из-за кулоновского взаимодействия носителей заряда в Γ-долине, (в) энергии оптического плазмона [11].

III.          Пикосекундное обеднение заселенностей энергетических уровней неравновесными электронами, создаваемое s-излучением.

  1. LO-фононные осцилляции в спектре фундаментального поглощения света в GaAs, отображающие трансляцию в зоне проводимости обеднения заселенностей, созданного s-излучением на дне зоны [18°].

  2. "LO-фононная корреляция" между спектром s-излучения и автомодуляцией спектра поглощения света в GaAs [6°].

  3. Подобие автомодуляции спектров s-излучения и поглощения света [14].

  4. Усиление энергетического транспорта электронов с излучением LO-фононов, приводящее к модуляции зависимости просветления (соответственно и плотности ЭДП) от энергии фотона накачки ħωех [19]. Для образования такой модуляции существенно и надпороговое состояние ЭДП.

  5. Влияние энергетического транспорта электронов путем излучения LO-фононов на амплитуду, ширину и длинноволновый край спектра s-излучения, включая образование модуляции зависимости указанных параметров спектра от энергии ħωех [19,20]. При этом модуляция длинноволнового края спектра s-излучения отображает модуляцию ширины запрещенной зоны из-за взаимодействия электронов с LO-фононами, плотность которых осциллирует с ħωех.

  6. Предельное значение ширины спектра s-излучения в высококачественном кристалле при изменении энергии фотона накачки [20].

IV.          Пикосекундные осцилляции обеднений заселенностей энергетических уровней  неравновесными электронами, возникающие в поле s-излучения и создающие модуляцию s-излучения. Автосинхронизация осцилляций. (Несколько подробнее об этом сказано сразу далее, а потом приводится перечень полученных подтверждений этого представления.)

В нижней части зоны проводимости интенсивно накаченного тонкого слоя GaAs распределение электронов является не фермиевским, а осциллирующим. Осциллируют обеднения инверсных заселенностей энергетических уровней, "выжигаемые" спектральными модами мощного собственного стимулированного излучения GaAs. Частоту осцилляций определяет, в соответствии с теорией возмущений, интенсивность излучения. Осцилляции синхронизуются так, чтобы их амплитудо-фазо-частотная характеристика "обеспечивала" детальное равновесие переходов электронов между их состояниями. Эти переходы являются составной частью ВКР спектральных мод излучения. Поскольку процессы ВКР должны коррелироваться для упоминавшегося детального равновесия, то вместе их можно отнести к категории мультиволнового смешения в нелинейной оптике. Описанные выше осцилляции заселенностей естественно приводят к модуляции s-излучения. Те же осцилляции заселенностей транслируются вверх по зоне проводимости для детального равновесия при электрон-LO-фононном взаимодействии (ЭФВ), приводя к автомодуляции фундаментального поглощения света в GaAs. То, насколько высоко распространяется трансляция, зависит от степени экранирования ЭФВ носителями заряда, т.е. от плотности последних.

  1. Взаимосогласованная автомодуляция характеристик s-излучения, указанная подробнее в пункте 11 раздела I.

  2. Автомодуляция спектра поглощения зондирующего пикосекундного импульса света [21°], периодическая в спектре [22°], во времени [23°], а также при изменении энергии накачки [24].

  3. Экспериментальная амплитудо-фазо-частотная характеристика автомодуляции поглощения [25°].

  4. Адаптированное аналитическое выражение теории возмущений, удовлетворительно описывающее экспериментальную зависимость частоты автоколебаний обеднения заселенности от интенсивности s-излучения [9°].

  5. Осцилляции поглощения зондирующего (р) пикосекундного импульса света с фиксированной энергией фотона, вызванные взаимодействием р-импульса с s-излучением [26].

  6. Автосинхронизация модуляций заселенности энергетических уровней электронами, создаваемых: (а) пикосекундным зондирующим импульсом света и спектральной компонентой s-излучения, (б) различными спектральными компонентами s-излучения [27].

