Динамика нелинейных процессов и усиление излучения в системе когерентных экситонов и биэкситонов в полупроводниках, страница 2

Подготовка к публикации полученных результатовпроводилась совместно с соавторами, причём вклад диссертанта былопределяющим. Все представленные в диссертации теоретическиерезультаты получены лично автором.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, обзора литературы, 4оригинальных глав, заключения и библиографии. Общий объемдиссертации 137 страниц, из них 117 страниц текста, включая 43рисунка.

Библиография включает 164 наименования на 17 страницах.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обсуждается актуальность темы, сформулированацель работы и кратко изложено основное содержание диссертации.5В первой оригинальной главе рассматриваются нелинейнооптические свойства тонкой пленки полупроводника (ТПП) вусловиях возбуждения экситонов большой плотности ультракороткимимпульсом (УКИ) резонансного лазерного излучения. Рассмотреныстационарный и нестационарный режимы пропускания. Показано, чтов стационарном режиме плотность экситонов в зависимости от уровнявозбуждения может быть как нелинейной, но однозначной функцией,так и многозначной, причиной чего является смещение экситонногоуровняприувеличенииинтенсивностивозбуждения.Внестационарном режиме рассмотрены особенности пропусканияимпульсов различной формы и интенсивности. Показано, чтодинамика плотности экситонов, и обусловленной ею амплитудыпроходящего поля, представляет собой осцилляционный режим.Период и амплитуда колебаний определяется интенсивностью ирасстройкой резонанса падающего излучения.

Принципиально новыеэффекты получены при рассмотрении случая прохождения через ТППимпульса с чирпингом. В этом случае амплитуда экситонной волныполяризации и амплитуда проходящего через пленку излучения такжеявляютсяфазово-модулированными.Считаячирпингсамосогласованным, в том смысле, что скорость изменения фазыопределяется амплитудой экситонной волны поляризации среды,получено уравнение для нормированной плотности экситонов,содержащее перенормированную константу упругого экситон–экситонного взаимодействия. Эта константа зависит от параметрачирпинга, изменяя значение которого можно существенно влиять надинамику системы. При определенных значениях параметра чирпингасреда перестает вести себя как нелинейная, несмотря на высокийуровень возбуждения.

Рассмотренные случаи приводят к выводу, чтоналичие фазовой модуляции у падающего импульса позволяетизменить не только величину межчастичного взаимодействия в среде,но и ее знак. Это можно интерпретировать как оптический аналогФешбах-резонанса.Во второй оригинальной главе рассматривается прохождениечерез ТПП двух УКИ лазерного излучения в условиях двухфотонногодвухимпульсного возбуждения биэкситонов из основного состояниякристалла. Рассмотрены нестационарные режимы пропусканияимпульсов прямоугольной и гауссовской форм различнойдлительности и интенсивности и их комбинации для случая точного6резонанса и при наличии расстройки резонанса. Показано, что вслучае точного резонанса плотность биэкситонов характеризуетсяналичием стационарного значения, при достижении которогонаблюдается полное отражение более слабого импульса.

Если жесуммарная частота обоих импульсов отличается от собственнойчастоты биэкситонного перехода, наблюдается лишь частичноеотражение более слабого импульса тем большее, чем меньшерасстройка резонанса. Также изучено влияние параметра, значениекоторого обусловленного толщиной пленки, на динамику плотностибиэкситонов в среде и амплитуду проходящих импульсов. При малыхзначениях данного параметра поведение системы меняетсянесущественно, однако его увеличение в некоторых случаях приводитк появлению особенностей в динамике плотности биэкситонов иамплитуд проходящих полей. Также показано, что при выключенииодного из падающих импульсов рекомбинационное (вторичное)излучение возникает на частотах обоих импульсов благодаряпроцессу индуцированного распада предварительно созданных впленке биэкситонов.

Возможны случаи, когда после прохожденияизлучения в пленке сохраняется остаточная плотность биэкситонов.Меняя форму, амплитуду и время прохождения одного из падающихимпульсов, можно делить импульс с меньшей амплитудой на двасубимпульсаразличнойдлительности.Предсказанэффектгистерезисного пропускания пленки в зависимости от интенсивностипадающих импульсов.В третьей оригинальной главе изучается явление оптическойнутации в системе когерентных экситонов, фотонов и биэкситонов вполупроводнике типа CuCl, в условиях, когда на кристалл падают дваУКИ резонансного лазерного излучения.

