Автореферат (1102883), страница 2
Текст из файла (страница 2)
При описании рентгеновской дифракции можно использовать два подхода: кинематическую и динамическую теории [24]. Кинематическая теория дифракции рассматривает рассеяние излучения на каждом элементе объёма, при этом учитываетсявзаимодействие атомов только с первичной волной, взаимодействие с волнами, рассеянными другими атомами, игнорируются [25]. Динамическая6теория рассматривает все взаимодействия волн во всём объёме кристалла.
Принято различать два геометрических случая динамической брэгговской дифракции излучения в кристаллическом теле: отражение (геометрияБрэгга) и прохождение (геометрия Лауэ) [24, 25] (рис. 1).(а)khθk0(б)θhk0hhθk0k0θhkhРис. 1: Геометрия Брэгга (а) и геометрия Лауэ (б) при динамической дифракцииэлектромагнитных волн в периодических средах.ФК1x2TzRРис. 2: Схема дифракционного деления падающего на ФК лазерного импульса. и — прошедшая и дифрагированная пара импульсов.Динамическая дифракция света в фотонных кристаллах наблюдаласьранее в искусственных опалах [26].
В оптическом диапазоне обнаруженыэффект Боррманна и маятниковый эффект, описываемые теорией динамической дифракции и наблюдаемые ранее в рентгеновском диапазоне. Теоретическое рассмотрение дифракции световых пучков и коротких импульсовв фотонном кристалле в схеме Лауэ было проведено в [27]. Вычисленияпоказывают, что после выходной грани фотонного кристалла будут наблюдаться 4 импульса света (рис. 2). Это вызвано двумя последовательнымиделениями импульсов: временным делением, происходящим в объёме фотонного кристалла вследствие различия эффективной групповой скоростиволн, и пространственным делением, имеющим место на выходной граникристалла.
Разница в групповых скоростях двух волн происходит вслед7ствие перераспределения поля исходного импульса: поле каждой волнылокализовано преимущественно в слоях фотонного кристалла своего типа. Согласно устоявшейся в литературе терминологии импульс, идущийпервым в паре разделённых, именуется боррманновским, второй - антиборрманновским)Большинство современных способов изготовления фотонных кристаллов плохо подходят для наблюдения временного деления: требуется одновременно и высокий контраст показателей преломления соседних слоёв, ибольшая длина образца, но, как правило, технологически достижимо лишьодно из двух этих свойств. В данной работе для наблюдения временногоделения были выбраны фотонные кристаллы на основе пористого кремния.Глава 2 "Изготовление и характеризация фотонных кристаллов на основе пористых кремния и оксида кремния"Глава посвящена развитию метода изготовления фотонных кристалловна основе пористого кремния и пористого плавленого кварца методамиэлектрохимии.
Рассматриваются основные свойства процесса электрохимического травления кристаллического кремния в растворе фтороводородной(плавиковой) кислоты HF. Методами оптической спектроскопии и электронной микроскопии изучена зависимость процесса электрохимическоготравления от продолжительности травления, плотности тока через электрохимическую ячейку, концентрации плавиковой кислоты. Исследуютсяпричины ухудшения травления с увеличением глубины пор в структуре,предлагается схема выравнивания плавиковой кислоты в объёме раствора.Рассказывается о термическом окислении пористого кремния для получения пористого плавленого кварца.В качестве исходного материала использовались пластины кристаллического Si (001) -типа, легированного бором.
Удельное сопротивление пластин составляло 0.002 ÷ 0.005 Ом·см. Образец имеет период 800 нм.Рис. 3: Cнимок бокового скола образца фотонного кристалла из пористого кремния, выполненный при помощи сканирующего электронного микроскопа.8Объёмная структура ФК была исследована при помощи сканирующейэлектронной микроскопии (рис. 3). На снимке видно, что образец состоитиз двух типов слоёв, имеющих чётко выраженные границы. Периодичностьсохраняется на протяжении всей структуры.
Границы слоёв остаются ровными.Рис. 4: Изготовленная по технологии электрохимического травления кремния серия фотонных кристаллов, фотонные запрещенные зоны которых расположеныв видимом диапазоне спектра.В работе продемонстрировано, что с помощью подбора параметровэлектрохимического травления возможно изготовить структуры на основе пористого кремния физической толщиной до 400 мкм без ухудшенияхарактеристик структуры с увеличением глубины пор с положением фотонной запрещённой зоны в любой желаемой области спектра. В качествеиллюстрации данной возможности на рис. 4 представлена фотография серии изготовленных по используемой технологии фотонных кристаллов.В работе исследованы особенности термического окисления пористого кремния в воздушной атмосфере при температурах 600-900°C.
