Динамика нелинейных процессов и усиление излучения в системе когерентных экситонов и биэкситонов в полупроводниках

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯМОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВАНа правах рукописиМарков Дмитрий АлександровичДИНАМИКА НЕЛИНЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВИ УСИЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯВ СИСТЕМЕ КОГЕРЕНТНЫХ ЭКСИТОНОВ И БИЭКСИТОНОВВ ПОЛУПРОВОДНИКАХ01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре нелинейной оптики и квантовойрадиофизики физико-математического факультета Государственногообразовательного учреждения «Приднестровский государственныйуниверситет им. Т.Г.

Шевченко»Научный руководитель:д.ф.-м.н., профессор Хаджи Петр ИвановичГосударственное образовательное учреждение «Приднестровскийгосударственный университет им. Т.Г. Шевченко»Официальные оппоненты: д.ф.-м.н., профессор,Маныкин Эдуард АнатольевичФедеральное государственное бюджетное учреждение«Национальный исследовательский центр «КурчатовскийИнститут»д.ф.-м.н. Гиппиус Николай АлексеевичФедеральное государственное бюджетное учреждение науки«Институт общей физики им. А.М.

Прохорова Российскойакадемии наук»Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшего профессиональногообразования «Ульяновский государственный университет»Защита состоится «____» декабря 2013 г. в 16:30 на заседаниидиссертационного совета Д.501.001.31 в Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова, расположенном по адресу: 119991,ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 62, корпус нелинейной оптики,аудитория имени С.А.

Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научнойбиблиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27).Автореферат разослан «___» __________ 2013 г.Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенныепечатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученогосекретаря диссертационного совета.Ученый секретарь диссертационного совета,Коновко Андрей Андреевичк.ф.-м.н.1ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.

Будущее интегральной оптики имикроэлектроники связывают с технологиями, направленными наувеличение степени интеграции узлов устройств обработкиинформации, что позволит повысить скорость и надежность ихработы. При этом элементами микросхем могут являться тонкиепленки полупроводников, а носителем информации – свет. Тонкимисчитаются пленки, толщина L которых удовлетворяет неравенствуa0<<L<<λ, где a0 – боровский радиус экситона, λ – длина волныпадающегоизлучения.Возникающиеприпрохожденииэлектромагнитного излучения через тонкий слой резонансной средынелинейные эффекты, такие же как и в объемном полупроводнике(самоиндуцированная прозрачность, оптическая бистабильность имультистабильность и др.), позволяют использовать такие элементыдля создания различного рода миниатюрных устройств (усилителей,переключателей, транзисторов и др.), которые могут послужитьэлементной базой для узлов оптического компьютера, волоконнооптических линий связи и т.д.

Проявление указанных эффектовзависит от динамики экситонов и биэкситонов, являющихсяэлементарными возбуждениями в полупроводниках, которая, в итоге,определяет характер пропускания (отражения) лазерного излучениятонкой пленкой. Поэтому представляется актуальным изучениеоптических эффектов, связанных с динамикой экситонов ибиэкситонов в полупроводниках под действием импульсов лазерногоизлучения.

Результаты таких исследований могут быть востребованыв таких отраслях, как разработка оптических систем и методовобработки, хранения и передачи информации, создание устройств дляоптического компьютера и волоконно-оптических линий связи и т.п.Кроме изучения особенностей прохождения света черезразмерно-ограниченную резонансную среду, важным является вопросизмерения различных параметров среды, таких как матричныйэлемент квантовых переходов, константа затухания и др..Возможность таких измерений предоставляет явление оптическойнутации, выражающееся в периодическом изменении плотностейчастиц (фотонов, экситонов, биэкситонов) на временах, гораздоменьших времен релаксации квазичастиц.

Поэтому исследование2особенностей проявления эффекта оптической нутации в среде такжеявляется актуальной задачей.Целью представленной диссертационной работы являетсятеоретическое исследование эффектов когерентного нелинейноговзаимодействия ультракоротких импульсов лазерного излучения стонкой пленкой полупроводника в условиях одноимпульсноговозбуждения экситонов большой плотности и двухимпульсногодвухфотонного возбуждения биэкситонов из основного состояниякристалла, оптической нутации в системе фотонов, экситонов ибиэкситонов и механизмов усиления излучения на частоте оптическойэкситон-биэкситонной конверсии и терагерцового излучения начастоте оптического двухэкситон-биэкситонного перехода.1.2.3.4.5.Научная новизнаВпервые построена последовательная теория взаимодействияфазовомодулированных ультракоротких импульсов лазерногоизлучения с тонкой пленкой полупроводника в экситоннойобласти спектра с учетом упругого экситон-экситонноговзаимодействия.

Предсказан оптический аналог Фешбахрезонанса.Установлены особенности пропускания двух ультракороткихимпульсов лазерного излучения тонкой пленкой полупроводникав условиях двухфотонного двухимпульсного возбуждениябиэкситонов из основного состояния кристалла.Впервые построена теория эффекта оптической нутации в системефотонов, экситонов и биэкситонов с учетом различныхмеханизмов взаимодействия света с веществом.Впервые предложен механизм усиления света на частотеоптической экситон-биэкситонной конверсии за счет инверсиинаселенностей биэкситонного уровня относительно экситонного.Впервые предложен механизм и построена теория усилениятерагерцового излучения, используя оптический двухэкситонбиэкситонный переход.Практическаязначимостьработыопределяетсявозможностью применения полученных результатов для построениятаких узлов и элементов интегрально-оптических устройств, какпреобразователиформыимпульсовлазерногоизлучения,3переключающие элементы на основе явления бистабильности, ячейкипамяти и др..

Результаты исследования также могут бытьиспользованы для получения информации об оптических параметрахэкситонов и биэкситонов в полупроводниках.1.2.3.4.5.Положения, выносимые на защиту:Теория взаимодействия тонкой пленки полупроводника сультракороткими импульсами когерентного лазерногоизлучения при однофотонном возбуждении экситоновбольшой плотности.Оптический аналог Фешбах-резонанса для экситонов втонкой пленке.Теория пропускания света тонкой пленкой полупроводника вусловиях двухимпульсного двухфотонного возбуждениябиэкситонов из основного состояния кристалла.Оптическая нутация в системе когерентных экситонов,биэкситонов и фотонов при учете различных механизмовнелинейности.Теория усиления света в области М-полосы люминесценцииблагодаря оптической экситон-биэкситонной конверсии придвухфотоннойнакачкебиэкситонногосостоянияитерагерцового излучения благодаря оптической двухэкситонбиэкситонной конверсии при накачке в экситонный уровень.Апробация работыОсновные результаты диссертации докладывались на 2ndInternational Conference on Materials Science and Condensed MatterPhysics (Кишинев, 2004), IV международной конференции «Опто-,наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск,2004), International Conference on Coherent and Nonlinear Optics(ICONO/LAT 2005) (St.

Petersburg, 2005), IV Международной научнопрактической конференции «Математическое моделирование вобразовании, науке и производстве» (Тирасполь, 2005), 3rdInternational Conference on Materials Science and Condensed MatterPhysics (Кишинев, 2006), International conference “Physics of lowdimensional structures” in honour of the 80-th anniversary of ProfessorEvghenii Petrovich Pokatilov (Кишинев, 2007), International Conferenceon Coherent and Nonlinear Optics (ICONO/LAT 2007) (Минск, 2007),4Международнойконференции«Опто-,наноэлектроника,нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2007), 4th InternationalConference on materials science and condensed matter physics (Кишинев,2008), 3rd International conference on physics of electronic materials(Phyem’08) (Калуга, 2008), 22nd General Conference of the CondensedMatter Division of the European Physical Society (Rome, 2008), IVУкраинская научная конференция по физике полупроводников(Одесса, 2009), Conferita fizicienilor din Moldova CFM (Кишинев,2009), International Conference on Coherent and Nonlinear Optics(ICONO/LAT 2010) (Казань, 2010), International Conference"Telecommunications, Electronics and Informatics" (ICTEI-2010)(Кишинев, 2010), V Украинская научная конференция по физикеполупроводников (Ужгород, 2011), International Conference onCoherent and Nonlinear Optics (ICONO/LAT 2013) (Москва, 2013).ПубликацииПо материалам диссертации опубликовано 47 работ, в томчисле 17 статей и 30 тезисов докладов на научных конференциях,перечисленных в конце автореферата.Личный вклад автораСодержание диссертации и основные положения, выносимыена защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованныеработы.