Линейный и квадратичный оптический отклик периодических квантовых ям (1103538)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

На правах рукописиУДК 621.378.4Авраменко Владимир ГригорьевичЛИНЕЙНЫЙ И КВАДРАТИЧНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ОТКЛИКПЕРИОДИЧЕСКИХ КВАНТОВЫХ ЯМСпециальность 01.04.21 - лазерная физикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2007Работа выполнена на кафедре квантовой электроники физического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.Научный руководитель:кандидат физико-математических наук,старший научный сотрудникНикулин Александр АлександровичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Емельянов Владимир Ильичдоктор физико-математических наук,старший научный сотрудникВиноградов Алексей ПетровичВедущая организация:Физический институт им.

П. Н. Лебедева РАНЗащита состоится « 22 » марта2007 г. в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственномуниверситете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ, ул. Академика Хохлова, д.1, Корпус нелинейной оптики,аудитория им. С. А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М. В. Ломоносова.Автореферат разослан «»2007 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31,доцент-2 -Т.

М. ИльиноваОбщая характеристика работыДиссертационная работа посвящена теоретическому исследованию взаимодействия лазерного излучения с периодическими квантовыми ямами (ПКЯ)— слоистыми наноструктурами (сверхрешетками), в которых квантовые ямыразделены барьерными слоями из материала с широкой запрещенной зоной,что позволяет пренебречь перекрытием волновых функций электронов в соседних квантовых ямах. В работе изучается как линейный, так и квадратичный оптический отклик этих структур.Актуальность такого исследования обусловлена, в первую очередь, необходимостью разработки теоретических методов и моделей для объясненияэкспериментальных результатов, полученных за последнее десятилетие в ходеисследований генерации оптической второй гармоники в ПКЯ, в частности,в ПКЯ-структурах Si − SiO2 .

Технология изготовления последних позволяет получать структуры с несколькими десятками периодов и сверхтонкимиквантовыми ямами (слоями аморфного кремния), парциальная толщина которых достигает субнанометровых значений — при сохранении однородностиструктуры вдоль слоев. Нелинейно-оптические методы, основанные на использовании генерации второй гармоники, обладают высокой чувствительностью к наличию в исследуемых объектах границ раздела и других неоднородностей с характерными пространственными масштабами, лежащими в нанометровом и субнанометровом диапазонах.

Для исследования ПКЯ-структурсо сверхтонкими квантовыми ямами были успешно использованы такие высокоэффективные методы, как спектроскопия и интерферометрическая спектроскопия генерации второй гармоники. В рамках существующих теоретических моделей адекватная интерпретация полученных экспериментальныхданных либо затруднена, либо невозможна вообще в силу, по крайней мере,двух обстоятельств. Во-первых, в субнанометровом диапазоне толщин размерный эффект в резонансном квадратичном отклике ПКЯ, наблюдаемый вэксперименте, обнаруживает существенное отличие от теоретического результата, получаемого в рамках простейшей микроскопической модели (которая,в то же время, вполне удовлетворительно описывает соответствующий размерный эффект в нанометровом диапазоне толщин).

Во-вторых, при расчетеэлектромагнитного поля, распространяющегося в ПКЯ-структуре на частотах накачки и второй гармоники, требуется корректный учет существеннойнелокальности оптического отклика квантовых ям в направлении, перпендикулярном границам раздела. Отмеченные обстоятельства делают актуальнымрассмотрение соответственно микроскопического аспекта проблемы (кванто--3 -вомеханический расчет линейной и квадратичной нелокальной проводимостисверхтонкой квантовой ямы) и ее макроскопического аспекта (электродинамический расчет распространения излучения в слоистой среде с сильной нелокальностью в направлении, перпендикулярном к слоям).