  7. Переходы носителей между энергетическими уровнями, происходящие в ходе ВКР спектральных компонент s-излучения[9°, 14].

  8. Признаки образования доменной структуры при синхронизации модуляций заселенностей [27].

V.      Научное оборудование, на котором выполняются исследования.

Эксперименты выполняются на лазерном пикосекундном спектрофотохронометрическом комплексе с автоматизированной системой сбора и обработки измеряемых физических величин. В первоначальном виде комплекс был изготовлен в НЦЛИ ВГУ. После очередной (завершенной в апреле 2012 г.) существенной модернизации комплекс состоит из следующих компонент.

  • Задающий YAG-лазер PL PDP1-300 (компании "СинхроТех", Россия), генерирующий с регулируемой частотой одиночные импульсы света с длиной волны = 1.064 мкм и длительностью, которую можно менять в пределах Т = 22 - 32 пс. Нестабильность энергии импульсов 2%, длительности Т < 2 пс.

  • Система усиления импульсов, генерируемых задающим лазером, с полным увеличением их энергии ~ 102.

  • Удвоители частоты света усиленных импульсов.

  • Два параметрических генератора света (ПГС) на LiNbO3 c температурной перестройкой длины волны. Для отдельных экспериментов дополнительно устанавливается третий ПГС с угловой перестройкой длины волны. Первые два ПГС накачиваются импульсами удвоенной частоты (= 0.532 мкм), третий – импульсами с = 1.064 мкм. Генерируемые каждым ПГС импульсы распространяются по отдельному каналу (пути) и фокусируются в одну точку образца. Эти импульсы  используются для накачки различной модификации, для зондирования в опытах "pump-probe", для разогрева ЭДП из-за внутризонного поглощения света и т.д. В ходе эксперимента задержка времени облучения импульсом образца, длина волны импульса в диапазоне 0.35 – 2.0 мкм и его энергия регулируются независимо для каждого канала. Длительность импульсов - 10 пс.

  • Двойной спектрограф SpectraPro-2500i, способный работать в режиме сложения дисперсии при спектральных измерениях, и в режиме вычитания дисперсии при измерении огибающей (хронограммы) выделенной спектральной компоненты сверхкороткого светового импульса. Последний режим обеспечивает то, что длительность компоненты излучения на выходе спектрографа та же, что и на входе.

  • ПЗС-камера "PIXIS", установленная на второй выходной щели первой ступени двойного спектрографа. Она позволяет одномоментно проводить измерения интегральных по времени спектров сверхкороткого оптического излучения. Разрешение измерений – от 0.3 нм (в диапазоне шириной 160 нм) до 0.05 нм (в диапазоне 30 нм). Для измерений в режиме сложения дисперсии на первой выходной щели второй ступени спектрографа установлен ФЭУ.

  • Стрик-камера PS-1/S1, работающая совместно с ПЗС-камерой "CoolSNAP", присоединена ко второй выходной щели двойного спектрографа и позволяет измерять хронограммы выделенных спектрографом компонент пикосекундного светового импульса с разрешением не хуже 2 пс. Динамический диапазон таких измерений меняется от 10 до 30 в зависимости от длины волны света и длительности импульсов. Джиттер (нестабильность запуска развертки) составляет 4.5 пс и автоматически компенсируется в режиме "online" при накоплении данных. Стрик-камера PS-1/S1 разработана и изготовлена в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН.

  • Система автоматизированной регистрации и управления, где происходит: а) в режиме "online" сбор и обработка измеряемых физических величин, оценка погрешностей их измерений, и выдача результатов этого на средства отображения; б) управление линиями задержки световых импульсов, заслонками в каналах распространения импульсов, двойным спектрографом SpectraPro-2500i, двумя ПЗС-камерами ("PIXIS" и "CoolSNAP"), ФЭУ. Все эти функции осуществляются с помощью специально разработанных интерфейса и мощной компьютерной программы.

