Нелинейно-оптическое ограничение инфракрасного лазерного излучения в полупроводниках

2
*
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................7
ГЛАВА 1
НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ И КОМПОЗИТАХ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 15
1.1. Нелинейно-оптические эффекты в полупроводниках ..................19
- Однофотонное межзонное поглощение..................................20
- Однофотонное внутризонное поглощение...............................26
- Однофотоннос примесное поглощение..................................27
Экситонное поглощение..............................................28
- Оптическая нелинейность, связанная с непараболичностью зон.........31
- Двухфотонное межзонное поглощение..................................31
- Нелинейно-оптические эффекты при обратимом фазовом переходе
полупроводник-металл...............................................38
1.2. Нелинейно-оптические эффекты в композитах........................45
- Линейные оптические свойства композитов. Теоретические представления.. 46
- Нелинейно-оптические свойства композитов с наночасгицами
полупроводников....................................................50
Нелинейно-оптические свойства композитов с наночастицами металлов..55
1.3. Выводы...........................................................61
ГЛАВА 2.
ОГРАНИЧЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ БЛИЖНЕГО ИК ДИАПАЗОНА ПРИ САМОДЕФОКУСИРОВКЕ В ШИРОКОЗОННЫХ
ПОЛУПРОВОДНИКАХ С ГЛУБОКИМИ ПРИМЕСНЫМИ УРОВНЯМИ.......................64
2.1. Теоретическая модель формирования динамической линзы в полупроводнике с глубокими примесными уровнями......................65
- Фотоиндуцированные процессы в примесном полупроводнике
при низкой интенсивности излучения.................................68
Формирование динамической линзы вблизи порога ограничения..........73
Фотоиндуцированные процессы в примесном полупроводнике
при высокой интенсивности излучения.................................81
2.2. Ограничение лазерного излучения при самодефокусировке
в GaAs и ZnSe с глубокими уровнями........................................92
Методика экспериментов и спектральные характеристики
образцов GaAs и ZnSe................................................92
Ограничение излучения в моноимпульсном режиме на длине волны 1.06 мкм. 97
- Ограничение излучения в моноимпульсном режиме на длине волны 1.3 мкм.. 104
- Ограничение излучения в моноимпульсном режиме
на длине волны 1.54-1.55 мкм........................................106
- Ограничение излучения в моноимпульсном режиме в спектральном
интервале 3.8-4.2 мкм................................................108
Ограничение излучения в импульсно-периодическом режиме на длине волны 0.65 и 1.55 мкм...................................110
- Восстановление начального пропускания после воздействия
лазерного импульса...................................................114
2.3. Выводы..............................................................117
ГЛАВА 3.
ОГРАНИЧЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ СРЕДНЕГО ИК ДИАПАЗОНА
ПРИ ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ ПОЛУПРОВОДНИК-МЕТАЛЛ
В ДИОКСИДЕ ВАНАДИЯ.......................................................121
3.1. Тонкопленочные интерференционные системы с пленкой
диоксида ванадия для ограничения излучения..............................121
- Интерференционные системы с модуляцией коэффициента отражения.........126
- Тонкопленочные структуры на основе нарушения полного
внутреннего отражения...............................................141
Интерференционные системы с модуляцией коэффициента
отражения и пропускания..............................................151
- Фазовые искажения прошедшего излучения при ограничении излучения интерферометром с модуляцией коэффициента
отражения и пропускания..............................................158
- Дифракционные пленочные структуры с пространственной
модуляцией излучения................................................ 162
3.2. Динамика переключения ограничителей с пленкой диоксида
4
Ф ванадия под действием импульса излучения. Теоретическая модель.........171
- Тепловая модель слоистой структуры с пленкой диоксида ванадия........171
- Динамика переключения интерферометра с пленкой диоксида
ванадия при внугрирезоиаторном управлении генерацией лазера.........176
- Динамика переключения интерферометра с пленкой диоксида
ванадия при ограничении лазерного излучения......................... 188
3.3. Экспериментальное исследование взаимодействия излучении
с ограничителями на основе диоксида ванадия......................195
- Внутрирезонаторное управление генерацией ТЕА-С02 лазера \Ю2-зсркалами с еЯУЖ<0.................................................. 195
- Ограничение излучения среднего ИК диапазона интерференционными структурами с пленкой диоксида ванадия.................................. 203
- Лучевая стойкость ограничителей излучения на основе диоксида ванадия
^ в среднем ИК диапазоне................................................211
3.4. Выводы..............................................................221
ГЛАВА 4.
ОПТИЧЕСКОЕ ОГРАНИЧЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
НАНОЧАСТИЦАМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ИЗОЛЯТОРОВ...............................224
4.1. Ограничение видимого и ближнего ИК диапазонов
наночастицами широкозонных полупроводников и изоляторов..................225
- Экспериментальное исследование ограничения излучения наночастицами
ф ТЮ2, MgO, А120з, ВаО, СаС03, СаР2, ВаР2 и ВИ..........................225
- Модель ограничения излучения наночастицами широкозонных полупроводников с динамической поглощающей оболочкой.....................232
- Двухкаскадный ограничитель излучения с наночастицами СаР2
для А=1.06 мкм.........................................................244
4.2. Ограничение излучения среднего ИК диапазона наночастицами галогенидов серебра с оболочкой из островковой пленки серебра.............248
- Спектральные характеристики и нелинейно-оптические свойства наночастиц галогенидов серебра с включениями их металлического
серебра в среднем ИК диапазоне. Экспериментальные результаты.........248
*
Возникновение плазмонных резонансов в среднем ИК диапазоне.
5
Теоретическая модель...................................................253
Модель нелинейно-оптических свойств наночастиц галогенидов серебра с оболочкой из островковой пленки серебра......................260
- Ограничение 10-микронного излучения наночастицами хлорида серебра с оболочкой из островковой пленки серебра
в матрице из иодида калия..............................................265
4.3. Оптическое ограничение излучения наночастицами
диоксида ванадия..........................................................269
Поликристаллическая оксиднованадиевая пленка,
как оптический композит................................................269
- Нелинейное поглощение и рассеяние излучения среднего ИК диапазона наночастицами диоксида ванадия в объемной непоглощающей среде.............279
• - Нелинейно-оптические свойства диэлектрических наночастиц
с оболочкой из диоксида ванадия........................................283
- Нелинейно-оптические свойства наночастиц диоксида ванадия
с оболочкой из пленки металла..........................................286
Ограничение инфракрасного излучения наночастицами диоксида ванадия. Экспериментальные результаты...........................................295
4.4. Выводы...............................................................300
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................302
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................307
6
Список условных обозначений
I - интенсивность излучения
Е - энергия излучения
N - концентрация носителей заряда
<3 - плотность энергии излучения
К - коэффициент отражения
Т - коэффициент пропускания
Е8 - ширина запрещенной зоны полупроводника
ДЕ - энергетическое положение примесного уровня в запрещенной зоне с - скорость света у - мнимая единица ф И - постоянная Планка
к - коэффициент поглощения
п - показатель преломления
/ - температура
Т- абсолютная температу ра
е - диэлектрическая проницаемость
£о - диэлектрическая проницаемость вакуума
X - длина волны излучения
т - время
® со - круговая частота излучения
И К - инфракрасный ФП - фазовый переход
НПВО - нарушение полного внутреннего отражения
%
ВВЕДЕНИЕ
В настоящей диссертации представлены результаты исследований, проведенных в 1993-2003 годах в Институте лазерной физики. Диссертация посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию нелинейно-оптических эффектов в полупроводниковых монокристаллах, пленках полупроводников и полупроводниковых наноструктурах, приводящих к низкопороговому оптическому ограничению инфракрасного излучения в спектральном диапазоне 1-11 мкм.
Актуальность темы. В настоящее время лазеры и лазерные системы находят применение практически во всех сферах человеческой деятельности -промышленности, медицине, науке, культуре и экологии. Чрезвычайно интенсивно развивается направление передачи и обработки информации оптическими методами. В многих из указанных областей актуальной является задача управления параметрами лазерных импульсов - амплитудой, длительностью, пространственным распределением и т. д. Во всех областях применения лазеров возникает проблема предохранения органов зрения и фотоприемных устройств от ослепления и разрушения интенсивным лазерным излучением.
Для решения данных задач используются оптические переключатели и модуляторы излучения. Оптические ограничители (лимитеры) являются частным случаем нелинейно-оптических переключателей. Данные устройства, в идеале, должны иметь высокий постоянный коэффициент пропускания при низкой интенсивности излучения и линейное уменьшение пропускания с ростом интенсивности, при превышении интенсивностью определенной пороговой величины. Ограничители могут быть использованы и для управления характеристиками лазерного излучения, в том числе, для внутрирезонаторного управления генерацией, однако, основное и наиболее важное их применение - защита глаз и фотоприемных устройств от воздействия интенсивного излучения.
Большинство нелинейно-оптических материалов и нелинейно-оптических эффектов могут быть использованы лишь в видимой области спектра и коротковолновой части ближнего ИК диапазона. Это связано, в первую очередь, с тем, что по мерс увеличения длины волны, энергии фотона оказывается недостаточно для активирования процессов в веществе, приводящих к изменению его оптических
характеристик. Кроме того, количество прозрачных материалов резко уменьшается при переходе из видимого и ближнего - в средний ИК диапазон. Так, если для видимой области спектра существуют сотни нелинейно-оптических материалов, то в 10-микронном диапазоне таких материалов единицы. В то же время, лазеры, широко используемые в промышленности, экологии, лазерной локации и системах передачи и обработки оптической информации, имеют длину волны генерации в спектральном диапазоне 1-11 мкм.
Ограничитель излучения, как защитное устройство, должен иметь низкий энергетический порог ограничения излучения, не превышающий порог повреждения защищаемого объекта. Нелинейно-оптические процессы, как правило, протекают при высокой интенсивности излучения. Поэтому эффективное управление параметрами излучения за счет этих процессов, при малой энергии управляющего оптического сигнала, может осуществляться лишь в пико- и фемтосекундном диапазоне длительности лазерного импульса. В то же время, для решения многих прикладных задач используются лазерные источники с нано- и микросскундной длительностью импульсов излучения. При этом, интенсивность излучения, необходимая для инициирования нелинейно-оптического эффекта, возрастает на порядки и может достигать порога разрушения нелинейно-оптического материала.
Таким образом, актуальной является задача поиска нелинейно-оптических материалов и эффектов, позволяющих получить эффективное низкопороговое ограничение лазерного инфракрасного излучения нано- и м икросекундной длительности и создание на основе этих материалов и эффектов защитных оптических устройств - ограничителей излучения. Не менее актуальной является задача создания эффективных оптических переключателей для внутрирезонаторного управления генерацией лазеров среднего ИК диапазона.
Целыо диссертационной работы являлось экспериментальное и теоретическое исследование нелинейно-оптических эффектов в полупроводниках, приводящих к низкопороговому оптическому ограничению ИК излучения нано- и микросекундной длительности, а также разработка, создание и исследование ограничителей излучения для спектрального диапазона 1-11 мкм.
Для .достижения указанной цели, среди всего многообразия нелинейно-оптических эффектов, были выбраны три группы светоиндуцированных эффектов в полупроводниках:
- самодефокусировка излучения в монокристаллических полупроводниках с глубокими примесными уровнями,
индуцированный излучением обратимый фазовый переход полупроводник-металл в поликристаллических пленках диоксида ванадия и
- светоиндуцированное поглощение и рассеяние в полупроводниковых наночастицах.
Исходя из поставленной цели работы и нелинейно-оптических эффектов, выбранных для исследования, было необходимо решить следующие задачи:
1. Теоретическое исследование процессов формирования динамической отрицательной линзы в полупроводнике при фотогенерации неравновесных носителей заряда с глубоких примесных уровней. Анализ влияния двухфотонного межзонного поглощения и тепловых процессов на пространственные характеристики динамической линзы.
2. Экспериментальное исследование низкопорогового ограничения при самодефокусировке излучения в полупроводниках с глубокими примесными уровнями в спектральном интервале 1-4 мкм для нано- и микросекундной длительности лазерных импульсов.
3. Разработка многослойных тонкопленочных структур с пленкой диоксида ванадия, в качестве управляющего элемента, для ограничения инфракрасною излучения.
4. Теоретическое исследование пространственной динамики переключения пленки диоксида ванадия под действием импульса инфракрасного излучения. Анализ динамических процессов в СОг лазере с внутрирезонаторным ограничителем излучения. Анализ эффективности процесса ограничения излучения среднего ИК диапазона в пленке диоксида ванадия.
5. Экспериментальное исследование динамики генерации ТЕА-СОг лазера с внутрирезонаторным ограничителем на основе диоксида ванадия.
6. Экспериментальное исследование ограничения излучения среднего ИК диапазона тонкопленочными структурами с пленкой диоксида ванадия.
7. Теоретическое исследование светоиндуцированного поглощения и рассеяния в наночастицах широкозонных полупроводников и изоляторов с оболочкой, содержащей глубокие примесные уровни. Экспериментальное исследование ограничения излучения ближнего ИК диапазона наночастицами широкозонных полупроводников с оболочкой, содержащей глубокие примесные уровни.
8. Теоретическое исследование светоиндуцированного поглощения и рассеяния в наночастицах гапогенидов серебра в условиях плазмонного резонанса. Экспериментальное исследование ограничения излучения среднего ИК диапазона наночастицами галогенидов серебра в условиях плазмонного резонанса.
9. Теоретическое и экспериментальное исследование свстоиндуцированного поглощения и рассеяния, а также ограничения излучения среднего ИК диапазона в наночастицах диоксида ванадия.
10. Исследование светоиндуцированного поглощения и рассеяния, а также ограничения излучения среднего ИК диапазона в диэлектрических наночастицах с оболочкой из диоксида ванадия.
11. Теоретическое и экспериментальное исследование светоиндуцированного поглощения и рассеяния, а также ограничения излучения ближнего и среднего ИК диапазона в наночастицах диоксида ванадия в условиях плазмонного резонанса.
Научная новизна.
1. Впервые экспериментально получено и исследовано низкопороговое ограничение при самодефокусировке излучения в монокристаллах полупроводников с глубокими примесными уровнями.
2. Разработаны многослойные структуры на основе пленок диоксида ванадия с управляемыми оптическими характеристиками для ограничения излучения ближнего и среднего ИК диапазона. Теоретически исследована динамика переключения ограничителей с пленкой диоксида ванадия под действием импульса излучения, а также динамика генерации СОг лазера с внутрирезонаторным ограничителем.
3. Впервые экспериментально получено и исследовано управление генерацией ТЕА-СО2 лазера, в том числе, управление диаграммой направленности излучения лазера, с помощью внутрирезонаторного ограничителя излучения с пленкой диоксида ванадия.
4. Впервые экспериментально исследовано ограничение импульсного излучения среднего ИК диапазона ограничителем с пленкой диоксида ванадия.
5. Теоретически исследованы нелинейно-оптические эффекты в наночастицах широкозонных полупроводников и изоляторов с оболочкой, содержащей глубокие примесные уровни. Впервые экспериментально получено и исследовано низкопороговое ограничение излучения видимого и ближнего ИК диапазона такими наноструктурами.
6. Теоретически исследованы нелинейно-оптические эффекты в наночастицах галогенидов серебра в условиях плазмонного резонанса в среднем ИК диапазоне. Впервые экспериментально получено и исследовано низкопороговое ограничение излучения среднего ИК диапазона наночастицами галогенидов серебра с оболочкой из островковон пленки серебра.
7. Теоретически исследовано светоиндуцированное поглощение и рассеяние в наночастицах диоксида ванадия, а также в наноструктурах с диоксидом ванадия в ближнем и среднем ИК диапазонах. Впервые экспериментально получено ограничение излучения ближнего и среднего ИК диапазона такими наноструктурами.
Практическая значимость работы. Проведенные исследования нелинейнооптического ограничения излучения в полупроводниках, пленках с фазовым переходом полупроводник-металл и полупроводниковых наноструктурах послужили основой для разработки низкопороговых ограничителей излучения ближнего и среднего ИК диапазонов, предназначенных для защиты органов зрения и фотоприемных устройств от повреждения лазерным излучением. Результаты исследований были использованы при создании макетов ограничителей излучения ближнего и среднего И К диапазонов, а также легли в основу ОКР по разработке и созданию опытных образцов ограничителей для спектральных областей 1-1.55 мкм и 3-12 мкм.. Полученные результаты могут быть использованы при разработке и создании низкопороговых оптических переключателей излучения ближнего ИК диапазона для систем передачи и обработки оптической информации, а также для внутрирезонаторного управления генерацией лазеров среднего ИК диапазона.
Результаты работы защищены 3 патентами Российской Федерации.
На защиту выносятся следующие результаты и положения;
1. Предложены и изучены новые механизмы низкопорогового ограничения инфракрасного излучения в полупроводниках и на их основе созданы быстродействующие низкопороговыс ограничители излучения.
2. Предложены и впервые реализованы низкопороговые ограничители излучения ближнего ИК диапазона на основе самодефокусировки излучения в полупроводниках с глубокими примесными уровнями. Исследованы основные закономерности формирования отрицательной динамической линзы, приводящей к ограничению излучения в примесном полупроводнике. Получено ограничение
13
нано- и микросекундных лазерных импульсов с порогом 2-10 пДж и динамическим диапазоном 104-106.
3. Разработаны слоистые структуры с пленкой диоксида ванадия, обеспечивающие эффективное ограничение излучения среднего ИК диапазона и исследована динамика переключения таких структур под действием лазерного излучения. Впервые получено управление генерацией СОг лазеров и ограничение 10-микронного излучения с порогом менее 1 мДж и динамическим диапазоном до Ю4.
4. Предложены и реализованы новые композитные среды для низкопорогового ограничения излучения видимого, ближнего и среднего ИК диапазонов на основе светоиндуцированного поглощения и рассеяния в полупроводниковых наночастицах с оболочкой. Впервые в таких средах получено ограничение излучения видимого и ближнего ИК диапазонов с порогом менее 500 пДж/см2. Показано, что в наночастицах с оболочкой из островковой металлической пленки может быть реализован плазмонный резонанс в среднем И К диапазоне. Впервые получено ограничение 10-микронного излучения такими наночастицами с порогом 10 мкДж/см2 и динамическим диапазоном 103.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференции Photonics West (California, USA, 1998), IX международной конференции «Оптика лазеров» (C-Пб, Россия, 1998), конференции Photonics West (California, USA, 1999), X международной конференции «Оптика лазеров» (C-Пб, Россия, 2000), на международном симпозиуме ISOPL-3 (Venice, Italy, 2000), V международной конференции «Прикладная оптика» (C-Пб, Россия, 2002), на XI международной конференции «Оптика лазеров» (C-Пб, Россия, 2003) и на международном симпозиуме ISOPL-3 (Arizona, USA, 2003).
Макеты ограничителей излучения экспонировались на международных выставках в Мюнхене «Laser-2001» (Германия, июль 2001), в Шанхае (КНР, ноябрь 2001) и в Орландо «Aerospace-2002» (США, апрель 2002) и в Мюнхене «Laser-2003» (Германия, июнь 2003).
*
14
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 45 опубликованной
автором работе.
Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Все представленные в диссертации экспериментальные результаты и теоретические расчеты получены и выполнены лично автором, либо при его непосредственном участии. Часть экспериментальных исследований выполнена совместно с аспиранткой О.П.Михеевой. Часть теоретических расчетов по динамике генерации ТЕА-СОг лазера с внутрирезонаторным ограничителем излучения -совместно с Е.Н.Сосновым. Основные работы выполнены в соавторстве с сотрудниками НИИ ЛФ, ВНЦ «ГОИ им.С.И.Вавилова» и ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 246 наименования. Диссертация изложена на 327 страницах и содержит 113 рисунков и 15 таблиц.
#
ГЛАВА 1
НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ И КОМПОЗИТАХ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.
Данная глава посвящена обзору и анализу некоторых нелинейно-оптических эффектов в полупроводниках и полупроводниковых структурах, а также в композитных материалах. Охватить все многообразие процессов взаимодействия излучения с данными материалами в рамках одной главы не представляется возможным. Поэтому рассматриваются лишь те эффекты, которые используются, либо могут быть использованы для оптического ограничения инфракрасного лазерного излучения в спектральной области 0.7-12 мкм. В этом спектральном диапазоне располагаются линии генерации большинства широко используемых инфракрасных лазеров. В обзор не включены, также, нелинейно-оптические процессы, связанные с преобразованием частоты излучения - генерация гармоник, параметрическая генерация и т.д., так как данные процессы не входят в круг наших исследований.
При воздействии на вещество электромагнитной волны с вектором электрического поля Е, происходит изменение диэлектрической поляризации среды Р
[1]:
Р(м) = 8о-Х(,)Е(М) + £о-Х(2)-Е(г,02 + ео-х'3)-Е(г,03 + ...
Здесь ео - диэлектрическая проницаемость вакуума, х ~ нелинейная восприимчивость у-го порядка. Линейную компоненту диэлектрическую проницаемость среды можно представить в виде:
е(,)=1+4дХ(,).
Представив диэлектрическую проницаемость среды в виде ряда:
е(Е) = е(,) + е(2>- Е + е(3)- Е2 + ... можно получить нелинейные компоненты диэлектрической проницаемости, выраженные через нелинейную восприимчивость:
е<2) = 4лХ(2)> е<3> = 4ттХ(3>,....
Таким образом, нелинейная добавка к диэлектрической проницаемости среды, связанная с воздействием на среду излучения, однозначно определяется нелинейной восприимчивостью среды и, в зависимости от механизма нелинейности, приводит к изменению показателя преломления и поглощения среды.
16
Методы, используемые для оптического управления и ограничения лазерного излучения можно разделить на две группы. Во-первых, это методы, при которых происходит самовоздействие излучения в нелинейной среде (рис. 1а). В этом случае среда
Рис.1. Методы оптического управления лазерным излучением, а - самовоздействие излучения в нелинейной среде, б - управление с помощью дополнительного источника излучения.
проявляет оптическую нелинейность на длине волны падающего излучения, и изменения оптических характеристик среды под действием излучения приводят к изменению характеристик прошедшего через среду излучения. Во-вторых, это методы, при которых для изменения оптических характеристик среды используется управляющее излучение с длиной волны Х|. При этом среда является нелинейной для излучения с и, в то же время, может быть линейной для управляемого излучения с длиной волны Х2^\ (рис. 16).
На рис.2 показаны идеальная (1) и типичная (2) характеристики ограничителя излучения. При Евх<Епор коэффициент пропускания ограничителя линеен. При увеличении энергии падающего излучения (ЕВх>ЕПор), вследствие возникновения оптической нелинейности, появляется зависимость коэффициента пропускания от энергии падающего излучения. Коэффициент пропускания начинает уменьшается с ростом энергии излучения - происходит ограничение излучения.
17
Рис.2. Идеальная (1) и типичная (2) характеристики ограничителя излучения.
В зависимости от вида оптической нелинейности механизм ограничения излучения определяется либо амплитудной, либо пространственной модуляцией прошедшего излучения (Рис.З). В первом случае преобладает увеличение коэффициента поглощения материала с увеличением Евх. Во втором случае увеличение
>и^
Рис.З. Механизмы ограничения излучения, а - амплитудная модуляция, б, в пространственная модуляция излучения.
ЕвХ приводит к увеличению коэффициента рассеяния, либо к появлению пространственной модуляции показателя преломления, что вызывает фокусировку, либо дефокусировку, либо отклонение прошедшего пучка. Во многих нелинейных средах вклад в ограничение излучения вносит как амплитудная, так и пространственная модуляция излучения.
Требования к характеристикам ограничителей излучения определяются двумя основными областями их практического применения. Первая область (I) - это защита фотоприемных устройств от воздействия интенсивного и излучения, вторая (И) -управление формой, энергией и длительностью лазерного импульса. Для реализации данных функций важны следующие характеристики ограничителя (в скобках указана область применения, для которой данная характеристика имеет решающее значение):
1. Высокое быстродействие - малое время включения под действием импульса интенсивного излучения и восстановления начальных оптических характеристик после окончания воздействия интенсивного излучения (I)
2. Низкий энергетический порог ограничения (I)
3. Высокий коэффициент ослабления в режиме ограничения (I)
4. Большой динамический диапазон ограничения (отношение максимальной энергии, при которой имеет место ограничение к энергии порога ограничения) (I)
5. Высокое пропускание в линейном режиме (I, II)
6. Широкая спектральная область ограничения (I)
7. Высокая лучевая стойкость (I, II)
8. Широкий температурный диапазон функционирования (I)
9. Совместимость с другими оптическими устройствами (I, И)
Из приведенного перечня видно, что наиболее жесткие гребования предъявляются к ограничителям, предназначенным для защиты фотоприемных устройств. Количественные значения параметров таких ограничителей зависят от конкретных условий их применения, однако, можно указать их примерный диапазон:
- Время включения - пико- и наносекунды, время восстановления начального пропускания - нано- и микросекунды
- Порог ограничения - менее 10 мкДж/см2 Коэффициент ослабления в режиме ограничения- более 1000
- Динамический диапазон ограничения - более 1 ООО
- Пропускание в линейном режиме - более 50%
- Температурный диапазон функционирования - -50 + +50° С.
1.1. Нелинейно-оптические эффекты в полупроводниках.
Оптическая нелинейность, возникающая в полупроводнике, часто бывает вызвана вторичными эффектами, которые инициируются некоторым первичным процессом, непосредственно связанным с воздействием излучения. Примерами могут служить фоторефрактивный эффект в присутствии внутреннего электрического ПОЛЯ, вызванного диффузией неравновесных носителей заряда, тепловая нелинейность, возникающая в результате релаксации либо рекомбинации неравновесных носителей и ряд других эффектов. Диэлектрическая проницаемость полупроводника, согласно теории Друде, определяется следующим выражением:
Здесь б| - диэлектрическая проницаемость при отсутствии носителей заряда, N.. т, и сос, - соответственно концентрация, эффективная масса и частота столкновения носителей 1-го типа, со - круговая частота излучения. Из приведенного выражения следует, что изменение оптических свойств полупроводника при воздействии излучения может происходить за счет изменения концентрации носителей заряда, их эффективной массы либо частоты столкновений. Для ограничения излучения может быть использовано либо увеличение коэффициента поглощения полупроводника, либо изменение его коэффициента преломления. В последнем случае ограничение происходит за счет пространственной модуляции излучения - фокусировки, дефокусировки, либо отклонения пучка.
В большинстве нелинейно-оптических эффектов в полупроводниках, используемых для управления лазерным излучением, первичным процессом, приводящим к нелинейности, является генерация неравновесных носителей заряда при поглощении излучения. Поэтому, при систематизации нелинейных эффектов, их удобно группировать в подразделы по тем первичным процессам, которые являются общими для данной группы эффектов, в первую очередь - по типу поглощения. Исключением является подраздел, в котором описаны нелинейно-оптические эффекты, возникающие при обратимом фазовом переходе полупроводник-металл, что связано со спецификой данного процесса.
В таблице 1.1.1 приведены некоторые характеристики полупроводников, наиболее часто используемых в качестве нелинейно-оптических материалов в инфракрасной области спектра [16-19].
(1.1.1)
20
Таблица 1.1.1. Электронные и оптические характеристики некоторых полупроводников.
♦
№ Полупроводник Ширина запрещенной зоны, эВ Показатель преломления Спектральная область нелинейного применения, мкм
1 ZnS 3.8 2.1 0.45-0.65
2 ZnSe 2.8 2.4 0.5-0.9
3 CdTe 1.5 2.7 0.85-1.2
4 GaAs 1.43 3.3 0.85-1.5
5 Si 1.11 3.5 1.06-1.5
6 Ge 0.67 4 9-12
7 InAs 0.36 3.4 3-4
8 InSb 0.17 4 5 (77 К), 9-11 (293 К)
9 HgxCdi.xTe 0-0.17 3.7-4 9-11
10 PbxSni.xTe(Se) 0 1 о к> 5-6.3 9-11
Однофотонное межзоиное поглощение. При энергии фотонов, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника (Лу£Е^ происходят переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости, приводящие к увеличению концентрации свободных носителей заряда. Нелинейную восприимчивость при однофотонных межзонных переходах можно представить в виде [18]:
(3) _ г\апсе2т
8 л m(\hco3
(1.1.2)
Здесь Ti - квантовая эффективность генерации электронно-дырочных пар, a>g=Eß/A, т-врсмя жизни неравновесных носителей, ш - эффективная масса носителей заряда, И -постоянная Планка. Величина х<3) ДЛ* различных полупроводников колеблется в широких пределах [18]: Si (Х=1.06 мкм) - 1.1-10'7 esu, InSb (Т=5 К, А=5.3 мкм) - <10*', HgxCd|.xTe (Л.=10.6 мкм) - >510'2.
Для импульсов излучения пикосекундной длительности, когда процессами рекомбинации носителей можно пренебречь, концентрация неравновесных носителей может достигать значительной величины и превышать Ю20 см*3 [2]. При этом относительное изменение показателя преломления полупроводника на длине волны
21
1.06 мкм составляет Дл/л= -0.05 при плотности энергии Q=0.01 Дж/см [2].
Эксперименты, проведенные на длине волны 0.69 мкм для импульсов излучения длительностью 30 не [3] также продемонстрировали существенное изменение оптических констант германия: Ап = - 0.8, Ак = 2 для интенсивности падающего
фундаментальной полосе поглощения, либо на ее краю, поглощение полупроводника в линейной области велико. Поэтому высокий коэффициент пропускания слабого сигнала может быть обеспечен только в тонких пленках полупроводников.
При энергии фотона примерно равной ширине запрещенной зоны (Ау»Ей) в полупроводнике возникает резонансный эффект, приводящий к увеличению оптической нелинейности. Нелинейная компонента показателя преломления, связанная
Здесь К - константа, зависящая от свойств полупроводника, к - постоянная Больцмана, а(Асо) - коэффициент поглощения, ц - редуцированная эффективная масса носителей заряда, тс - эффективная масса носителей в зоне проводимости, т - время межзонной рекомбинации носителей, Т- температура. Благодаря тому, что функция J имеет резкий максимум при Аш=Ек, малые изменения Eg, /яс, р приводят к существенному изменению Ап. Как показано в [4], для InSb при температуре 77 К ширине запрещенной зоны соответствует резонансная длина волны Х=5.49 мкм. Для данной длины волны нелинейная восприимчивость достигает 1 esu. Основным недостатком данного эффекта, применительно к ограничению излучения, является узкая спектральная область его реализации, необходимость использования криогенных температур и достаточно высокий линейный коэффициент поглощения.
Для управления лазерным излучением с помощью эффектов, возникающих при однофотонном межзонном поглощении, может быть использован двухволновый метод, при котором для управляющего излучения - Av>Eg, а для управляемого излучения -Av<Eg. Возможности применения данного метода для управления излучением 10-микронного диапазона продемонстрированы в работах [5, 6). Метод основан на генерации носителей заряда в германии импульсным излучением с длиной волны 1.06
2
излучения 1=5.5 МВт/см . Так как описанный эффект происходит непосредственно в
♦
с генерацией носителей заряда, в этом случае имеет вид [4]:
(1.1.3).
Ф
мкм (в работе [6] - также с Х=0.6-0.7 мкм). Процесс ограничения излучения при этом определяется двумя эффектами. Во-первых, как следует из (1.1.1), коэффициент поглощения полупроводника пропорционален концентрации носителей заряда и квадрат)' длины волны излучения. Во-вторых, при высоких концентрациях неравновесных носителей наблюдается рост коэффициента отражения полупроводника, приводящий к уменьшению его пропускания. Данный эффект возникает в том случае, когда плазменная частота колебания коллектива носителей заряда превысит частоту колебания электромагнитной волны. Плазменная частота определяется следующим выражением [7]:
Для германия концентрация носителей заряда, соответствующая плазменной частоте примерно равна 1019 см*3. Превышение данной концентрации приводит к увеличению коэффициента отражения до 90-95% [6, 8]. Плотность энергии управляющего излучения, необходимая для переключения полупроводника в состояние
наносекундной длительности [5, 6].
Вариант двухволнового управления излучением, в котором и управляющий и управляемый сигналы лежат в среднем ИК диапазоне, описан в работе [9]. Нелинейнооптическим элементом являлась пленка РЬ|.х8пхТс при Т=77 К. При данной температуре ширина запрещенной зоны полупроводника не превышает 0.115 эВ. Длина волны управляющего и управляемого сигналов равны соответственно 9.3 и 10.6 мкм. Под воздействием интенсивного управляющего сигнала происходит генерация неравновесных носителей заряда, приводящая к изменению поглощения и преломления полупроводника, а также к увеличению ширины запрещенной зоны за счет эффекта Бурштейна-Мосса [7]. В работе [9] для управления излучением использовался именно последний эффект, приводящий к увеличению коэффициента пропускания излучения с Х=10.6 мкм. Однако, очевидно, что увеличение концентрации носителей заряда, в данном случае, может быть использовано и для ограничения излучения - за счет поглощения излучения на носителях либо - за счет дефокусировки излучения в условиях изменения показателя преломления.
Большое количество экспериментальных и теоретических работ посвящено нелинейно-оптическим процессам в полупроводниковых планарных волноводах. Для
(1.1.4)
с низким коэффициентом пропускания, составляет 0.5-1 мДж/см2 для импульсов
23
оптического переключения в волноводах используются два метода (напр. (10, 103, 106]): изменение связи между радиационной волной и волноводной модой на входе или выходе волновода и изменение условий распространения волноводной моды. Применительно к ограничению излучения, в первом случае это означает создание такого изменения диэлектрической проницаемости волновода, при котором возникает неравенство между волновым вектором падающего излучения и волновым вектором волноводной моды. Во втором случае - либо увеличение поглощения в среде волновода, либо - такое изменение диэлектрической проницаемости волновода, при котором, для заданной длины волны, не выполняется характеристическое уравнение распространения волноводной моды [11].
Нелинейно-оптические эффекты, возникающие при однофотонном поглощении, исследовались, в основном, в кремниевых волноводах на сапфировой подложке на длине волны 1.06 мкм (10, 12-15]. Так как на Х=1.06 мкм в 81 происходят непрямые однофотонные межзонные переходы, то сечение поглощения излучения с данной длиной волны достаточно велико. Поэтому, уже при относительно низкой интенсивности падающего излучения генерация носителей заряда за счет однофотонного поглощения приводит к заметному изменению показателя преломления волновода.
Рассмотрим ограничение излучения на примере планарного 81-волновода с дифракционной связью [15], оптическая схема которого показана на рис. 1.1.1а. Уравнение определяющее эффективность ввода излучения в волновод, имеет вид [15]:
объемная плотность мощности падающего излучения, кср - коэффициент входной связи, 80 - линейный фактор рассогласования фаз, Др]Ч1. - нелинейная добавка к фазе, а - полные потери для волноводной моды. Исходно, угол падения излучения на входную дифракционную решетку выбирается таким образом, что для заданной длины волны обеспечивается максимальная эффективность ввода энергии в волновод. При
(1.1.5)
Здесь т - номер волноводной моды, I2 - мощность волны в волноводе, I А;п| 2 -
т
О 20 40 60 80 100
т, не
б
Рис.1.1.1. Ограничитель излучения на основе планарного кремниевого волновода [15]. а - оптическая схема ограничителя, 1 - волновод из 81, 2 - сапфировая подложка, 3,4 -дифракционные устройства ввода и вывода излучения, б - осциллограммы импульсов падающего излучения (Ею), импульса излучения на выходе волновода (ЕВЬ1Х) и расчетная временная зависимость изменения показателя преломления (Ал).
увеличении концентрации неравновесных носителей заряда под действием импульса излучения показатель преломления волновода в его входной части уменьшается:
е2 N
Д п=------------т (1.1.6)
Пое о/и СО
Это приводит к появлению нелинейной добавки ДРыь к рассогласованию связи на входе волновода и к уменьшению эффективности ввода энергии в волновод - то есть к ограничению мощности излучения, вводимой в волновод. На рис. 1.1.16 показаны осциллограммы импульсов падающего излучения, импульса излучения на выходе волновода и расчетная зависимость нелинейной добавки к показателю преломления. Полная энергия в импульсе падающего излучения - 10 мкДж. Из рисунка видно, что ограничение возникает уже на фронте импульса излучения. Сравнение зависимостей Е*их(т) и Дл(т) указывает на то, что причиной ограничения является изменение показателя преломления, связанное с генерацией неравновесных носителей заряда. Положительное изменение показателя преломления на хвосте импульса определяется тепловыми процессами: Дя,=+Д/</л/Л. Нагрев происходит как в процессе передачи энергии решетке при релаксации горячих носителей заряда, так и за счет процессов безызлучательной рекомбинации (напр. - [20]). Пульсации выходного излучения связаны с интерференцией падающего излучения и волноводной моды, приводящей к пространственно-временной модуляции показателя преломления на входе волновода.
Достоинствами волноводного полупроводникового ограничителя являются его высокое быстродействие, низкий порог ограничения и совместимость с интегральными оптическими устройствами, предназначенными для обработки оптической информации.
Эффективное ограничение излучения в кремнии в условиях самодефокусировки при однофотонном поглощении на длине волны 1.06 мкм было продемонстрировано в работе [59]. Ограничитель представлял собой двухлинзовый телескоп и диафрагму, расположенную за второй линзой. В общей фокальной плоскости линз располагалась кремниевая пластина с линейным коэффициентом поглощения а=10 см'1. Длительность импульса излучения была равна 48±18 пс. При энергии излучения на входе менее 1 мкДж пропускание данной системы линейно. При более высоких входных энергиях происходит ограничение излучения. В эксперименте был получен динамический диапазон ограничения равный 700. Механизм ограничения излучения здесь связан с образованием отрицательной динамической линзы в кремниевой пластине в результате
26
генерация носителей заряда (см. (1.1.6)), приводящей к дефокусировке излучения и уменьшению доли излучения, прошедшего через выходную диафрагму. Таким образом, в описанном ограничителе реализуется принцип пространственной модуляции прошедшего излучения, вызванной пространственной модуляцией показателя преломления полупроводника.
В данном эксперименте впервые была показана возможность получения ограничения при самодефокусировкс излучения в полупроводниках. Достоинствами ограничителя являются высокое быстродействие и низкий порог ограничения. Основной его недостаток - достаточно высокое линейное поглощение, связанное с механизмом генерации носителей заряда - однофотонными переходами. Для уменьшения линейного поглощения необходимо увеличивать ширину запрещенной зоны по сравнению с энергией кванта излучения. В этом случае для ограничения излучения может быть использован иной механизм генерации носителей заряда -двухфотонное поглощение. Ограничители излучения на основе самодефокусировки излучения при двухфотонном поглощении будут описаны ниже.
Однофотонное внутризоннос поглощение. Среди различных типов внутризонных переходов в полупроводниках практический интерес для управления излучением представляют прямые переходы между подзонами тяжелых (НН) и легких (ЬН) дырок в валентной зоне. Такие переходы наиболее хорошо изучены в ве, 51 и ОаАэ /7-гипа [21, 22]. Для р-ве полоса поглощения, связанная с переходами НН->ЬН,
составляет -210'8 его, для СаАБ --0.4-10'8, для ГлАб - 1.3-10 8 для А.=10.6 мкм [18].
Так как под действием излучения достаточно высокой интенсивности происходит насыщение данного типа поглощения (выжигание дыр в спектре поглощения), то основное применение полупроводников /7-типа - насыщающиеся поглотители. В частности, р-бе находит применение для модуляции добротности импульсных СОг лазеров в пикосекундном диапазоне [25, 26]. В то же время, так как при внутризонных переходах изменяется эффективная масса дырок, то, согласно (1.1.1,
Ф
занимает спектральный интервал 9.2-25 мкм [23, 24]. Нелинейная восприимчивость при внутризонных переходах имеет вид [18]:
(1.1.7)
Здесь 15 - интенсивность насыщения внутризонного поглощения. Для ве величина х(3)
Ф
1.1.5), изменяется и показатель преломления полупроводника. В р-ве эффективная масса дырок при переходе НН->ЬН изменяется от 0.34 до 0.043, в р-ваАв - от 0.68 до 0.12 [18]. Поэтому внутризонные переходы могут представлять интерес и для ограничения излучения, основанного на изменении показателя преломления среды. Так как линейное поглощение полупроводников р-типа достаточно велико [21, 23], то такой ограничитель должен представлять собой тонкий эталон Фабри-Перо, либо тонкопленочный многослойный интерферометр с полупроводниковой пленкой.
Однофотонное примесное поглощение. При введении в полупроводник некоторых видов примесей, либо при создании в нем дефектов (их можно рассматривать как специфический вид примеси), в запрещенной зоне полупроводника возникают дополнительные энергетические уровни, которые могут существенно изменять линейные и нелинейные оптические свойства полупроводника. Энергетическое положение примесного уровня в запрещенной зоне можно характеризовать энергией ионизации примеси ДЕС - энергетическим зазором между дном зоны проводимости и примесным уровнрм, либо величиной ДЕУ - зазором между примесным уровнем и максимумом валентной зоны (ДЕ^у^Е^. Следует различать мелкие примесные уровни с АЕ<0.1 эВ, которые при комнатной и более высоких температурах полностью ионизированы и не вносят вклада в оптические процессы, и глубокие примесные уровни - с ДЕ>0.2 эВ, которые при комнатной температуре являются ловушками для свободных носителей заряда и приводят к появлению полос примесного поглощения [7, 35].
Электронные процессы, происходящие в условиях примесного поглощения, имеют ряд существенных отличий, по сравнению с одно- и двухфотонным межзонным поглощением. Ниже перечислены некоторые из них, а именно те, которые оказывают влияние на динамику нелинейно-оптических процессов, используемых для управления излучением [27-30, 32].
- Зависимость коэффициента примесного поглощения от концентрации примесных центров с захваченным электроном. Насыщение примесного поглощения.
- Зависимость постоянной времени примесной рекомбинации носителей от концентрации свободных примесных центров.
- Возможность многократной ионизации примесных центров излучением.
- Возможность каскадных переходов.
- Возможность переходов как из валентной зоны на примесный центр, так и с примесного центра в зону проводимости.
- Возможность переходов через промежуточное, возбужденное состояние примеси.
Несмотря на то, что оптические свойства полупроводников с глубокими примесными уровнями изучались и изучаются достаточно интенсивно [27-33], их применение для управления излучением ограничивалось двумя областями -модуляцией добротности лазеров ближнего ИК диапазона [34] за счет насыщения примесного поглощения и управление волновым фронтом излучения за счет модуляции коэффициента преломления при генерации носителей заряда с примесных центров [18, 28, 36]. Как показано в [28, 36], свстоиндуцированные решетки, формируемые в примесных полупроводниках, обладают рядом особенностей по сравнению с решетками, возникающими в условиях межзоиного поглощения. При низкой интенсивности излучения модуляция показателя преломления происходит за счет изменения концентрации носителей заряда с примесных центров и, при определенной ориентации кристалла, за счет фоторефрактивного эффекта в локальном электрическом поле, возникающем при диффузии носителей. При увеличении интенсивности
I
излучения возникает амплитудная решетка, связанная с модуляцией коэффициента примесного поглощения. При дальнейшем увеличении интенсивности и при условии 2Ау>Е8 возникает дополнительная фазовая решетка, связанная с генерацией носителей при двухфотонном межзонном поглощении и амплитудная решетка связанная с поглощением на неравновесных носителях заряда. Кроме того, при криогенных температурах (Т=100-150 К), в ОаАв, содержащем глубокие уровни, образованные дефектами типа ЕЬ2 и ОХ, может возникать метастабильная фазовая решетка, связанная с модуляцией неравновесных квази-уровней Ферми [36].
Так как при однофотонной генерации носителей с глубоких примесных уровней происходит изменение концентрации носителей заряда и показателя преломления полупроводника, можно ожидать возникновение эффекта ограничения излучения за счет пространственной модуляции показателя преломления. Исследованию такого ограничения излучения и его особенностей посвящена глава 2 настоящей диссертации.
Экситонное поглощение. У большинства полупроводников экситонные уровни находятся в запрещенной зоне вблизи дна зона проводимости (напр., [7]). При наличии в полупроводнике примесей либо дефектов экситонные уровни могут возникать и в
глубине запрещенной зоны [30, 41]. В полупроводниковых структурах с квантовыми ямами (MQW - multiple quantum wells) появляется возможность управления спектратьным положением экситонных резонансов с помощью изменения геометрии и состава структуры, механического напряжения и внешнего электрического поля [41, 42-44]. Изменение диэлектрической проницаемости структур с MQW под действием излучения может происходить за счет генерации экситонов [39, 40], за счет распада связанных экситонов с изменением концентрации неравновесных носителей [45] и за счет возникновения локального электрического поля, приводящего к спектральному сдвигу экситонного резонанса. Благодаря высокому быстродействию и низким порогам оптического переключения, полупроводниковые устройства с MQW интенсивно исследуются и находят широкое применение в качестве быстродействующих оптических переключателей (напр., обзор [39]).
В качестве примера, рассмотрим свойства MQW-сгруктуры на основе механически напряженной InGaAs/InAlAs легированной Вс и выращенной при низкой температуре [45]. При низкотемпературном выращивании эпитаксиальных слоев, в них возникает нестехиометричность за счет избытка As. Эго, совместно с легированием Be, позволяет уменьшить нерадиационное время рекомбинации носителей до 1 пс. Механическое напряжение приводит к расщеплению экситонных уровней е-НН и e-LH и появлению экситонного пика поглощения на длине волны 1.55 мкм (рис. 1.1.2а). Оптический переключатель представляет собой MQW-структуру, выращенную на Аи-зеркале с внешним AR-покрытисм. Механизм оптического переключения - насыщение экситонного поглощения, приводящее к увеличению коэффициента отражения на длине волны 1.55 мкм. На рис. 1.1.26 показано изменение коэффициента отражения переключателя под действием импульса излучения длительностью 700 фс с энергией 2 пДж. Из рисунка видно, что при столь малой энергии управления, модуляция оптического сигнала превышает 13 дБ за время не более 1.5 пс.
Очевидно, что изменение диэлектрической проницаемости в MQW-структурах под действием излучения может быть использовано и для низкопорогового 01раничсния излучения. Однако, существенным их недостатком является узкая спектральная область функционирования и относительно малый динамический диапазон.
30
А., мкм
Рис. 1.1.2. Оптическое переключение в МС^-структуре [45]. а - спектр поглощения напряженной -структуры, легированной Ве. б - оптический отклик структуры под действием импульса излучения (Х=1.55 мкм, т=700 фс, Е=2 пДж).