Наконец, в контекстеинтерпретации экспериментальных данных актуальным является и феноменологический аспект — определение набора параметров, которые характеризуют отклик системы на макроскопическом уровне, могут быть найдены изколичественного анализа экспериментальных зависимостей и сохраняют свойфизический смысл (в качестве феноменологических параметров) и за пределами применимости использованных микроскопических моделей.Таким образом, являясь целью диссертационной работы, теоретическое изучение генерации второй гармоники при распространении света в периодических квантовых ямах состоит в рассмотрении следующих вопросов:— квантовомеханическая задача о расчете резонансного вклада в тензорылинейной и квадратичной нелокальной проводимости при учете дополнительных физических факторов, влияющих на размерное квантованиепоперечного движения электронов в сверхтонких квантовых ямах;— электродинамическая задача о распространении излучения на частотахнакачки и второй гармоники в слоистой среде с существенной нелокальностью линейного и квадратичного отклика слоев в направлении, перпендикулярном границам раздела;— параметризация квадратичного отклика ПКЯ-структуры — определение совокупности эффективных параметров, которые могут быть найдены из количественного анализа экспериментальных данных и которыесохраняют свой физический смысл в качестве феноменологических характеристик отклика и вне рамок использованных микроскопическихмоделей.Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые— изучено влияние (а) возмущения кристаллического потенциала вблизиграниц квантовой ямы и (б) непрямозонного характера закона дисперсии для электронных состояний в объеме полупроводника на размерный эффект в резонансном квадратичном оптическом отклике ПКЯструктуры со сверхтонкими квантовыми ямами;— в резонансном двухуровневом приближении, с точностью до членов, линейных по тангенциальной к границам раздела компоненте волнового-4 -вектора, включительно, получены аналитические выражения для тензоров линейной и квадратичной нелокальной проводимости квантовойямы;— формализм матриц распространения оптического излучения в слоистойсреде обобщен на случай слоев с существенно нелокальным откликом внаправлении, перпендикулярном границам раздела;— на основе обобщения формализма токовых экранов предложен способпараметризации квадратичного оптического отклика ПКЯ-структуры.Научно-практическая ценность работы состоит в том, что полученныев работе результаты могут быть использованы, во-первых, для качественнойинтерпретации и количественного анализа данных нелинейно-оптических экспериментов, во-вторых, при планировании новых экспериментов и, в-третьих,при дальнейшем теоретическом исследовании нелинейно-оптического отклика наноструктур.На защиту выносятся следующие положения:1.

Учет по отдельности как возмущения кристаллического потенциалавблизи границ квантовой ямы, так и непрямозонного характера законадисперсии для электронных состояний в объеме полупроводника позволяет с количественным согласием описать размерный эффект, наблюдаемый в квадратичном отклике ПКЯ-структур Si − SiO2 со сверхтонкимиквантовыми ямами.2. В рамках резонансного приближения для модели прямоугольной ямы,члены первого порядка в мультипольном разложении тензора линейнойпроводимости отдельной квантовой ямы по степеням компоненты волнового вектора, тангенциальной к границам раздела, дают пренебрежимомалый вклад в линейный отклик всей ПКЯ-структуры на частотах накачки и второй гармоники (по сравнению с членами нулевого порядка),в то время как аналогичные члены нулевого и первого порядка в мультипольном разложении тензора квадратичной проводимости отдельнойквантовой ямы дают сравнимые по величине вклады в квадратичныйотклик всей ПКЯ-структуры.3.

Матричный метод позволяет описать распространение оптического излучения на частотах накачки и второй гармоники в слоистой среде с-5 -существенной нелокальностью линейного и квадратичного отклика вперпендикулярном к границам раздела направлении; величины, определяющие отклик каждого слоя — элементы обобщенной матрицы распространения и компоненты обобщенного вектора нелинейных источников— для факторизуемых тензоров линейной и квадратичной нелокальнойпроводимости задаются аналитически.4.

При уменьшении толщины квантовой ямы с 1 нм до 0.25 нм квантоворазмерный сдвиг резонансной частоты в спектре квадратичного отклика ПКЯ-структуры Si − SiO2 (∼0.1 эВ в энергетических единицах) напорядок превышает сдвиг, обусловленный электромагнитным взаимодействием между квантовыми ямами в структуре (∼0.01 эВ).5. Роль феноменологических параметров, которые характеризуют линейный и квадратичный оптический отклик ПКЯ-структуры и подлежатэкспериментальному определению, играют коэффициенты, связывающие моменты пространственного распределения поляризации внутриквантовой ямы в перпендикулярном к границам раздела направлении созначениями компонент локального электрического поля на ее границах.Апробация результатов работы проводилась на международных конференциях: “Nonlinear Optics at Interfaces” (Наймеген, Голландия, 2001),“International Conference on Coherent and Nonlinear Optics” (Санкт-Петербург,2005), “Week of Doctorial Students” (Прага, Чехия, 2005), а также семинарахкафедры квантовой электроники физического факультета МГУ им.

М.В.Ломоносова. Основные результаты диссертационной работы отражены впубликациях в специализированных ведущих научных журналах: “ВестникМГУ. Серия 3. Физика. Астрономия”, “Applied Physics B”, “Journal of OpticalSociety of America B”, “Physical Review B”. По материалам диссертацииопубликовано 8 печатных работ (6 статей и 2 тезиса доклада).Личный вклад автораВсе результаты диссертационной работы получены автором лично.Структура и объем работыДиссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, трехприложений и списка цитируемой литературы.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации