Динамические ИК-голограммы на поверхности полупроводников тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Пичугин, Игорь Геннадьевич

• Пичугин, Игорь Геннадьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Пичугин, Игорь Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Электронные механизмы кубичной нелинейности полупровод ников.

1.1. Непараболичность зоны проводимости.

1.2. Нелинейная рефракция при заполнении зоны

1.3. Насыщение резонансных переходов.

1.4. Генерация электронно-дырочных пар.

1.4.1. Время релаксации нелинейного отклика.

1.4.2. Влияние поверхности образца.

ГЛАВА II. Термоиндуцированные механизмы записи поверхностных динамических голограмм.

2.1. Изменение показателя преломления полупроводников с температурой.

2.2. Термоиндуцированное изменение ширины запрещенной зоны.

2.2.1. Коэффициент поглощения в узкозонных полупроводниках.

2.2.2. Поглощение излучения свободными носителями заряда.59.

2.3. Экспериментальное исследование температурной зависимости спектра поглощения 1п8Ь.

2.4. Динамические голограммы на поверхности среды с фазовым переходом полупроводник - металл.

2.4.1. Электродинамические свойства микрогетерогеннои среды с фазовым переходом полупроводник-металл.

2.4.2. Экспериментальное исследование нелинейно-оптических свойств окиснованадиевых пленок.

2.4.3. Четырехволновое смешение поверхностных электромагнитных волн на границе раздела двуокись ванадия-диэлектрик.

ГЛАВА III. Динамические голограммы на границе раздела сред вблизи угла полного внутреннего отражения.

3.1. Механизм модуляции рельефа на основе фазового перехода в тонкослойной среде.

3.2 Четырехволновое смешение излучения на границе раздела сред вблизи угла полного внутреннего отражения.

ГЛАВА IV. Обращение волнового фронта ИК-излучения тонкослойным > отражательным интерферометром Фабри-Перо на основе CdHgTe.

4.1. Нелинейный отклик среды на основе генерации электронно-дырочных пар в интерферометре.

4.2. Мультистабильные характеристики нелинейного отражения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамические ИК-голограммы на поверхности полупроводников»

Динамическая голография является областью нелинейной оптики, исследующей перспективные методы регистрации и обработки оптической информации [1], которые используются в оптической связи, лазерной технике, для управления параметрами лазерного излучения (в частности, при обращении волнового фронта (ОВФ) излучения [2]). Одной из актуальнейших задач этой области лазерной физики является поиск и исследование новых сред и механизмов нелинейности, а также схем записи динамических голограмм . В среднем ИК - диапазоне спектра наибольший прогресс достигнут при использовании четырехволнового смешения (ЧВС) излучения в средах с нелинейной восприимчивостью третьего порядка, в которых записываются обычно «толстые» (или объемные ) голограммы [2-5]. В ряде случаев, однако,-предпочтительнее оказываются поверхностные голограммы. Отметим, что нелинейные свойства поверхности исследовались уже в самых первых, классических нелинейно-оптических экспериментах Бломбергена с сотрудниками [6]. ОВФ излучения отражающей поверхностью впервые предложено и реализовано Б.Я. Зельдовичем с сотрудниками [7-8]. К преимуществам таких голограмм относятся, например, резкое снижение влияния эффектов самовоздействия (самофокусировки и т.п.), отсутствие угловой селективности голограммы, удобное в ряде прикладных задач, снятие ограничения на частотный диапазон считывающего излучения. Хотя принципы поверхностной динамической голографии сформулированы достаточно давно, количество пригодных для практически применений сред и механизмов очень ограничено, поскольку эффективная запись поверхностных голограмм требует сред с большой нелинейностью, так как «накопление» нелинейности на толщине образца отсутствует.

Физическая природа поверхностной нелинейности может быть различной. Большую группу составляют механизмы рельефной записи голограмм, основанные на тепловом расширении среды [9], световом давлении [10], термокапиллярном механизме (модуляции коэффициента поверхностного натяжения) [11-14], термоиндуцированном фазовом переходе (плавлении, испарении) [15]. Однако в большинстве прикладных задач данные нелинейности оказываются практически непригодными из-за большой инерционности нелинейного отклика.

Вторая группа механизмов поверхностной нелинейности основана на зависимости френелевского коэффициента отражения излучения от диэлектрических проницаемостей граничащих сред. В этом случае могут быть использованы и механизмы, обеспечивающие обычную нелинейную восприимчивость третьего порядка. В средней ИК области спектра наибольшим значением кубичной нелинейной восприимчивости х(3) (наряду с высоким быстродействием нелинейного отклика), обладают полупроводники.

В связи с этим актуальной является поставленная в данной работе цель: исследование эффективности записи динамических ИК - голограмм на поверхности полупроводников с кубичной нелинейностью, поиск новых механизмов, схем и методов реализации поверхностной нелинейности различных сред. В задачу входило изучение особенностей записи динамических голограмм в тонкослойных образцах (в частности, образующих интерферометр Фабри-Перо), по ряду характеристик приближающимся к поверхностным.

Практическая значимость работы связана с актуальной проблемой разработки ОВФ-зеркал для излучения среднего ИК-диапазона спектра, исследования предельных характеристик динамических голограмм, перспектив использования различных сред и механизмов нелинейности. Особый интерес представляют новые схемы реализации поверхностных нелинейностей, значительно повышающие функциональные возможности техники фазового сопряжения и расширяющие область практического применения методов динамической голографии.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Пичугин, Игорь Геннадьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проанализированы механизмы кубичной нелинейности в узкозонных полупроводниках (Сс1НдТе, ¡пЭЬ). Рассчитан спектр ИК-поглощения узкозонного полупроводника (СбНдТе ) с учетом насыщения межзонного перехода, непараболичности зон, вклада свободных носителей, влияния нелинейной Оже-рекомбинации. Показано, что наибольшую голографическую чувствительность обеспечивает генерация э.-д. пар. Максимальная чувствительность для излучения с ^=10 мкм в сплавном СбНдТе может достигать 104 см2 /Дж.

2. Экспериментально в широком (от азотной до комнатной) температурном интервале исследована тепловая нелинейность, связанная с термоиндуцированным изменением ширины запрещенной зоны узкозонного полупроводника ¡пЭЬ, теоретически рассчитано термоиндуцированное изменение оптических констант СсИЧдТе.

3. Предложена схема записи ИК-голограмм на границе раздела сред вблизи угла нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). Показано, что коэффициент поверхностной нелинейности для объемных (на основе кубичной нелинейности) и рельефных механизмов записи может быть значительно (на порядок и более) увеличен.

• 118

Экспериментально исследованы электродинамические свойства окиснованадиевых пленок, определяющие нелинейно-оптические характеристики среды в среднем ИК-диапазоне спектра, определена голографическая чувствительность среды для импульсного и непрерывного излучения. б.Теоретически исследована эффективность ОВФ-зеркала для излучения ИК-диапазона на основе интерферометра Фабри-Перо в пленке СсИЧдТе. Установлена связь мультистабильных характеристик полупроводникового интерферометра Фабри-Перо с эффективностью нелинейного отражения в схеме ОВФ-П, показана возможность эффективного управления характеристиками мультиста-бильного режима.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Пичугин, Игорь Геннадьевич, 2000 год

1. Новые физические принципы оптической обработки информации /Под ред. С.А. Ахманова и М.А. Воронцова. М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1990.-400 С.

2. Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта. М.: Наука. Гл. ред. физ,- мат. лит., 1985.240 С.

3. Одулов С.Г., Соскин М.С., Хижняк А.И. Лазеры на динамических решетках: Оптические, генераторы на четырехволновом смешении. М.:Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990,- 272.

4. Басов Н.Г., Ковалев В.И., Файзулов Ф.С. Среды для обращения волнового фронта излучения С02-лазеров // Изв. АН СССР, сер. физ. 1987. - Т. 51,- №2. - С. 280-292.

5. Гиббс X. Оптическая бистабильность: Управление светом с помощью света: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 520 С.

6. Бломберген М. Нелинейная оптика. М:Мир, 1965,- 243 С.

7. Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Сударкин А.Н., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта поверхностью // ДАН СССР. 1980. -т.252. - с. 92-96.

8. Куликов О. Л., Пилипецкий Н.Ф., Сударкин А.Н., Шкунов В.В. Реализация обращения волнового фронта поверхностью // Письма в ЖЭТФ. -1980. -т.317. с.337-341.

