Спектроскопия второй и третьей оптических гармоник кремниевых наноструктур, фотонных кристаллов и микрорезонаторов (1097881), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Особенно актуальны такие исследования для фотоннокристаллических микрорезонаторов,у которых зеркала являются фотонными кристаллами, поскольку это дает возможность объединения двух механизмов усиления нелинейно-оптического отклика - локализационного и синхронизации фаз. Первый из этих механизмов локальный амплитудный, обусловленный возрастанием амплитуды оптического поля внутри микрорезонаторного слоя. Второй механизм - “коллективный” связан с фазовой синхронизацией вкладов от всех слоев, составляющих микрорезонатор.Разнообразие материалов, из которых изготавливаются фотонные кристаллы, велико.
Это и полупроводниковые структуры на основе арсенида галлия;и синтетические опалы; и применяемые для эффективной генерации ВГ ниобат лития и сульфид цинка; и пористый кремний (ПК), обладающий уникальными свойствами. ПК имеет большую по площади внутреннюю поверхность ихарактерные размеры пор от нанометров до микрона. При этом процедура изготовления структур с заданными свойствами достаточно проста и позволяетконтролируемым образом изменять в широких пределах оптические параметрымногослойных структур.
Благодаря наличию нанокристаллических кремниевыхстенок пор пористый кремний может иметь несколько резонансов виртуальныхмногофотонных переходов, становясь поэтому мультирезонансной системой длянелинейно-оптической спектроскопии. Кроме того, наноструктурирование, изменение соотношения объема/поверхности кремния, изменение ориентации границ раздела Si-SiO2 должно изменить квадратичный и кубичный отклик пористого кремния. Поэтому спектроскопия и анизотропия интенсивности второй и5третьей гармоник пористого кремния как нового оптического материала имеютсамостоятельный интерес.Целью диссертационной работы является развитие спектроскопических (втом числе и фазочувствительных) нелинейно-оптических методов исследованиякремния и микроструктур на его основе, систематическое экспериментальное исследование спектральных свойств излучения второй и третьей оптических гармоник, генерируемых на границах раздела Si-SiO2 , в квантовых ямах Si-SiO2 ,кремниевых наночастицах, фотонных кристаллах и микрорезонаторах для установления взаимосвязи между резонансным поведением квадратичного и кубичного нелинейно-оптического отклика полупроводниковых нано- и микроструктур и особенностями их электронного и фотонного спектра.Актуальность работы обусловлена прежде всего в достаточно слабом на данный момент развитии такого перспективного метода исследования, как спектроскопия второй гармоники, в частности, до сих пор не использовалась возможность измерения фазы волны ВГ в дополнение к интенсивности.
До сих поростается открытым вопрос о модификации зонной структуры вблизи поверхности полупроводника, интерферометрическая спектроскопия ВГ может прояснить ответ на этот вопрос. В работе поднимается такой актуальный вопрос, каквозможность нелинейно-оптической диагностики квантово-размерных эффектов при наличии резонансов нелинейных восприимчивостей, а также выяснениевозможностей спектроскопии второй гармоники при исследованиях в такой бурно развивающейся области как физика фотонных кристаллов.Практическая ценность работы состоит в возможности применения развитой методики интерферометрической спектроскопии ВГ в диагностических целях в широкой области научных задач.
Методика повышает точность определения резонансных параметров и оказывается чрезвычайно полезной в случаемультирезонансной системы с близкими резонансами и их сильным спектральным перекрытием. Также развита методика диагностики электронных квантоворазмерных резонансов в периодических квантовых ямах вплоть до субнанометровых характерных размеров ям, диагностики параметров структур с фотоннойзапрещенной зоной методами нелинейной оптики, которые наиболее чувствительны к их дисперсионным свойствам, фазовым соотношениям, морфологическим особенностям.Научная новизна работы состоит в следующем:• предложена новая нелинейно-оптическая спектроскопическая методика исследования поверхности твердого тела и микроструктур - интерферометрическая спектроскопия ВГ, сочетающая в себе измерение интенсивности и фазыволны ВГ;6• впервые проведены исследования оксидированных поверхностей кремния игермания методом интерферометрической спектроскопии второй гармоники, обнаружены резонансы квадратичной восприимчивости и установлена ихвзаимосвязь с сингулярностями (критическими точками) комбинированнойплотности состояний поверхностей кремния и германия;• впервые проведены исследования резонансного нелинейно-оптического отклика периодических квантовых ям кремний - оксид кремния с субнанометровыми ширинами ям.
Установлена его взаимосвязь с резонансами прямыхэлектронных переходов между размерно-квантованными подзонами, развитаметодика нелинейно-оптической диагностики квантово-размерных эффектовв структурах пониженной размерности;• впервые исследованы механизмы усиления квадратичного и кубичного нелинейно-оптического отклика кремниевых фотонных кристаллов и микрорезонаторов• впервые исследовано явление трехмерной нелинейной дифракции в фотонных кристаллах.Работа имеет следующую структуру:• Первая глава содержит обзор литературы, касающейся экспериментальных и теоретических исследований квадратичного и кубичного нелинейнооптического отклика полупроводниковых поверхностей и микроструктур иих современного состояния, а также базовых методов его описания.
