Диссертация (1105407), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Следовательно, в изготовленных наноструктурах наблюдаютсярезонансные особенности, связанные с возбуждением электрической и магнитнойдипольных мод в каждой наночастице по отдельности.3. Эффект самовоздействия в образцах массивов a-Si:H нанодисковпри возбуждении резонансов МиТак как наличие конфигурационных резонансов приводит к усилению локальногополя, которое, в свою очередь, усиливает эффективность нелинейно-оптическихпроцессов, первым этапом работы являлось определение частотно-вырожденныхнелинейно-оптических эффектов в массивах нанодисков. Для этого использовались методы I-сканирования и z-сканирования.Полностью оптическое переключение лазерного излучения...123Рис.
71: График зависимости спектра коэффициента пропускания в зависимостиот угла падения оптического излучения на образец массива нанодисков (i).3.1. Экспериментальная установка для реализации методик I-сканирования иz-сканированияЭкспериментальная установка, реализующая сразу обе методики, представленана рисунке 72. Использовалось излучение титан-сапфирового лазера с центральной длиной волны λ = 770 нм и спектральной шириной импульса ∆λ = 26 ± 2 нм,с частотой повторения импульсов ν = 80 МГц.
Длительность лазерных импуль-сов составляла τ = 45 ± 2 фс. Лазерное излучение проходило через поляризатори призму Глана, взаимное положение которых позволяло контролировать мощ-ность оптического излучения, падающего на образец. Зеркало М4 находилось наподвижной платформе, что позволяло отводить излучение в канал сравнения ирегистрировать его мощность. В основном канале излучение фокусировалось наобразец линзой с фокусным расстоянием 11 мм, которая формировала перетяжкус диаметром d = 2.5 ± 0.5 мкм. Размер перетяжки определялся двумя способами:при помощи “ножа”, а также при помощи камеры с ПЗМ-матрицей.
Излучениесобиралось объекивом и регистрировалось детектором — либо измерителем оптической мощности, либо спектрометром. Образец находился на трансляционномстолике, который позволял изменять его положение в пространстве по трем координатам.Полностью оптическое переключение лазерного излучения...124Рис.
72: Экспериментальная установка для реализации методик I-сканирования иz-сканирования. М1–М4 — зеркала, О — образец, ОБ — объектив, АЛ — асферическая линза, ПГ — призма Глана, ПВП — полуволновая пластина, ДТ — детектор,Д — диафрагма.3.2. Экспериментальные результаты измерения эффекта самовоздействия методом I-сканирования3.2.1 Образцы массивов нанодисков из гидрогенизированного аморфного кремнияИзмерения методом I-сканирования были проведены для трех различных образцов (vii), (v), (i).
Это позволило рассмотреть три случая взаимного расположенияспектра лазерного импульса и минимума коэффициента пропускания, связанногос возбуждением резонансов Ми в нанодиске. Регистрировалось значение среднеймощности излучения — как падающего на образец, так и прошедшего через него.Средняя мощность пересчитывалась в величину оптического потока с учетом параметров лазерных импульсов.
Cтроился график зависимости нормированногоPкоэффициента пропускания образца T , от величины оптического потока F ≈ 2 ,νdгде P — средняя мощность излучения, падающего на образец.Образец (viii): спектр импульса совпадает с длинноволновой областью магнитно-дипольного резонанса (рис. 73(а) слева). Интегральное значение коэффициента пропускания для данного импульса в случае расфокусированного пучкаравно T0 = 53 ± 2%. На рисунке 73(а) справа представлена зависимость T (F ) дляобразца (viii). Так как длина волны лазерного импульса расположена в окрест-Полностью оптическое переключение лазерного излучения...125ности запрещенной зоны гидрогенизированного аморфного кремния, в образцеприсутствует процесс однофотонного поглощения.
На графике значение коэффициента пропускания линейно спадает при увеличении значения оптическогопотока до величины F ≈ 0.2 мДж/см2 . Эта зависимость характерна для про-цесса двухфотонного поглощения. При увеличении падающей мощности оптического излучения образец начинает нагреваться, что приводит к возникновениюнелинейной зависимости T (F ), на рисунке 73 она выделена розовой областью.Наблюдается увеличение значения коэффициента пропускания по сравнению слинейной зависимостью. При достижении величины F ≈ 0.6 мДж/см2 в образцевозникают необратимые изменения, которые ведут к увеличению коэффициента пропускания. Это проверялось измерением значения коэффициента пропуска-ния в обратную сторону — он становился больше, по сравнению с тем, что былоизмерено ранее.
Отметим, что, вероятнее всего, эти изменения вызваны нагревом и плавлением остаточного резиста — после проведенных измерений эффектасамовоздействия, были получены изображения массива нанодисков в растровомэлектронном микроскопе, и заметных деструктивных изменений в структуре образцов задетектировано не было. Также, анализ литературы показал, что в такихнаноструктурах деструктивные изменения возникают при существенно большихзначениях оптического потока [158].Образец (v): спектр импульса совпадает со спектральным положением минимума магнитно-дипольного резонанса (рис. 73(б) слева). Интегральное значениекоэффициента пропускания для данного импульса равно T0 = 7 ± 2%.
На ри-сунке 73(б) справа представлена зависимость T (F ) для образца (v). Как и дляпредыдущего случая, наблюдается три процесса: двухфотонное поглощение, нагрев и необратимые изменения в образце. Общее изменение коэффициента пропускания до возникновения в образце необратимых изменений составляет всего∆T ≈ 2%. Это связано с тем, что почти все излучение лазерного импульса по-глощается образцом, и вклад в процесс двухфотонного поглощения вносят лишькрая спектра лазерного импульса.Образец (i): Последний случай соответствует ситуации, когда спектр им-Полностью оптическое переключение лазерного излучения...126пульса лежит в коротковолновой области резонанса Ми (рис.
73(в) слева). Интегральное значение коэффициента пропускания для данного импульса равноT0 = 34 ± 2%. Это промежуточный вариант между образцом (viii) и (i). В данномслучае также можно выделить три процесса, но в розовой области на графикенаблюдается уменьшение значения коэффициента пропускания по сравнению слинейной зависимостью.Рис. 73: Левая колонка: спектры коэффициента пропускания образцов. Серымнанесен спектр используемого лазерного импульса.
Справа: зависимость коэффициента пропускания этих образцов от значения падающего на них оптическогопотока. Красная кривая — результат аппроксимации функцией (26). (а) Образец(viii); (б) образец (v), (в) образец (i).Полностью оптическое переключение лазерного излучения...127Во всех трех образцах зависимость T (F ) в розовой области различна.
Здесь,помимо процесса двухфотонного поглощения, начинает проявляться зависимостьпоказателя преломления материала от F , причем это может быть как нелинейнооптический эффект Керра, так и нагрев образца. Из-за изменения показателяпреломления среды происходит смещение резонансной длины волны в краснуюобласть: для образца (i) коэффициент пропускания увеличивается, а для образца(viii) уменьшаться. Более подробно процессы, происходящие в этой области будутрассмотрены ниже.Область с двухфотонным поглощением можно аппроксимировать используяпредположение, что в среде присутствует только линейное поглощение с коэффициентом α и нелинейное поглощение с коэффициентом β.
Тогда интенсивностьпрошедшего через образец в направлении z излучения I и интенсивность падающего излучения I0 связаны в виде [147, 169]:dI/dz + αI + βI 2 = 0.(53)Как уже было сказано в обзоре литературы, решение данного уравнения в общемслучае имеет вид:I0 e−αl,I(l) =1 + (1 − e−αl )βI0 /α(54)где l = 130 нм — высота нанодисков. Следовательно, с использованием экспериментальных параметров установки, при аппроксимации голубой области зависимости T (F ), может быть оценено значение нелинейного коэффициента поглощения β. Порядок величины коэффициента линейного поглощения α можно оценить из экспериментальных значений показателя преломления и поглощения длятонкой пленкий аморфного кремния.
При помощи эллипсометрии А. С. Шороховым было получено, что при λ = 770 нм, показатель поглощения κ′′ ≈ 0.002, гдеn = n + iκ. Тогда α = 4πκ/λ ≈ 320 см−2 . Данные схожи с представлеными ранеедля пленок гидрогенизированного аморфного кремния [170]. При образце толщиной l = 130 нм, значение e−αl ≈ 0.999. Коэффициент пропускания образца прирасфокусированном пучке: T0 = 53 ± 2%. То есть наибольший вклад в потери сигнала вносит отражение излучения от поверхности.
На рисунке 73 приведены по-Полностью оптическое переключение лазерного излучения...128лученные экспериментальные кривые и кривые, полученные при аппроксимацииэкспериментальных точек, соответствующих двухфотонному поглощению функцией (54). Оценен порядок значений коэффициента нелинейного поглощения: дляобразца (viii) — β ≈ 3.6 см/МВт, образца (v) — β ≈ 0.25 см/МВт, образца (i) —β ≈ 2 см/МВт.
Максимальное значение получено для образца (viii), когда спектрлазерного импульса находится на краю резонанса.3.2.2 Образец тонкой пленки гидрогенизированного аморфного кремнияДля сравнения были проведены измерения зависимости коэффициента пропускания тонкой пленки гидрогенизированного аморфного кремния от мощностипадающего излучения (рис. 74). Получена линейная зависимость T (F ) для всего диапазона измереных значений, вплодь до значения оптического потока F ≈4.2 мДж/см2 , которое существенно превышает порог необратимых изменений образцов массивов нанодисков. Соответственно, при значении F ≈ 0.4 мДж/см2модуляция коэффициента пропускания образца (viii) ∆Tviii ≈ 40% превышает мо-дуляцию коэффициента пропускания пленки ∆Tf ilm ≈ 0.5% в восемьдесят раз.На рисунке также представлен результат аппроксимации экспериментальных точек функцией (54).
Оценено значение коэффициента нелинейного поглощенияβ ≈ 0.02 см/МВт. Следовательно, в образцах нанодисков за счет возбуждениялокализованных резонансов Ми наблюдается усиление эффекта двухфотонногопоглощения.3.3. Экспериментальные результаты измерения эффекта самовоздействия методом z-сканирования3.3.1 Образцы массивов нанодисков из гидрогенизированного аморфного кремнияС помощью методики z-сканирования были проведены оценки значения коэффициента нелинейного поглощения в образце (viii) для случая, когда спектр импульса находится в длинноволновой области магнитного резонанса, и для пленкигидрогенизированного аморфного кремния.Полностью оптическое переключение лазерного излучения...129Рис. 74: Зависимость коэффициента пропускания пленки гидрогенизированногоаморфного кремния от значения падающего на нее оптического потока.Параметры используемого лазерного импульса: λ = 770 нм, ∆λ = 26 ± 2 нм.Коэффициент пропускания образца для этого импульса был равен T0 = 53 ± 2%Падающая интенсивность на образец подбиралась по I-сканированию так, что-бы она была достаточно большой, но еще не приводила к разрушению образца:F ≈ 0.5 мДж/см2 , то есть I0 ≈ 25 ГВт/см2 .
Был измерен график зависимостикоэффициента пропускания образца массива нанодисков от его положения в пере-тяжке лазерного пучка (рис. 75) с шагом 5 мкм. Получено максимальное значениеизменения коэффициента пропускания равное ∆T = 48±2%. Экспериментальныйграфик был аппроксимирован зависимостью [153]:βI0 l1,T =1− √2 2 (1 + (z/z0 )2 )(55)где z0 = πd2 /λ — релеевская длина, равная 20 ± 2 мкм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
