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 Р. Гадоносом и др., КНТУ им. К.И. Сатпаева С.Е. Кумековым и др. Эксперименты выполнялись при комнатной температуре. Изучались процессы, происходившие в тонком (~ 1 мкм) слое GaAs, накачиваемом мощным пикосекундным импульсом света. Этот слой входил в состав гетероструктуры Al_xGa_1-xAs-GaAs-Al_xGa_1-xAs, на поверхности которой, параллельные эпитаксиальным слоям, было нанесено антиотражающее покрытие. Обнаруженные физические явления перечислены в разделах I-VII. В некоторых разделах за заглавием, определяющем явление, следует аннотация, предваряющая перечень вызванных этим явлением эффектов. В разделе VIII охарактеризован лазерный пикосекундный спектрофотохронометрический комплекс, на котором выполнялись исследования. Схема и фотографии комплекса представлены ниже. В разделе IX приводится список основных  публикаций. В конце дается номер телефона нынешних сотрудников ИРЭ, выполнявших исследования.

Схема лазерного пикосекундного спектрофотохронометрического комплекса:

Общий вид комплекса:                                   Фото комплекса во время работы:

 

 

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

       Измерениями в реальном времени доказано, что интенсивное стимулированное (усиленное спонтанное) пикосекундное излучение возникает при мощной пикосекундной оптической накачке слоя GaAs, отставая на ~ 1 пс от фронта накачки. Это обусловлено почти безынерционным образованием усиления излучения при накачке и тем, что скорость спонтанной рекомбинации носителей заряда пропорциональна их плотности. Обнаружено, что излучение экспоненциально релаксирует с характерным временем около 10 пс, определяемым остыванием плазмы неравновесных носителей заряда. А это вызвано взаимосвязью температуры и плотности плазмы, возникающей от того, что интенсивное (до 10⁸ Вт/см²) излучение не допускает значительного превышения разности квазиуровней Ферми электронов и дырок над шириной запрещенной зоны. Ниже перечисляются физические явления, обнаружившие вышесказанное и другие свойства s-излучения.

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.            Пикосекундное пороговое излучение GaAs; его спектр; энергия его спектральных компонент в функции от энергии моноимпульсной пикосекундной 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, [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.            Осциллирующая зависимость момента начала разгорания s-излучения от энергии его фотона [11].

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

9.            Взаимосогласованная автомодуляция характеристик s-излучения, выходящего из торца образца [12^♯].

10.    Брэгговская решетка заселенности электронов, наводимая в гетероструктуре Al_xGa_1–xAs–GaAs–Al_xGa_1–xAs s-излучением [37].

 

  II.              Активность s-излучения по отношению к вынужденному комбинационному рассеянию (ВКР)

1.            ВКР s-излучения и пикосекундной накачки, происходящее с участием оптических плазмонов [13,14].

2.            ВКР спектральных мод s-излучения при межзонных осцилляциях электронов в поле s-излучения. Создаваемые ВКР переключение этих мод и синхронизация осцилляций [15].

III.              Пороговое состояние электронно-дырочной плазмы (ЭДП), обусловленное s-излучением, и, возникающие при этом эффекты.

1.            Универсальное остаточное просветление GaAs и пороговое состояние ЭДП по окончании s-излучения [3,4]^*,▲,●, при котором разность квазиуровней Ферми электронов  и дырок  становится равной ширине запрещенной зоны E_g, температура ЭДП Т_с равна комнатной температуре (опыта) Т_R, условие электронейтральности для плотности неравновесных электронов n и дырок p исполняется, то есть , T_c = T_R, n = p.

2.            надпороговое состояние ЭДП во время s-излучения [4^*,▲,●,5], когда интенсивное s-излучение не допускает значительного превышения разности квазиуровней Ферми электронов  и дырок  над шириной запрещенной зоны E_g: .

3.            Взаимосвязь между плотностью ЭДП и её температурой [2^*,▲,●,14,16^*,▲,●].

4.            обратимое пикосекундное изменение плотности и температуры ЭДП [2^*,▲,●] и просветления (увеличения прозрачности) 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 [14].

IV.              Пикосекундное обеднение заселенности энергетических уровней неравновесными электронами, создаваемое s-излучением при замедлении залечивания отклонений от квазиравновесного распределения носителей заряда.

Обеднение образуется благодаря замедлению залечивания отклонений от квазиравновесного распределения носителей заряда. Подразумевается залечивание посредством взаимодействия носителей