При этом предполагается,что фотоны первого импульса попарно возбуждают биэкситоны, ачастота второго соответствует частоте перехода в области М-полосыпоглощения. Они перемешивают экситонное и биэкситонноесостояния, обуславливая возникновение оптического Штарк-эффекта,смещение и расщепление энергетических уровней экситонов ибиэкситоновсростомуровнявозбуждениякристалла.Предполагается, что длительности обоих импульсов на много меньшевремени релаксации биэкситонов и их спектральные ширины меньшеэнергии связи биэкситона. В этих условиях стационарное состояниене успевает установиться за время действия импульсов и может иметь7место оптическая нутация в системе когерентных экситонов,биэкситонов и фотонов.

Динамика такой системы в зависимости отначальных значений может представлять собой как периодические,так и апериодические изменения плотностей частиц.В четвертой оригинальной главе рассмотрен процесс усиленияслабого импульса на частоте оптической экситон-биэкситоннойконверсии, а также предложен новый механизм генерациитерагерцового излучения. Усиление на частоте оптической экситонбиэкситонной конверсии возможно, когда на биэкситонном уровнеблагодаря мощному импульсу создается инверсия населенностейотносительно экситонного, тогда падение даже слабого импульса начастоте М-полосы приводит к индуцированному сбросу инверсии и,как следствие, к усилению слабого импульса.

Генерациятерагерцового излучения может быть получена при возбужденииэкситонов из основного состояния кристалла, что приведет кинверсии населенностей двухэкситонного состояния относительнобиэкситонного. Индуцированный переход на более энергетическивыгодное биэкситонное состояние будет сопровождаться генерациейфотонов с частотой, соответствующей энергии связи биэкситона.В заключении сформулированы основные результаты,полученные в диссертационной работе.ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ1. Временная эволюция плотности экситонов в тонкой пленкеполупроводника при учете экситон-фотонного и упругогоэкситон-экситонноговзаимодействияпредставляетсобойзатухающие к стационарному состоянию осцилляции, частота иамплитуда которых определяется уровнем возбуждения ирасстройкой резонанса.

Проходящее через пленку излучениеопределяется как суперпозиция падающего излучения ивторичного излучения, генерируемого экситонной поляризацией.2. Предсказана возможность существования оптического аналогаФешбах-резонанса, состоящего в перенормировке константыупругогоэкситон-экситонноговзаимодействияблагодарявзаимодействию экситонов с полем ультракороткого импульса ссамосогласованнымчирпингом.Мгновеннаячастотасамосогласованно модулированного по фазе импульса в каждый8момент времени компенсирует сдвиг экситонного уровня,обусловленный ростом плотности экситонов. Введенный параметрчирпинга определяет режимы усиления, ослабления или полногоисчезновения нелинейного эффекта, обусловленного упругимэкситон-экситонным взаимодействием.3.

В условиях двухимпульсного двухфотонного возбуждениябиэкситонов из основного состояния кристалла в тонкой пленкеполупроводника возможно установление режима полногопросветления пленки для более сильного импульса и полногонепропускания (отражения) для более слабого. Характерное времяреакции пленки определяется ее толщиной. Предсказываетсяскачкообразное изменение пропускания при выключении одногоиз импульсов. Доказана возможность бистабильного пропусканияпленкой импульсов, причем пропусканием одного из импульсовможно управлять изменением амплитуды другого импульса.4.

Динамика явления оптической нутации в системе когерентныхэкситонов и биэкситонов на временах, на много меньших временирелаксаций возбуждений среды, под действием фотонов двухультракоротких импульсов, представляет собой периодическиелибо апериодические колебания плотностей частиц, частота иамплитуда которых существенно определяется начальнымиусловиями.5. Предсказан механизм усиления излучения в области М-полосылюминесценции при двухфотонной накачке биэкситонногосостояния и механизм усиления терагерцового излучения принакачке в экситонный уровень благодаря оптической двухэкситонбиэкситонной конверсии.ПУБЛИКАЦИИ1. Хаджи П.И., Коровай А.В., Марков Д.А. Нелинейное пропусканиеультракоротких импульсов лазерного излучения тонкой плёнкойполупроводника в условиях двухфотонного двухимпульсноговозбуждения биэкситонов // Оптика и спектроскопия.

2008. Т.104, С.109.2. Хаджи П.И., Розанов Н.Н., Марков Д.А. и др. Пропускание фазовомодулированного лазерного излучения тонкой пленкой полупроводникав экситонной области спектра и оптический эффекта Фешбаха // Оптикаи спектроскопия. 2009. Т. 107. С. 613.93. Beloussov I.V., Khadzhi P.I., Corovai A.V., Markov D.A. Nonlineartransmission and reflection of ultrashort laser pulses by a thin semiconductorfilm under two-photon generation of biexcitons // J. Phys.: Condens.