Диссертация (Поглощение волн терагерцового диапазона в нелинейно-оптических кристаллах ZnGeP2)

ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ А.М. ПРОХОРОВАРОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУКОТДЕЛ СУБМИЛЛИМЕТРОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИУДК: 537.874.7На правах рукописиЧУЧУПАЛ СЕРГЕЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧПОГЛОЩЕНИЕ ВОЛН ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНАВ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ ZnGeP2Специальность 01.04.03 — радиофизикаДИССЕРТАЦИЯна соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физ.-мат. наукКОМАНДИН Г.А.Москва 2016ОглавлениеВведение....................................................................................................................................3Глава 1. Механизмы поглощения электромагнитных волн терагерцового диапазона вполупроводниках ....................................................................................................................111.1.

Модель проводимости Друде ................................................................................131.2. Взаимодействие излучения с кристаллической решёткой...................................161.3. Модель Лоренца ....................................................................................................191.4. Модель Лиддена — Сакса — Теллера, Куросавы ................................................211.5. Процессы многофононного поглощения..............................................................221.6.

Заключение к главе 1.............................................................................................26Глава 2. Экспериментальные методы изучения распространения волн терагерцовогодиапазона в полупроводниках................................................................................................272.1. Инфракрасная Фурье-спектроскопия. ИК-спектрометр «Bruker IFS-113v» .......282.2.

Субмиллиметровая ЛОВ-спектроскопия. СБММ-спектрометр «Эпсилон» .......322.3. Спектроскопия с временным разрешением..........................................................402.4. Программная среда WASF для моделирования спектров диэлектрическогоотклика..........................................................................................................................422.5. Исследуемые образцы монокристалла ZnGeP2 ....................................................462.6. Результаты спектральных СБММ- и ИК-измерений............................................522.7.

Заключение к главе 2.............................................................................................68Глава 3. Анализ механизмов поглощения терагерцового излучения в кристаллеZnGeP2 .....................................................................................................................................693.1. Влияние проводимости друдевского типа на поглощение ТГц-излучения ........693.2.

Влияние облучения кристалла электронами на поглощениеТГц-излучения ..............................................................................................................723.3. Влияние двухфононных разностных процессов на поглощениеТГц-излучения ..............................................................................................................783.4. Заключение к главе 3.............................................................................................85Заключение..............................................................................................................................86Список публикаций по теме работы ......................................................................................88Список цитированной литературы.........................................................................................90Благодарности.........................................................................................................................982ВведениеАктуальностьВ настоящее время активно проводятся фундаментальные и прикладные исследования, направленные на освоение терагерцового (ТГц) интервала частот (1011–1013 Гц) [1].Промышленно выпускаемые электровакуумные генераторы волн ТГц-диапазона, такиекак лампы обратной волны и гиротроны, активно применяются на практике.

В то же времясуществует возможность получать ТГц-волны с помощью нелинейно-оптических свойствкристаллов. Это открывает простор для создания компактных источников излучения, нетребующих сильных магнитных полей и высоковольтного питания в отличие от электровакуумной техники. Данная тема является актуальной и востребованной, поскольку излучение ТГц-диапазона находит широкое применение на практике.

Оно используется длянеразрушающего контроля качества выпускаемой продукции [2], в газоанализе [3], [4],медицинской диагностике [5], [6], для дистанционной идентификации предметов [2]; прорабатывается возможность создания высокоскоростных систем ТГц-связи [7]. Для разработки твердотельных источников ТГц-волн применяются как радиофизические методы,предполагающие использование радиотехнических устройств (например антенн, резонаторов), так и методы нелинейной и лазерной оптики.Одним из способов получения ТГц-излучения является нелинейно-оптическое преобразование частоты излучения лазеров инфракрасного и видимого диапазона в полупроводниковых кристаллах. Сюда входит генерация на разностной частоте при накачке двухчастотным лазерным излучением и возбуждение широкополосного ТГц-излучения фемтосекундными лазерными импульсами [1], [8]–[13].

Перспективным нелинейно-оптическимматериалом для создания источников ТГц-излучения является монокристалл дифосфидацинка-германия ZnGeP2. Он обладает высоким порогом оптического пробоя, хорошей теплопроводностью, механической прочностью, стойкостью к повышенной влажности и агрессивным средам, большими значениями температурной, угловой и спектральной ширинсинхронизма [14], а также высокими величинами коэффициентов нелинейной восприимчивости и двулучепреломления, достаточными для выполнения условий фазового согласования в широких спектральных диапазонах [15]. В кристалле ZnGeP2 была получена генерация монохроматического излучения мощностью ~1 Вт в диапазоне 2,7–2,94 ТГц (90–98 см-1) на разностной частоте при накачке двухчастотным лазерным излучением [11] игенерация широкополосного сигнала ТГц-излучения в интервале 0,1–3 ТГц (3,3–100 см-1)при накачке фемтосекундными лазерными импульсами (λ ~ 1,15–1,6 мкм) [13].

В работе[13] также было проведено сравнение интенсивностей широкополосного ТГц-излучения,3Рис. 1. Диэлектрические спектры '() и "(), рассчитанные авторами работы [16] изспектров ИК-отражения при комнатной температуре в ориентации Ec (сплошная линия)и E∥c (пунктирная линия); 1, 2 — данные субмиллиметровых измерений. Штриховкойпоказано расхождение между экспериментальными данными и результатом моделирования для ориентации Ec.4полученного на кристаллах GaP и GaAs. Было показано, что генерация электромагнитныхволн с использованием кристалла ZnGeP2 в несколько раз эффективнее.Распространяясь в кристалле, лазерное излучение поглощается при взаимодействиис кристаллической решёткой.

Также поглощается и генерируемое излучение. Посколькуобласти накачки и генерации ТГц-излучения разнесены по частоте, то важно знать дисперсию коэффициента поглощения в обеих областях. Механизмы поглощения как излучения накачки, так и генерируемого ТГц-излучения можно разделить на собственные, присущие данному кристаллу и обусловленные строением и динамикой кристаллической решётки, и несобственные, связанные с наличием в нём различных дефектов [16]. Минимизация влияния несобственных механизмов поглощения осуществляется рядом способовпостростового воздействия, например, традиционным отжигом [17] или облучением электронами [18]–[20]. Авторам работы [20] путём облучения монокристалла ZnGeP2 электронами при варьировании условий воздействия на образец удалось эффективно (в 3–5 раз)уменьшить поглощение излучения накачки в диапазоне 2–8 мкм.

Но данных о возможномпоглощении генерируемого ТГц-излучения в этой публикации нет. Вместе с тем, возникающие при облучении кристалла точечные дефекты вакансионного [18] типа сами могутявляться источником дополнительного поглощения излучения ТГц-диапазона, если ониобразуют дипольный момент, взаимодействующий с данным излучением [21], [22]. В настоящее время не исследованы механизмы (как собственные, так и несобственные), формирующие диэлектрические потери в ТГц-диапазоне. В работе [16] авторы методамиЛОВ- и ИК-Фурье-спектроскопии исследовали спектры поглощения излучения в диапазоне 10–600 см-1 кристаллом ZnGeP2.

Было обнаружено расхождение между экспериментальным и модельным спектрами мнимой части диэлектрической проницаемости "() нанизкочастотном краю исследуемого диапазона. На рис. 1 штриховкой показано данноерасхождение в ориентации Ec. Было высказано предположение, что поглощение излучения ТГц-диапазона в кристалле ZnGeP2 вызвано проводимостью друдевского типа. Нарис. 2 [18], [19] показана зависимость удельного сопротивления  0   01 кристаллаZnGeP2 от дозы электронного облучения D, демонстрирующая вначале уменьшение, а затем рост статической проводимости 0. При этом открытым остаётся вопрос о возможномдополнительном поглощении в области генерации ТГц-излучения, возникающем в результате облучения кристалла ZnGeP2 электронами.Таким образом, актуальность настоящей работы обусловлена дефицитом информации о диэлектрических параметрах монокристалла ZnGeP2, определяющих поглощениеизлучения в ТГц-диапазоне, что существенно затрудняет практическое применение данного материала.51210100, Ом·см101081061001017D, см-110181019Рис.