9. Голубцов A.A., Пилипецкий Н.Ф., Сударкин А.Н., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта при светоинду-цированном профилировании формы поверхности поглощающего вещества // Квантовая электроника,- 1981. Т.8. - С.663-668.

10. Комиссарова И.И., Островская Г.В., Щедова E.H. Деформация свободной поверхности жидкости под действием светового давления //ЖТФ.-Т.58.- В.4.- С.769-776.

11. Глушков A.C., Константинов В.Г., Латышев А.К. и др. О некоторых характеристиках термооптического преобразователя с жидкой модулирующей средой // Письма в ЖТФ. 1979.- Т.5. -20.-С. 1223-1227.

12. Визнюк С.А., Суходольский А.Т. О термокапиллярном самовоздействии лазерного ' излучения в тонких слоях поглощающей жидкости // Квантовая электроника. 1988. - Т. 15. - N4,-С. 767-770.

13. Визнюк С.А., Суходольский А.Т. О применении светоиндуци-рованного эффекта Марангони для записи динамических дифракционных решеток// Краткие сообщ. по физике. ФИАН СССР, 1986. - N 12. -С.9-12.

14. Loulerque J.С., Levy Y., Imbert С. Thermal imaging system with a two-phase ternary mixture of liquids//Optics communications. -1983.-V.45.-N.3.-P.149-154.

15. Gower M.G. The physics of phase conjugate mirrors // Progress in quantum electronics.-1984. V.9. - P.100-147.

16. Басов Н.Г., Ковалев В.И., Файзуллов Ф.С. Среды для обращения волнового фронта излучения С02-лазеров // Изв. АН СССР. сер. физ.-1987,- Т.51.- N2. С. 280-292.

17. Ковалев В.И. Дисперсия характеристик нелинейного отклика, используемого для реализации ОВФ. Изв. РАН, 1996. Т.50. -№6. С. 75-91.

18. Ковалев В.И. Предельно достижимая эффективность кубического нелинейного отклика вещества // Квантовая электроника. -1997.-Т. 24.-№8.-С. 751-753.

19. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников, М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит.,1978. -615 с.

20. Watkins D.E., Phipps C.R., Thomas Jr. at all. Observation of amplified reflection through degenerate four-wave mixing at C02 laser wave lengths in germanium. Opt. Lett., 1981, vol.6, N 2, p.76-78.

21. Watkins D.E., Phipps C.R. Degenerate four-wave mixing in p-type germanium. An absorbing medium. J. Opt. Soc.,1983, vol.73, N 5, p.624-628.

22. Ковалев В.И., Мусаев М.А., Файзуллов Ф.С. Отражение при вырожденном четырехволновом взаимодействии в InAs и InSb на длине волны 10,6 мкм. М.: 1984, - 41с. (Препринт/Физический институт АН СССР: N 122).

23. Басов Н.Г.Ковалев В.И., Мусаев М.А., Файзуллов Ф.С. Обращение волнового фронта излучения импульсного С02-лазера. -Труды ФИАН, М.: Наука, 1986, т. 172, с. 116-179.

24. Зельдович Б.Я., Яковлева Г.В. Влияние линейного поглощения и отражения на характеристики четырех волнового ОВФ. -Квантовая электроника, 1981, т. 8, N 9, с. 1891-1897.

25. Jain R.K., Steel D.G. Degenerate four-wave mixing of 10,6 цт radiation in HgixCdxTe //Appl. Phys. Lett. -1980. -vol.37, N1 p. 1-3.

26. Khan M.A., Bennet R.L.H., Kruse P.W. Bandgap resonant phase conjugate in n-type Hg^CdxTe at 10,6 jim // Opt. Lett. -1981. -vol. 6, N11.-p.560-562.

27. Jain R.K., Steel D.G. Large optical nonlinearities and cw degenerate four-wave mixing in HgCdTe // Opt. communs. 1982, vol.43, N1. -p.72-77.

28. Miller D.A.B., Harrison R.G., Johnston A.M. et. al. Degenerate four-wave mixing in InSb at 5 К // Opt. communs. 1980, vol.32, N3. -p.478-480.

29. Mackenzie H.A., Hagan D.G., Al-Attar H.A. Phase conjugation by degenerate four-wave mixing in InSb with a cw CO laser // Opt. communs. 1984. -vol.54, N5. -p. 352-356.

30. Mackenzie H.A., Hagan D.G., Al-Attar H.A. Four-wave mixing in indium antimonide // IEEE J.Quant.Electron. -1986. -vol. QE-22, N8.-p. 1328-1340.

31. Kidall Н., Iseler G.W. Laser induced damage of infrared nonlinear materials. Appl. Opt., 1976. - v. 15. - N12,- p. 3062-3065.

32. Бугаев A.A., Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А. Фазовый переход полупроводник и его применение // Л.: Наука. Ленинград, отд., 1979.-220 С.

33. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами: Пер. с англ. М.: Мир, 1986,- 664 С.

34. Мокеров В.Г., Бегишев А.Р., Игнатьев A.C. Влияние отклонения от стехиометрического состава на электронную структуру и фазовый переход металл-изолятор в двуокиси ванадия // ФТТ. -1979,- T.21.-N.5. С.1482-1489.

35. Чудновский Ф.А. Фазовый переход металл-полупроводник в двуокиси ванадия // Чтения памяти А.Ф. Иоффе 1987-1988 (сб. научн. тр.). / Л.: Наука, 1989,-С.86-91.

36. Биленко В.И., Жаркова Э.А., Рябова Л.А и др. Влияние фазового перехода металл-полупроводник в двуокиси ванадия на прохождение и отражение электромагнитного излучения // Письма в ЖТФ. 1976.- Т.2.- N14.- С.638-641.

37. Бегишев А.Р., Мокеров В.Г., Раков A.B., Рябинин И.В. Гистерезис температурной зависимости коэффициента пропускания света в тонких слоях VO при фазовом переходе полупроводник-металл // Микроэлектроника,- 1975,- Т.4 В.4. - С.370-372.

38. Бугаев A.A., Захарченя Б.П., Чудновский А.Ф. ФТИРОС новый материал для импульсной голографии. Л.: ЛДНТП, 1976.

39. Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А., Штейнгольц З.И. Инфракрасная голография на ФТИРОСЕ с использованием СО 42 0-лазера // Письма в ЖТФ. 1983. - Т.9. - В.2 - С.76-78.

40. Олейник A.C. Оптические параметры пленочных реверсивных сред AI-VO 42 0-АК-113Ф и AI-VO 42 0-AI 42 00 43 0 // ЖТФ.- 1993,- Т.63,- В.1. -С.97-108.

41. Сербинов И.А., Канаев И.Ф., Малиновский В.К., Рябова Л.А. Оптические свойства пиролитических пленок VO 42 0 // Микроэлектроника. -1973. Т.2. - N6. - С.562-564.

42. Канаев И.И., Малиновский В.К., Рябова Л.А., Сербинов И.А. птическая запись информации на пленках VO 42 0 // Микроэлектроника. 1975. - Т.4 - N4. - С.336-338.

43. Бергер Н.К., Новохатский В.В. Нелинейное отражение излучения CW СО 42 0-лазера при фазовом переходе металл-полупроводников в VO 42 0 //Лазерные пучки (Сб. науч. трудов). -Хабаровск:ХПИ, 1982. -С.13-22.

44. Бергер Н.К., Дерюгин И.А., Жуков Е.А., Новохатский В.В. Обращение волнового фронта излучения TEA СО 42 0-лазера при фазовом переходе металл-полупроводник в VO 42 0 // Лазерные пучки (Сб. науч.трудов).-Хабаровск: ХПИ, 1982,-С.84-89.

45. Даревский A.C., Сербинов И.А., Карасев B.B. Эпитаксияпиролитических пленок VO на сапфире // Кристаллография.-1975,- Т.20. В.З. - С.684-686.

46. Игнатьев A.C., Мокеров В.Г. Получение тонких слоев ванадия методом реактивного катодного распыления и их свойства // Тезисы докл. II Всесоюзн. совещ. по химии твердого тела, ч.2. -Свердловск, 1978,-С.88.

47. Иванов В.И. Диссертация . кандидата ф.-м.н. / Хабаровск: ДВГАПС. 1994.

48. Аракелян С.М., Чилингарян Ю.С. Нелинейная оптика жидких кристаллов.- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984.- 360 С.

49. Ахманов С.А., Выслоух В.В., Чиркин A.C. Оптика фемтосе-кундных импульсов. М.: Мир, 1988. 346 С.

50. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. М.: Наука, 1989.402 С.

51. Сударкин А.Н. Нелинейные оптические процессы с участием поверхностных электромагнитных волн //Препринт N396 ИПМ АН СССР.-М.: 1989.-41 с.

52. Мамаев A.B., Мельников H.A., Пилипецкий Н.Ф., Сударкин А.Н., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта на поверхности полупроводников при плазменном отражении //ЖЭТФ. 1984. - Т.86. -Вып. 1. -С.232-241.

53. Бергер Н.К., Жуков Е.А., Новохатский В.В. Нелинейное взаимодействие ИК волн на поверхности V02 при фазовом переходе полупроводник-металл // Квантовая электроника. 1984. - Т. 11. - №4. - С.748-750.

54. Пилипецкий Н.Ф., Сударкин А.Н., Ушаков К.Н. Обращения волнового фронта при четырехволновом смешении поверхностных электромагнитных волн //ЖЭТФ. 1987. - Т. 93. - Вып. 1(7). - С. 108125.

55. Иванов В.И., Пичугин' И.Г. Нелинейное взаимодействие ИК излучения в пленках двуокиси ванадия //Тез. докл. конф. молодых ученых «Горячие электроны и коллективные явления в полупроводниках». Вильнюс: ИФП АН Лит. ССР, 1990,- С. 18.

56. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. Исследование ВЧВ инфракрасного излучения в пленках двуокиси ванадия // Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах. Минск: ИФ АН БССР, 1990. - С. 88-93.

57. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. Характеристики ОВФ при ЧВС поверхностных электромагнитных волн в окиснована-диевых пленках // Материалы 42-й научной конференции / Хабаровск: Хабаровский гос. пед. университет, Ч.З, 1996. С.40-42.

58. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. Эффективность обращения волнового фронта излучения рельефными голограммами // Бюллетень научных сообщений / Под ред. В.И. Строганова. Хабаровск: ДВГАПС, 1996. - №1. - С. 13-15.

59. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. Динамический диапазон обращения волнового фронта поверхностью зеркала // Бюллетень научных сообщений / Под ред. В.И. Строганова. Хабаровск: ДВГАПС, 1996. - №1. - С. 15-17.

60. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. Смешение излучения на границе раздела сред при полном отражении // Бюллетень научных сообщений / Под ред. В.И. Строганова. Хабаровск: ДВГАПС, 1996. - №1. - С. 19-20.

61. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г., Симаков С.Р. Динамическая голография на. поверхности раздела,сред // Материалы 43-й научной конференции / Хабаровск: Хабаровский гос. пед. университет, 1997. С. 26-29.

62. Иванов В.И., Пичугин И.Г., Симаков С.Р. Голографические характеристики сред с кубичной нелинейностью // Люминесценция и сопутствующие явления / Материалы IV Всероссийской школы-семинара, Иркутск: ИГУ, 1998. С. 21-23.

63. Иванов В.И., Пичугин'И.Г. Характеристики ЧВС ПЭВ на границе раздела сред // Бюллетень научных сообщений / Под ред. В.И. Строганова. Хабаровск: ДВГУПС, 1998. - №3. - С. 28-29.128

64. Иванов В.И., Пичугин И.Г. Поверхностная нелинейность полупроводниковых сред // Бюллетень научных сообщений / Под ред. В.И. Строганова. Хабаровск: ДВГУПС, 1999. -№4. - С. 82-85.

65. Иванов В.И., Пичугин И.Г., Симаков С.Р. Модель рельефной динамической голограммы в тонкослойной среде с термоиндуциро-ванным фазовым переходом // Нелинейная оптика/ Межвуз. сб. на-учн. тр. Хабаровск: ДВГУПС, 2000. - С. 33-35.

66. Иванов В.И., Новохатский В.В., Пичугин И.Г. "Обращение волнового фронта ИК-излучения в узкозонных полупроводниках с электронными механизмами нелинейности. Препринт № 22. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000. - 34 с.