Описаныосновные экспериментальные методы и подходы для исследования спектрального поведения квадратичного и кубичного оптического отклика кремниевыхмикроструктур.• Во второй главе описывается новая методика интерферометрической спектроскопии ВГ, представляются результаты экспериментального исследованияповерхностей кремния и германия методом интерферометрической спектроскопии ВГ и проводится их анализ, представляются результаты исследованиявнутренней границы раздела кремний - диоксид кремния методом интерферометрии электроиндуцированной ВГ.
Приводятся детали первонаблюдениягенерации токоиндуцированной второй гармоники, рассматриваются диагностические применения методов генерации второй и третьей оптических гармоник для исследования внутренних границ раздела центросимметричныхполупроводников.7• Третья глава посвящена результатам спектроскопии ВГ периодических квантовых ям кремний - оксид кремния, содержит обзор исследований аморфногокремния и структур на его основе. Приведен обзор работ по оптике пористого кремния, многослойных структур, рассматриваются модели, применяемые для его описания.
Представлены результаты исследования нелинейнооптического отклика кремниевых наночастиц, обсуждаются обнаруженнаяразмерная зависимость резонансного поведения интенсивности ВГ от размера наночастиц. Методами спектроскопии генерации второй и третьей оптических гармоник исследованы особенности электронной нелинейности наноструктурированного кремния - мезопористого кремния.
Представлены результаты систематического изучения модификации симметрий и спектральных характеристик квадратичной и кубичной восприимчивостей как функции изменения пористости мезопористого кремния.• В четвертой главе представлены результаты спектроскопии второй и третьейоптических гармоник фотонных кристаллов и микрорезонаторов на основемезопористого кремния. Проводится анализ механизмов усиления квадратичного и кубичного отклика, обсуждается роль фазового синхронизма ипространственной локализации электромагнитных полей в увеличении эффективности генерации оптических гармоник в фотонных кристаллах и микрорезонаторах, исследуется взаимосвязь резонансного поведения нелинейнооптического отклика фотонных кристаллов и микрорезонаторов и особенностей их фотонной зонной структуры.
Приводятся результаты исследованиямеханизмов усиления генерации оптических гармоник в образцах кремниевых связанных микрорезонаторов, обсуждается роль параметров промежуточного брегговского зеркала на форму линии усиления генерации второй итретьей оптических гармоник.• Пятая глава посвящена исследованию явлений трехмерной нелинейной дифракции в трехмерных кремниевых фотонных кристаллах на основе синтетических опалов. Приводятся результаты наблюдения трехмерной дифракциипри генерации второй и третьей оптических гармоник, исследования явлениямногопучковой генерации третьей гармоники за счет одновременного замыкания треугольников синхронизма на нескольких векторах обратной решеткитрехмерного фотонного кристалла.На защиту выносятся следующие основные положения:• Разработка и реализация метода фазовой спектроскопии второй гармоники.Решение задачи о форме линии квадратичной и кубичной восприимчивости8поверхности кремния в окрестности критических точек Е1 /Е0 , Е2 , Е1 зоннойструктуры кремния.• Разработка метода фазовой спектроскопии электроиндуцированной второйгармоники.• Обнаружение размерных эффектов в нелинейном отклике кремниевых периодических квантовых ям.• Первонаблюдение генерации токоидуцированной второй гармоники на поверхности полупроводников.• Экспериментальное обнаружение явления усиления генерации третьей оптической гармоники в фотонно-кристаллических микрорезонаторах.• Обнаружение явления фазового синхронизма при генерации третьей гармоники в фотонных кристаллах.• Возможность управления эффективностью генерации второй и третьей гармоник связанных фотонно-кристаллических микрорезонаторов.• Экспериментальная реализация трехмерной нелинейной дифракции при генерации второй и третьей гармоник в фотонных кристаллах.Всего опубликовано 165 работ, по теме диссертации - 80 работ, из них 24статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК России.Личный вклад заключается в выборе объекта исследований, формулировкеи реализации цели и задач работы, в том числе: формулировке основных идейразвитых в диссертации экспериментальных подходов, в проведении всех экспериментальных работ по исследованию спектрального поведения квадратичногои кубичного нелинейно-оптического отклика поверхности кремния и границыраздела кремний - диоксид кремния, а также кремниевых микроструктур - периодических квантовых ям кремний-диоксид кремния, кремниевых наночастиц,фотонных кристаллов и микрорезонаторов; руководству или координации работ,включающих в себя использование различных (прежде всего структурных) методик исследований, а также в анализе и обобщении полученных результатов.Все результаты диссертационной работы получены автором лично, либо при егонепосредственном участии.Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на 56 международных и всероссийских конференциях и симпозиумах попрофилю работы.9Содержание работыВо введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированыцели и конкретные задачи исследования, обоснована научная новизна и практическая ценность полученных результатов, изложены основные положения работы, выносимые на защиту.Глава 1. Общие вопросы нелинейной оптики поверхностей центросимметричных полупроводников и полупроводниковых микроструктурПервая глава содержит обзор литературы, касающейся экспериментальных итеоретических исследований квадратичного и кубичного нелинейно-оптическогоотклика полупроводниковых поверхностей и микроструктур и их современногосостояния, а также базовых методов его описания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