Комплекс предоставляет следующие возможности. 1. Разнообразная накачка образца вплоть до комбинированной, синхронной или с регулируемой задержкой во времени (с точностью не хуже 0.3 пс), тремя импульсами света со специально подобранными энергиями фотонов , различной интенсивностью света и различными размерами фокусного пятна на образце. 2. Одномоментное измерение интегрального по времени спектра сверхкороткого излучения. Это особенно требуется, когда какая-либо исследуемая особенность сохраняет своё спектральное положение на протяжении импульса излучения, и при этом условия эксперимента требуют большого количества измерений спектров. 3. Измерение изменений оптического поглощения, прозрачности и отражения во время и после накачки образца. Измерения проводятся по методике "pump-probe" в двух вариантах. В первом варианте измеряются изменения энергии и интегрального по времени спектра зондирующего импульса, вызванные накачкой образца. Во втором варианте измеряется хронограмма всего зондирующего импульса или какой-то его спектральной компоненты. 4. Измерение хронограмм отдельных спектральных компонент собственного излучения образца. Эти хронограммы ещё и позволяют восстановить эволюцию во времени спектра сверхкороткого собственного излучения.

В итоге, конструкция комплекса обеспечивает редкое сочетание уникальных технических возможностей для сверхбыстрого образования в GaAs мощного стимулированного излучения с разнообразными параметрами, возбуждения при этом сверхбыстрых процессов взаимодействия этого излучения с полупроводником, многосторонних оптических исследований таких процессов. И всё это практически без разогрева кристаллической решетки.

Заметим, что перед разработкой в ИОФ РАН стрик-камеры PS-1/S1 мы и ученые этого института вынуждены были совместно провести исследование погрешностей измерения стрик-камерами пикосекундных импульсов света. Нетривиальные методы и результаты вышеназванного исследования опубликованы в [28].

VI.    Список цитируемых статей сотрудников ИРЭ РАН:                       

1.     И.Л. Броневой, Р.А. Гадонас, В.В. Красаускас, Т.М. Лифшиц, А.С. Пискарскас, М.А. Синицын, Б.С. Явич. Письма в ЖЭТФ, 42, 322 (1985).

2.     И.Л. Броневой, С.Е. Кумеков, В.И. Перель. Письма в ЖЭТФ, 43, 368 (1986).

3.     Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, Е.Г. Дядюшкин, Б.С. Явич. Письма в ЖЭТФ, 48, 252 (1988).

4.     N.N. Ageeva, I.L. Bronevoi, E.G. Dyadyushkin, V.A. Mironov, S.E. Kumekov, V.I. Perel’. Sol.St.Com., 72, 625 (1989).

5.     I.L. Bronevoi, A.N. Krivonosov, T.A. Nalet. Sol.St.Com., 98, 903 (1996).

6.     Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, А.Н. Кривоносов, С.Е. Кумеков. С.В. Стеганцов. ФТП, 36 (2), 144 (2002).

7.     Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, Д.Н. Забегаев, А.Н. Кривоносов. ЖЭТФ, 143, вып.4, 634 (2013).

8.     И.Л.Броневой, А.Н.Кривоносов. ФТП, 32 (5), 542 (1998). В статье на стр. 543, правая колонка, 4 строка сверху, в выражении (1) ошибочно напечатано μe = μh ≈ Eg, а должно быть μe – μh ≈ Eg.

9.     Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, Д.Н. Забегаев, А.Н. Кривоносов. ФТП, 44 (9), 1157 (2010).

10.И.Л.Броневой, А.Н.Кривоносов. ФТП, 32 (5), 537 (1998).

11.Н.Н.Агеева, И.Л.Броневой, А.Н.Кривоносов. ФТП, 35 (1), 65 (2001).

12.I.L. Bronevoi, A.N. Krivonosov, V.I. Perel’. Sol.St.Com., 94, 363 (1995).

13.Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, Д.Н. Забегаев, А.Н. Кривоносов. Статья находится в редакции ФТП.

14.Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, Д.Н. Забегаев, А.Н. Кривоносов. ЖЭТФ, 144, вып.2, 227 (2013).

15.Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, А.Н. Кривоносов, С.Е. Кумеков, Т.А. Налет, С.В. Стеганцов. ФТП, 39 (6), 681 (2005).

16.N.N. Ageeva, V.B. Borisov, I.L. Bronevoi, V.A. Mironov, S.E. Kumekov, V.I. Perel, B.S. Yavich, R. Gadonas. Sol. St. Com., 75, 167 (1990).

17.N.N. Ageeva, I.L. Bronevoi, V.A. Mironov, S.E. Kumekov, V.I. Perel’. Sol. St. Com., 81, 969 (1992).

18.I.L. Bronevoi, A.N. Krivonosov, V.I. Perel’. Sol.St. Com., 94, 805 (1995).

19.И.Л.Броневой, А.Н.Кривоносов. ФТП, 33 (1), 13 (1999).

20.Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, Д.Н. Забегаев, А.Н. Кривоносов. ФТП, 46 (7), 944 (2012).

21.Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, А.Н. Кривоносов, С.В. Стеганцов. ФТП, 40 (7), 806 (2006).

22.Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, А.Н. Кривоносов, Т.А. Налет, С.В. Стеганцов. ФТП, 41 (12), 1418 (2007).

23.Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, А.Н. Кривоносов, Т.А. Налет. Фтп, 42(9), 1053, (2008).

24.Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, Д.Н. Забегаев, А.Н. Кривоносов. ФТП, 44(10), 1328 (2010).

25.Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, А.Н. Кривоносов. Фтп, 42(12), 1426, (2008).

26.Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, Д.Н. Забегаев, А.Н. Кривоносов. ЖЭТФ, 147, вып.4, 765 (2015).

27.Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, Д.Н. Забегаев, А.Н. Кривоносов. ФТП, 50 (10), 1333 (2016).

28.Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, Д.Н. Забегаев, А.Н. Кривоносов, Н.С. Воробьев, П.Б. Горностаев, В.И. Лозовой, М.Я. Щелев.  ПТЭ, 4, 108 (2011).

29.N.N. Ageeva, I.L. Bronevoi, R. Gadonas, S.E. Kumekov, V.A. Mironov, V.I. Perel, B.S. Yavich. Lasers and ultrafast Processes, 4, 116 (1991).

30.N.N. Ageeva, I.L. Bronevoi, S.E. Kumekov, V.A. Mironov, V.I. Perel' in: Mode-Locked Lasers and Ultrafast Phenomena, G.B. Altshuler, Editor, Proc. SPIE. 1842, 70 (1992) (Review).

31.Н.Н. Агеева, И.Л. Броневой, А.Н. Кривоносов, С.Е. Кумеков, В.И. Перель. Известия РАН. серия физическая, 58, №7, 89 (1994).

32.N.N. Ageeva, I.L. Bronevoi, A.N. Krivonosov, D.N. Zabegaev. Physica Status Solidi C. 8 (4), 1211 (2011).

 

Контактные e-mail-адреса и телефон:

Старший научный сотрудник, кандидат физ.-мат. наук Агеева Надежда Николаевна - ann@cplire.ru

Старший научный сотрудник, кандидат физ.-мат. наук Кривоносов Александр Николаевич - kan@cplire.ru

Младший научный сотрудник Забегаев Дмитрий Николаевич - dimst@mail.ru

Главный научный сотрудник, доктор физ.-мат. наук Броневой Игорь Леонидович - bil@cplire.ru

Служебный номер телефона вышеназванных сотрудников: (495)-629-34-04.



[*], ▲, ●, ° Результаты, отмеченные указанными значками, представлены соответственно в кратких промежуточных обзорах: [29], [30], [31], [32].

с 07.04.2016