Показано, что получаемые в ходе этого процесса структуры из пористого оксидакремния сохраняют свою фотоннокристаллическую структуру.По итогам данной главы можно выделить следующие выводы:1. Усовершенствован способ изготовления одномерных фотонных кристаллов на основе пористого кремния и пористого кварца для большого числа (до 5000) слоёв.2. Методами структурного анализа и оптической спектроскопии показано, что изготовленная структура сохраняет пространственную периодичность и неизменность свойств каждого из двух типов чередующихся слоев на всей глубине структуры (вплоть до 400 мкм).3. На основе данных материалов возможно изготовление однородной пористой структуры с порами, ориентированными нормально к поверхности. Соотношение высоты и ширины единичной поры составляет104 : 1.Глава 3 "Временное деление лазерных импульсов в одномерных фотонных кристаллах, вызванное брэгговской динамической дифракцией в геометрии Лауэ"9В данной главе представлены результаты экспериментального обнаружения эффекта дифракционного деления фемтосекундных световых импульсов в фотонных кристаллах.
Для наблюдения временного деления импульсов был использован метод, основанный на измерении автокорреляционной функции. Метод отличается хорошим временным разрешением(порядка длительности импульса лазера), а также относительной простотой.Для наблюдения эффекта временного деления фемтосекундных импульсов был изготовлен образец фотонного кристалла на основе пористогокремния, содержащий 375 периодов (750 слоёв) по методу электрохимического травления кремния с последующим температурным отжигом.
Пространственный период образца составлял = 775 нм, показатели преломления слоёв 1 = 1.48, 2 = 1.32. Размеры образца (рис. 5 а) составляли = 0.3 мм, = 2.0 мм, = 5.0 мм.Схема эксперимента по наблюдению эффекта дифракционного деления импульсов в фотонных кристаллах приведена на рис. 5 (а). В качестве источника световых импульсов использовался фемтосекундный титансапфировый лазер (длина волны 800 нм, длительность импульса 100 фс,средняя мощность 100 мВт, частота повторения импульсов 80 МГц).Наблюдаемое в эксперименте распространение входящего импульса света при соблюдении точного условия Брэгга = = 30 продемонстрировано на рис. 5 (б).
Из приведённой фотографии видно, что излучениераспространяется в пределах выраженного канала, направленного по нормали к входной грани ФК. При отклонении угла падения от условия Брэгга( = 34 ) наблюдается разделение канала на два, расходящихся под разными углами. При достижении боковых граней каналы переотражаются отних (рис. 5 в).(б)(а)θc(в)t12pabθ=30oθ=34oРис.
5: (а) - схема эксперимента по наблюдению деления фемтосекундных импульсов, (б),(в) - фотоснимки распространения луча внутри фотонного кристалла при углах падения 30 и 34 градуса.Измеренные автокорреляционные функции в прошедшем и дифрагировавшем лучах приведены на рис. 6 (а, б), сплошная линия. Наличие10трёх максимумов автокорреляционной функции соответствует двум последовательным импульсам сигнала, пришедшего на вход в автокоррелометр. Экспериментально измеренное время деления импульсов 12 составило 0.57 ± 0.01 пикосекунд.Аналитический расчет временной зависимости интенсивности излучения на выходе из кристалла для данного эффекта и для использовавшихсяв эксперименте параметров даёт величину времени деления 12 = 0.58 пс.(а)0.3I0,hИнтенсивностьI 0 АС (отн.ед.)I h АС (отн.ед.)1.51000.501(б)-1-0.5-1-0.500.5τ (ps)11.5200.51Задержка (пс)1.520.500.5t (пс)1ЭкспериментТеорияРис. 6: Автокорреляционные функции излучения, дифрагировавшего на фотонном кристалле: прошедший (а) и дифрагировавший (б) лучи в сравнении с результатом теоретического расчёта.Было проведено численное моделирование эффекта временного деления по алгоритму FDTD [28] - непосредственное численное решение уравнений Максвелла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
