Диссертация (1104148), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Для периферии лазерного луча, вследствие его гауссовойформы, интенсивность как возбуждения, так и фотолюминесценции остается малой, то естьвышеописанныхэффектовфотолюминесценциинепроисходитвозникает.тольковИменноцентральнойблагодаряэтомуее части,чтотушениеприводит кнепропорциональному изменению формы поперечного сечения трека фотолюминесценции (посравнению с рассчитанной только с учетом двухфотонного поглощения).При построении сечения в конечной части этого же трека фотолюминесценции (часть IIна рис.
3.12) изменения его поперечной формы не происходит (рис. 3.14б). Это еще разподтверждает представление о том, что поглощение падающего на кювету с квантовымиточками CdSe/ZnS лазерного излучения в слое I раствора квантовых точек велико и для части IIтрека фотолюминесценции интенсивность возбуждения становится недостаточной длясуществования процессов насыщения поглощения, Оже-рекомбинации и Штарк-эффекта.104ГлаваIV.Изменениеформылазерныхимпульсовдвухфотонно поглощающими квантовыми точками CdSe/ZnS имонокристаллом GaAs, помещенными внутри резонатораДля исследования линейных и нелинейных оптических свойств полупроводников иполупроводниковых наноструктур было разработано много методов с использованиемсверхбыстрых лазеров, были разработаны и различные методы генерации ультракороткихимпульсов [142].
В идеале хотелось бы иметь сверхкороткие лазерные импульсы требуемойдлительности импульса и его формы, длины волны, энергии и частоты повторения. Одинлазерный источник, очевидно, не может охватить весь спектр требуемых параметров, поэтомубыли разработаны различные подходы к решению этого вопроса. Разработка, создание иулучшение параметров лазеров сверхкоротких импульсов - это область постоянной активнойдеятельности [143].Исследования процессов генерации коротких лазерных импульсов начались почти сразуже после первой демонстрации лазеров.
Методами модуляции добротности резонатора лазераобычно генерируются наносекундные импульсы [142]. Широко применяется техника пассивнойсинхронизации мод [142] с помощью помещения в резонатор лазера насыщающегосяпоглотителя. Этот и многие другие современные методы синхронизации мод используются внастоящее время для получения сверхкоротких импульсов и использовались при проведенииданной работы [143]. Были также разработаны методы для усиления и сжатия этих короткихимпульсов, для различных преобразований частот с использованием нелинейной генерациивторой гармоники, а также генерации сверхкоротких импульсов белого света (континуума)посредством пропускания интенсивного ультракороткого импульса через жидкость [143]. Длянепосредственной генерации импульсов короче 10 фс, не прибегая к дополнительномуусилению и сжатию импульса, были разработаны и использованы новые твердотельныематериалы с широкими спектрами усиления [144-146].§4.1.
Дополнительная отрицательная обратная связь в резонаторелазераШирокое применение в научных исследованиях и технике различных типов лазеровтребует постоянного поиска новых активных сред, а также возможностей управленияпараметрами генерируемого излучения (длительностью импульсов, их формой и т. д.). Взначительной степени это относится к широко применяемым лазерам на алюминате иттрия,105легированном ионами неодима (Nd3+:YAlO3) и на иттрий алюминиевом гранате с ионаминеодима(Nd3+:Y3Al5O12).ОтличительнойособенностьюприменениянаносекундногоNd3+:YAlO3 лазера, работающего в режиме модуляции добротности, ограничивающейвозможности интерпретации получаемых экспериментальных результатов, является большаявероятность проявления одновременно с процессом модуляции добротности, процессачастичной самосинхронизации продольных мод [147]. Это приводит к изрезанностигенерируемых наносекундных импульсов и таким образом к значительному, трудноконтролируемому увеличению пиковой мощности на отдельных участках генерируемогоимпульса.
В случае генерации цуга пикосекундных импульсов Nd3+:Y3Al5O12 лазеромнеобходимо контролировать число импульсов в цуге и его форму.При работе вблизи порога генерации в твердотельных лазерах одной из характерныхособенностей лазеров является постоянство формы и длительности их импульсов. В рядеслучаев для практических целей необходимо иметь возможность перестройки длительностиимпульсов.
Для регулировки процесса генерации лазерных импульсов можно использоватьдополнительно вводимую внутрь резонатора лазера отрицательную обратную связь. Динамикапроцесса генерации лазерных импульсов с учетом дополнительной отрицательной связи быларассмотрена как с теоретической точки зрения [148], так и экспериментально в лазерах настекле с ионами неодима и рубиновых лазерах [148-151]. Во всех приведенных работахисследовалось ее влияние на длительность генерируемых наносекундных импульсов, при этом вкачествеэлемента,обеспечивающегоотрицательнуюобратнуюсвязь,использовалисьполупроводниковые пластины CdS [148], CdSe [150], GaAs [151] и кристалл KDP [149].
Во всехслучаях отрицательная обратная связь возникала в результате развития в процессе генерацииимпульсов в установленных внутри резонатора элементах нелинейных оптических эффектов:либо двухфотонного поглощения излучения основной частоты лазера в полупроводниковыхобъемных кристаллах [151], либо в результате преобразования излучения основной частоты вовторую гармонику в кристалле KDP [149]. В лазере на неодимовом стекле, работающем врежиме модуляции добротности с помощью вращающейся призмы, при введении в резонаторпластин селенида кадмия удалось получить стабильные импульсы изменяемой длительностью впределах от 30 до 700 нс [150, 151]. Авторы отмечают, что наблюдаемый эффект обусловлендвухфотонным поглощением в нелинейном внутрирезонаторном элементе и считают, чтоописанный способ перестройки длительности импульса может быть использован и при работе слазерами, генерирующими в пикосекундном диапазоне [150].Во всех случаях энергияудлиненных импульсов была меньше энергии импульсов лазера без нелинейного элемента врезонаторе, амплитуда лазерного импульса уменьшалась с увеличением толщины нелинейного106элемента.Что касается цугов пикосекундных импульсов Nd3+:YAG-лазера, то было бы желательнополучить на них эффект ограничения (п.
3.2.1) для выравнивания амплитуд генерируемыхимпульсов [130], то есть получить цуг пикосекундных импульсов одинаковой энергии.Пикосекундные лазеры, имеющие на выходе цуг импульсов равной интенсивности за счетнелинейно поглощающего полупроводникового элемента, могут найти широкое применение.В связи с этим целью данной главы работы было изучение особенностей влияниядополнительной отрицательной обратной связи, обусловленной двухфотонным поглощением вмонокристаллической пластине GaAs и коллоидном растворе квантовых точек CdSe/ZnS,помещенных внутрь резонатора, на динамику генерации наносекундных (подавление процессасамосинхронизации мод – получение «гладкого» импульса лазера на Nd3+:YAlO3 смодулированной добротностью) и пикосекундных импульсов (изменение формы цугаимпульсов лазера на Nd3+:Y3Al5O12) в лазерах с вышеуказанными активными средами.§4.2.
Характеристики используемых коллоидных квантовых точекCdSe/ZnS и монокристаллов GaAsДвухфотонное поглощения было подробно рассмотрено в п. 3.2.1 и 4.1.3. В данной частиработы для управления процессом генерации (параметрами генерируемых импульсов) вкачестве дополнительной отрицательной обратной связи внутри резонатора устанавливалисьдвухфотонного поглощающие нелинейные элементы: либо пластина монокристаллическогоGaAs, либо кювета с коллоидным раствором квантовых точек CdSe/ZnS в гексане.Используемые объемный материал GaAs и коллоидный раствор квантовых точек CdSe/ZnSпрозрачны для основной частоты излучения используемых лазеров, в то время как придостаточно высоких уровнях оптического возбуждения в них возможно двухфотонноепоглощение.Арсенид галлия – один из основных полупроводниковых материалов, относящийся кклассу соединений AIIIBV. GaAs — это химическое соединение из галлия и мышьяка, кристаллыкоторого имеют структуру сфалерита [97], а постоянная кристаллической решетки составляет0,56 нм [152].
Энергетическая диаграмма объемного GaAs приведена на рис. 4.1: GaAs –прямозонный полупроводник, имеющий две непрямые долины, ширина запрещенной зоны(прямой) в -долине Eg = 1,42 эВ, валентная зона состоит из зон тяжелых V1 и легких дырок V2,а также спин-орбитально отщепленной зоны V3 [152]. Арсенид галлия — полупроводник,широко используемый в промышленности для изготовления полупроводниковых приборов:107светодиодов, туннельных диодов, фотоприемников, интегральных схем, транзисторов и др.Используемые образцы представляют собой полупроводниковые пластины GaAs толщиной0,57 мм и 0,45 мм с оптической ориентацией (100). Энергии квантов излучения основнойчастоты Nd3+:YAG-лазера ( = 1064 нм) – 1,16 эВ и Nd3+:YAG-лазера ( = 1064 нм) – 1,15 эВнедостаточна для возбуждения экситонов при однофотонном возбуждении GaAs, поэтомунеобходимо поглощение энергии, соответствующей энергии двух фотонов.
Таким образом,возбуждение осуществлялось в результате двухфотонного поглощения в области прозрачностиGaAs.Рис. 4.1. Зонная структура GaAs [152].Преимуществом использования коллоидного раствора квантовых точек над объемнымполупроводником является простота задания концентрации данной активной среды, что будетсказываться на исследуемых параметрах генерируемого лазерного излучения. В работеиспользовались двухфотонно поглощающие в области прозрачности коллоидные растворыквантовых точек CdSe/ZnS, подробно описанные в п. 2.1 и 3.1. Схема энергетических уровней идвухфотонных переходов в квантовых точках CdSe/ZnS представлена на вставке рис. 3.1.Использовались коллоидные раствора квантовых точек CdSe/ZnS КТ1 и КТ3 (рис. 2.6)концентрациями n ≈ 1016-18 см-3 в кюветах толщиной d = 1, 2, 10 мм. Размер используемыхквантовых точек CdSe/ZnS выбирался таким, чтобы было возможно резонансное двухфотонноевозбуждение основного экситонного состояния импульсами основной частоты наносекундногоNd3+:YAG и пикосекундного Nd3+:YAP лазеров.108§4.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
