Спектроскопия второй и третьей оптических гармоник кремниевых наноструктур, фотонных кристаллов и микрорезонаторов

на правах рукописиФедянин Андрей АнатольевичСПЕКТРОСКОПИЯ ВТОРОЙ И ТРЕТЬЕЙОПТИЧЕСКИХ ГАРМОНИК КРЕМНИЕВЫХНАНОСТРУКТУР, ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ ИМИКРОРЕЗОНАТОРОВСпециальность 01.04.21 - лазерная физикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква - 2009Работа выполнена на кафедре квантовой электроники физического факультетаМосковского государственного университета имени М. В. ЛомоносоваОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наук,член-корреспондент РАН,профессор Конов Виталий Иванович,доктор физико-математических наук,член-корреспондент РАН,профессор Сибельдин Николай Николаевич,доктор физико-математических наук,профессор Желтиков Алексей МихайловичВедущая организация:Российский научный центр "Курчатовскийинститут"Защита состоится “” июня 2009 г. в 16.00 на заседании диссертационногосовета Д501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ, ул.

АкадемикаХохлова, дом 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомится в библиотеке физического факультетаМГУ.Автореферат разослан “Ученый секретарь диссертационногосовета Д501.001.31, доцент” мая 2009 г.Т.М. Ильинова1Общая характеристика работыДиссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию спектрального поведения квадратичного и кубичного нелинейно-оптического отклика поверхности кремния и границы раздела кремний - диоксид кремния, а также кремниевых микроструктур - периодических квантовых ям кремний-диоксидкремния, кремниевых наночастиц, фотонных кристаллов и микрорезонаторов.Одной из основных задач диссертации является разработка систематическогоподхода для исследования резонансного поведения второй и третьей оптических гармоник, обусловленного сингулярностями в плотностях состояний электронной зонной структуры кристаллического и мезопористого кремния, а такжефотонной зонной структуры фотонных кристаллов и микрорезонаторов.Явление генерации второй оптической гармоники (ВГ) было экспериментально обнаружено сразу же после создания первого лазера и очень скоро нашлоприменение в оптике для оптического удвоения частоты.

В 60-х годах в работах Н. Бломбергена и Р. Хохлова была показана чувствительность параметровизлучения ВГ к особенностям среды: структуре, симметрии, наличию электрического поля и т.п. Эти работы можно считать основой создания нелинейнооптической методики диагностики среды. Между тем, эффективность генерации ВГ в большинстве материалов крайне мала и составляет в зависимости отматериала и геометрии наблюдения величины в диапазоне от 10−13 до 10−18 .

Высокая эффективность удвоителей частоты (до 80%) достигается за счет явленияфазового синхронизма, что экспериментально реализуемо в крайне ограниченном числе экспериментальных ситуаций и требует специального подбора дисперсии нелинейных материалов и геометрии нелинейного взаимодействия. Приотсутствии фазового синхронизма, для практического наблюдения сигнала ВГтребуется излучение накачки с высокой пиковой плотности мощности на уровне1 МВт/см2 . Такие уровни интенсивности лазерного излучения требуют использования импульсных лазеров, однако воздействие на среду такими полями втечение продолжительного времени приводит к ее необратимому изменению: нагреву, пробою и т.п.

И хотя первые эксперименты по ГВГ в отсутствие фазовогосинхронизма были проведены еще в 60-е годы, широкое практическое применение метода генерации ВГ как диагностической методики исследования веществастало возможным после создания субпикосекундных и особенно фемтосекундных лазеров, сводящих к минимуму тепловое воздействие на среду.

Более того,применение фемтосекундных лазеров позволяет регистрировать излучение ВГот источников, локализованных в областях, размеры которых сравнимых с периодом кристаллической решетки: на поверхности, в квантовых ямах и кванто-2вых точках. Это позволяет развивать эффективные методики неразрушающегоконтроля материалов и элементов микроэлектроники.Генерация второй оптической гармоники является уникальным методом исследования структур пониженной размерности: поверхностей и границ раздела центросимметричных кристаллов, квантовых “проволок” и ям, дефектов вструктурах с центральной симметрией, слоистых микроструктур.

Запрет нагенерацию ВГ в центросимметричных средах в дипольном приближении обуславливает исключительную чувствительность метода к подобным объектам.В методе спектроскопии ВГ перестраивается длина волны накачки и в каждой спектральной точке измеряется интенсивность излучения соответствующейудвоенной частоты. Спектроскопия ВГ позволяет исследовать эффекты размерного квантования, отражающиеся в резонансах квадратичной восприимчивости, характеризовать электронную структуру поверхности, еë модификацию посравнению с объемом, исследовать нелинейно-оптические свойства фотонныхкристаллов и микрорезонаторов. Спектроскопия ВГ требует использования перестраиваемых источников лазерного излучения.

Лазеры на красителях имеюточень небольшой диапазон перестройки (30 - 50 нм), поэтому спектроскопия ВГразвивается лишь в последние годы с появлением достаточно мощных лазеровна основе параметрического генератора света и перестраиваемых фемтосекундных титан-сапфировых лазеров.В настоящее время кремний является основным материалом в микроэлектронике, что делает исследование различных кремниевых структур исключительноважным с прикладной точки зрения.Значительная часть исследований в физике твëрдого тела сосредоточена вобласти изучения свойств поверхностей и границ раздела.

Интерес к этим исследованиям с одной стороны фундаментальный: поверхности и границы разделатвëрдых тел представляют собой объекты весьма отличные от объëма по своимсвойствам, структуре, механизмам протекающих процессов. С другой стороны,актуальность задачи обусловлена требованиями современных технологий, базирующихся на свойствах поверхности, необходимостью исследования влиянияна эти свойства процедуры приготовления. В течение последних десятилетийразвиваются различные методики диагностики свойств поверхности.

Среди нихтакие методы как дифракция медленных электронов исследуют кристаллографическую структуру поверхности - тип решëтки, еë реконструкцию, дефекты,Оже-спектроскопия - химический состав адсорбентов. Электронная и, позднее,туннельная микроскопия кроме морфологии диагностируют также электронные свойства поверхности - связи между атомами, диэлектрические свойства.Линейные и нелинейные оптические методы эффективно применяются для ис-3следования электронной подсистемы поверхности, т.

к. характерные обратныеэлектронные времена находятся в оптическом диапазоне частот. Достоинствомоптических методик в том числе является возможность изучения отклика внутренних границ раздела, возможность их неразрушающего, дистанционного исследования, проведения экспериментов in situ. К сожалению большинство оптических методик наталкиваются на серьëзные трудности выделения сигнала отповерхности на фоне на несколько порядков более сильного сигнала от объëма.Граница раздела Si-SiO2 является с одной стороны уникальным с точки зрения технологической важности объектом, с другой стороны хорошим модельнымобъектом для исследования фундаментальных свойств поверхности, так каксовременная технология изготовления позволяет получить образцы высокогокачества, подробно охарактеризованные несколькими независимыми методами.Граница раздела Si-SiO2 ранее исследовалась с помощью спектроскопии интенсивности ВГ (главным образом с использованием титан-сапфирового лазера),но подобные исследования наталкивались на трудности интерпретации, оставаясь лишь на качественном уровне, т.к.

кремний с точки зрения спектральныхсвойств - сложная мультирезонансная система, спектроскопия интенсивностиВГ слабо чувствительна к типам критических точек зонной структуры. Измерения же спектральных зависимостей фазы волны ВГ, как ещë одного независимого параметра, в комбинации со спектроскопией интенсивности ВГ могли бысущественно расширить возможности изучения спектральных свойств полупроводника. Что касается германия, то исследования спектрального поведения егоквадратичного отклика до сих пор не проводились, хотя его свойства во многом схожи с кремнием, и сравнение было бы интересно - оба относятся к IVгруппе, имеют одинаковую симметрию решëтки, схожие линейные оптическиесвойства.

Различные структуры углерода (графит, алмаз), также относящегосяк IV группе, для оптических исследований интереса не представляют, ширинаих запрещëнной зоны более 5 эВ, т. е. лежит в далëком ультрафиолете.Периодические квантовые ямы и наночастицы (квантовые точки) представляют собой объекты, свойства которых существенно меняются по сравнению собъемом вещества, из которого они сконструированы, перестраивается их электронная подсистема, появляются размерно-квантованные энергетические подзоны, модифицируются резонансы комбинированной плотности состояний.

Всеэто находит отражение в нелинейно-оптическом отклике, что представляет существенный интерес для исследования. В частности, генерация второй гармоники в периодических квантовых ямах до сих пор систематически не исследована,существует лишь небольшое количество данных.

Уникальные контролируемыесвойства периодических квантовых ям и наночастиц позволяют надеяться на4возможные их применение для контроля длины волны излучения, повышенияэффективности люминесценции, для создания микролазеров и нового типа детекторов.Можно проводить аналогии между периодическими квантовыми ямами и фотонными кристаллами (ФК), которые переносят их свойства из области энергийэлектронов в область энергий фотонов в видимом диапазоне, ближнем ультрафиолете или инфракрасной области. Изменение толщин слоев одномерного ФКприведет к перестройке уже фотонного, а не электронного спектра, к изменению модового состава оптического поля и появлению фотонной запрещеннойзоны (ФЗЗ). Фотонные кристаллы позволяют наблюдать целый ряд интересных эффектов, связанных с возможностью управлять распространением света гигантскую дисперсию, оптическое переключение, - важных для оптоэлектронных приложений.Фундаментальный интерес к фотонным кристаллам связан в том числе и сисследованием процессов генерации оптических гармоник в ФК.